[2016] AC-DC 결합 조건에서의 오일-페이퍼 절연 시스템에서의 공간 전하에 관한 연구 (Study on Space Charge Behavior of Oil-Paper Insulation Under AC-DC Combined Stress)

Abstract

    AC 전계와 AC-DC 전계 조건 하에서 오일-합판 내부의 공간 전하가 automatic equipartition phase shift(AEPS)를 기반으로 한 빠른 공간 전하 측정 시스템과 함께 측정되었다. Phase 해상도는 1.79°이며 예를 들어 전체 주기 동안 201 equal division. 공간 전하 축적은 15kV/mm의 AC 전계에서 뚜렷한 모습을 보이지 않는다. 호모 전하들이 그라운드 된 전극에서 축적되고 전하밀도는 상부 전극으로 방향으로 점점 감소한다. 전하 주입의 양과 전하의 이동 거리 모두 전계의 형태와 강도에 매우 의존적이다. 공간 전하 축적은 15kV/mm의 AC-DC로 결합된 전계에서 상당하다. 음(-) 공간 전하 분배는 전반적인 주기에서 오일-프레스보드에서 지배적이다. 이는 주로 AC-DC 전계 조건하에서 전계와 분극화 시간 균형의 방해로 인해 일어난다. 극성 역전(예를 들어, 전합이 주기적으로 0V를 통과하는 것)은 DC 구성 요소들이 특정 영역을 초과하는 경우를 반드시 고려해야 한다. 오일-프레스보드에서 공간 전하의 축적은 전계 분배를 왜곡시킬 수 있다.

Introduction

    컨버터 트랜스포머는 가장 중요한 전기적 장비들 중에 하나이다. 이것의 사용은 현재 전 세계적이며 이는 HVDC (high voltage direct current) 송전 기술의 발전에 많은 기여를 했다. 컨버터 트랜스포머의 벨브 사이드(valvle side)는 AC와 DC 전계 모두 노출될 뿐만 아니라 DC full-voltage와 분극화 역전에 의해서 매복(impaction) 현상 (예, 전하 축적) 또한 일어나게 된다. 그러므로, 주요 절연체에 관해서 동작 응력은 복잡한것으로 여겨진다 (예, 오일-프레스보드). 공간 전하 축적은 오일-페이퍼 절연체의 낮은 전도성 때문에 피할 수 없는 현상이다. 이러한 현상은 DC 전계 조건하에서 더욱 뚜렷하며 이는 오일-프레스보드 절연 샘플 내에서 상당한 전계 왜곡 현상을 야기시킬 수 있다. 이는 전기적 노쇠화와 절연체의 성능 저하를 가속화시킨다. 공간 전하는 AC 조건 하에서 또한 오일-프레스보드 샘플 내에 축적될 수 있지만 축적되는 전하의 양은 뚜렷하게 나타나지는 않는데 그러한 이유는 각 분극화 (+,-극의 변환) 기간 동안 전하의 주입과 추출(extraction)을 반복하기 때문이다. 공간 전하의 축적으로 인해서 전계가 특정 강도를 초과하게 되면 이는 절연체 파괴를 야기할 수 도 있다. 하지만, DC 전계와 비교하면 AC 전계에 관한 공간 전하 조사는 아직도 충분하지 않다. AC 전계 조건에서의 공간 전하 형성 메커니즘은 아직도 더 많은 연구를 필요로 한다. 이러한 상황의 주요 이유는 AC 전계에서 짧은 기간 동안 공간 전하를 탐지하는 효과 적인 장비의 부족이다. 여러 연구들에 따르면 AC 조건하에서 오일-프레스보드의 공간 전하 측정과 관련된 몇 가지 탐지 시스템이 개발되었다. 몇몇의 현상들이 50Hz AC 전계에서 관측되었으며 이는 약간의 공간 전하 축적이 특정 위상에서 전극 근처에 발견된다. 하지만, 공간 전하 탐지에 관한 phase 해상도(resolution)는 제한적(오직, 18°)이다. 이는 너무 거칠어서 전체 주기 동안 오일-프레스보드에서 공간 전하 특성을 결정하기 힘들다. 최근, automatic equipartition phase shift (AEPS) 원리가 위상 감지 오류 분석을 기반으로 제안되었다. 이는 source 감지에 있어서 PEA 방식에 관한 전기적 펄스 같은 주파수 제한점을 극복하였다. 더욱이, phase 해상도는 주기적 응력에 관한 주파수 수집을 통해서 쉽게 강화되고 이는 AEPS원리의 특징적인 수식을 따라서 source를 감지한다.

    이 페이퍼에서는, AC와 그리고 AC-DC로 결함된 응력들이 수집되어 컨버터 트랜스포머 밸브 사이드 쪽을 극도의 동작 조건으로 시뮬레이션한다. 주기적 응력에 노출된 오일-프레스보드에서 공간 전하는 AEPS 기술을 기반으로 하는 빠른 공간 전하 시스템에 의해서 측정된다. 마지막으로, 전하 형성은 높은 phase 해상도(resolution)에 관해서 공간 전하 행동을 기반으로 논의된다.

Experiment

A. Sample Preparation

    미네랄 오일 (타입: #25 produced by Changcheng company)가 사용되었다. 그리고, Huapeng company에서 제공된 프레스보드는 섬유소 절연 페이퍼가 사용 되었으며 싱글 레이어의 두께는 500 um이다.  첫번째로, 절연 페이퍼는 8cm 지름의 원형 모양으로 준비되었다. 그리고 나서, 오일과 프레스보드는 50°C의 진공 오븐에서 24시간 동안 각각 배치된다. 마지막으로, 이렇게 준비된 프레스보드는 절연 오일에 함유되어 상온에서 24시간동안 함유 과정을 가진다.

B. Waveforms used for polarization

    두 종류의 주기적 응력 (AC 그리고 AC-DC 결합 응력)이 수집되어 컨버터 트랜스포머 밸브 사이드에서 극도의 운용 조건으로 시뮬레이션된다. AC 응력에 관한 전계 값은 15kV/mm rms 값을 적용하며 주파수는 50Hz이다. AC-DC 결합 응력에 관해서는 약 36.21kV/mm 그리고 -6.21 kVmm가 각각 적용된다.

C. Space Charge Measurement

     AC 그리고 AC-DC 결합 조건하에서의 공간 전하 특성은 AEPS 원리에 의해서 관측된다. 이는 AC응력과 펄스를 감지하는 것에 대해서 주파수의 수집을 쉽게 실현할 수 있다. 위상(phase)을 감지하는 것은 빠를 뿐만 아니라 보조적(auxiliary) 위상(phase) shift 장비 없이 자동적으로 shift 된다. 더욱이 equal division이 이 프로세스 동안 실현 가능하다. 펄스 주파수 fp는 2010Hz로 수집되며 이는 AC 주파수 fa: 50Hz의 특징적인 수식을 따른다. 또한, equal division은 201로써 AEPS 원리에 따라 위상 해상도 △'를 약 1.79˚를 실현시키기 위함이다.

    실험은 실온에서 수행되었다. 상부와 하부 전극들의 재료들은 각각 semicon과 Al이다. Semicon은 어쿠스틱 임피던스 매칭을 위해 사용되며 이는 ethylene vinyl acetate copolymer (EVA)와 conductive carbon black(CCB)로 구성된다.

 

Results and Discussions

A. Identification of Detecting Phase

    주기적 조건하에 공간 전하 측정 동안 Phase의 확인은 필수적 단계에 속한다. 측정하는 phase의 equal distribution은 AEPS원리를 기반으로 쉽게 실현 가능하다. 하지만, phase의 감지는 측정 시스템에서 초기의 여분의(auxiliary) phase trigger 장비 없이 무작위적이다. 그러므로, phase를 감지하는 것은 AC와 AC-DC로 결합된 응력 조건에서 공간 전하의 특성을 결정하기 위해 확인 작업이 필요하다.

    두 가지의 확인 방법이 이전의 연구들에 의해 소개되었으며 첫 번째 방법은 AEPS원리이고 두 번째 방법은 Hilbert transform 방식으로 임의적인(arbitrary) 파장의 기본 파형 요소를 기반으로 한다. AC와 AC-DC 웨이브는 일반적으로 주기적인 응력으로 단순히 공식적으로 이루어진다. 감지되는 위상에서 주기적 응력의 전압 (Va)가 위상 확인을 위해 사용되며 이는 정확한 위상 확인을 위한 것이다. Figure 1에서 보이는 바와 같이, 오실로스코프에 의해서 공간 전하 분배와 연관된 신호를 동시에 얻는 게 가능하다. 확인 작업의 결과물은 Figure 2에 나타나 있으며 이는 AC와 AC-DC 결합 응력을 포함한다. 뚜렷하게 위상을 감지하는 것에서의 별개의(discrete) 전압(Va)은 적용된 방식에 의해 위상 확인을 구별한 뒤에 주기적 응력과 함께 겹친다. 각 위상 감지 사이의 위상 간격은 동일한 분배를 가진다. 그 값은 약 1.7˚를 가지며 이는 AEPS원리를 기반으로 Figure 1에서 처럼 계산된 위상 해상도 △'와 동일하다. AC-DC 결합된 응력과 관련해서, 0V를 지나는 위상은 Figure 1(b)에서 처럼 Z0과 Z1로 표시되었다.

 

B. Space Charge Behavior under AC Stress

    공간 전하 특성은 위상 확인 후에 결정된다. 이 연구 페이퍼에서는, deconvolution이 신호 프로세스에 사용되며 이는 시스템에서 생기는 오류를 제거하기 위함이다. 음파 신호의 회복은 500um의 프레스보드 내에서의 파장 진행에 있어서 심각한 확산(dispersion)과 감쇠로 인해서 실현되기 어렵다.

    AC 15 kV/mm 조건에서의 공간 전하 특성은 Figure 2에서 나타난다. 이는 AC 응력이 오일-프레스 보드에 적용된 후 즉각 적인 모습이다. 공간 전하 분배는 최대 전계를 가지는 위상에서 거의 대칭적이다 (Figure 2(a), 90.41° 그리고 269.51°). 전하 피크는 낮으며 그라운드 전극과 비교하여 그리고 상부에서 넓게 되어있다. 이는 확산(dispersion) 그리고 음파의 감쇠와 연관되어 있을 가능성이 있다. 그리고, 여기서의 분석은 그라운드 된 전극 주변에서 공간 전하 분배에 초점을 맞추고 있고 이는 상부 전극 주변에서의 불충분한 공간 전하 해상도(resolution) 때문이다. 약간의 공간 전하의 양은 프레스보드에서 Area B에서 처럼 보여지듯이 관측이 가능하다. 명백하게, 이 공간 전하들은 전계에 상응하는 호모전하들이다. 호모전하 밀도는 그라운드 전극 근처에서 최대 값을 가진다 (약 2.4 C/m3). 그리고 상부 전극을 향할수록 감소한다. 이는 호모전하의 주요 소스는 하부 전극으로 부터 전하 주입으로 보여진다. 이 추론(deduction)은 Fig 2(b)에서 보여지는 것 처럼 전반적인 주기에서 추가적으로 공간 전하의 역하에 의해 확인 가능하다. 공간 전하 축적은 전극에서 많은 양의 유도된 전하로 인해서 뚜렷하지 않다. 하지만, 공간 전하 특성은 Area B에서 전하 밀도 스케일의 감소 후에 뚜렷하다. 호모전하 (전자와 정공, electron and hole)는 그라운드된 전극에서 주입이 가능하고 상응하는 전계 조건하에서 상부 전극으로 이동 가능하다. 주입된 전하의 양과 이동 거리 모두 전계에 의존한다.

C. Space Charge Behavior under AC-DC Combined Stress

    AC 응력 조건하에서 공간 전하 행동에서의 DC 요소의 효과는 Figure 3에 나타난다. 이는 또한 적용된 전압에 관하여 오일-프레스보드에서 감지된다. DC 그리고 AC 요소들이 모두 15kV/mm로 수집되며 이는 컨버터 트랜스포머 안에서의 극도의 동작 조건을 시뮬레이션한다. Figure 3 (a)에서 보이듯이, 공간 전하 축적은 위상 89.71°과 270.62°에서 상당하다. 음(-) 공간 전하 분배는 두 phase에서 지배적이다. 89.71°에서 공간 전하 밀도는 뚜렷하게 270.62°에서의 위상에서의 밀도 값 보다 더 크다. 이는 Figure 1(b)에서 보이는 것 처럼 전계와 분극화 시간에 관해서 균형의 방해에 의해 야기된다. 이렇게 두 위상 근처에 전계는 약 36.21 kV/mm 과-6.21 kV/mm의 값을 각각 가진다. 그러므로, 전하 주입(electron and hole)의 균형은 프레스보드에서 깨지게 된다. 많은 전자들이 프레스보드에 주입되게 되고 이는 상당한 양의 음(-) 공간 전하 축적을 야기하게 된다. 

    결합된 응력 조건에서 공간 전하 역학 특성은 Fig 3(b)에 나타나 있다.

음(-) 공간 전하 축적은 그라운드 전극 부근에서 중요하며, 특히 Area C 밀도 영역에서 이런 점이 나타난다. 전체적인 주기 동안 DC 요소에 의해서 강화된 전계로 인해서 관측 가능하다. AC 응력 조건에서 공간 전하 특성과 비교하면, 대칭적인 분배 DC 요소와 결합된 AC 응력 후에 사라진다. 이 조건에서, 분극 역전 지점 (즉, 0V를 주기적으로 지나는 전압)은 반드시 고려되어야 하는 문제점이다. 전기적 장비의 절연은 보통 심각한 전기적 왜곡으로 인해 파괴되며 이러한 왜곡은 절연체에 상당히 축적된 헤테로 전하들로 인해서 일어난다. 분극 역전에서 공간 전하 분배들은 Figure 3에서 Z0과 Z1로 표시되었다. 그라운드 된 전극에서 포함된 전하는 (+)이며 전하 밀도가 전압이 0V임에도 높게 나왔다. 이는 현저하게 그라운드 전극 근처 공간 전하 축적에 의해서 야기된다. Z0와 Z1를 통과하는 전계는 왜곡될 수 있다. 이는 Figure 4에서 보인다. 위상 Z0을 지나는 지점에서, 그라운드 전극 주변에 축적되기 시작하는 (-) 전하들은 결합된 응력 조건하에서 헤테로 전하로 여겨진다. Figure 4(a)에서 보이는 것처럼, 전계의 방향은 공간 전하 Esp에 의해 일어나며 이는 결합된 응력 조건하에서 적용된 전계(Eap)와 동일하다. 그라운드 전극 주변 전계는 이 경우 강화될 수 있으며 이는 전극으로부터의 더 많은 전하들의 주입을 야기한다. 위상 Z1을 지나는 지점에서, 음(-) 공간 전하는 Figure 4에서 처럼 호모 전하들로 시작한다. 전계는 그라운드 전극 주변에서 전계가 줄어들고 이는 Eap와 Esp에 같은 방향에 의해 일어난다. 그러므로, 전계는 DC 요소에 의해 일어나면 이는 컨버터 트랜스포머의 작동 기간 동안 반드시 통제되어야 한다.

Conclusions

AC와 AC-DC 전계 응력 조건하에서 오일-프레스보드에서의 공간 전하는 공간 전하 특성을 기반으로 높은 위상 해상도로 조사 되었다. 다음은 이 연구페이퍼로 부터 도출되는 몇 가지 결론이다.

 

1) 오일-프레스보드에서 공간 전하 축적은 AC 전계 (15kV/mm) 조건에서 뚜렷하지 않다. 호모 전하는 그라운드 전극 근처에서 축적되며 상부 전극으로 향할수록 상부 전극이 감소한다. 이는 아마도 전극으로부터의 전하 주입과 연관되어 있는 것처럼 보인다. 주입된 전하의 양과 전하 이동 거리는 전계에 의존적이다.

 

2) 공간 전하 축적은 15kV/mm의 AC-DC 결합된 전계 조건에서 동일한 요소에서 중요하다. (-) 음 공간 전하 분배는 오일-프레스보드내에서 전체적인 기간동안 지배적이다. 이는 AC-DC 전계 조건에서 주로 전계의 균형에서의 방해와 분극화로 인해 일어난다.

 

3) 분극 역전 (전압이 0V를 주기적으로 지나는 지점)은 DC요소가 특정 영역을 초과할 경우 반드시 고려하여야 한다. 오일-프레스보드 내에서 공간 전하의 축적은 전계를 왜곡시킨다.

 

출처: 

[1] R. Huang, J. Wu, Q. Wang, and Y. Yin, “Study on space charge behavior of oil-paper insulation under AC-DC combined stress,” C. 2016 - Int. Conf. Cond. Monit. Diagnosis, pp. 984–988, 2016.