소소한 POWER SYSTEM

트랜스 포머의 코일을 절연 용액(dielectric fluid)에 담그는 방법의 이점은 오랜기간동안 이해 및 사용되어 왔다. 이러한 용액의 사용은 전기적 전도성을 줄여줄 뿐만 아니라 냉각 수행능력의 향상을 이끌어 왔으며 트랜스포머 디자인을 간소화 할 수 있게 하였다. 미네랄 오일은 그것이 가지고 있는 냉각 전기적 특성 때문에 트랜스포머에서 오랜기간동안 사용 되어 왔다. 하지만, 화재 위험, 환경 오염, 낮은 방수 능력, 부식 가능성등의 많은 단점들을 노출해 왔다.

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이러한 단점들을 해결하기 위해 이스터 베이스의 용액들이 제안 되어졌다. 이스터 베이스의 용액들이 가지고 있는 장점은 우선 화재로 부터 안전하다는 점이고, 식물성분해에 용이하기 때문에 친환경적이다. 또한 부식 가능성으로 부터 자유로우면서도 강항 절연 특성을 가지고 있다. 추가적으로, 이스터 용액은 섬유소 절연에서의 사용까지 확장가능한 이점을 보여줬다.

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트랜스포머에 사용되는 이스터 오일은 크게 두 그룹으로 나뉜다 (synthetic/natural)

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합성된 이스터 (synthetic)용액은 선별된 천연 물질들로 부터 제조된다. 그리고 합성 이스터 용액은 구체적인 응용에 맞춰진 완제품에 적용된다. MIDEL 7131(Midel 회사로 부터 제조된 합성 이스터오일)은 구체적으로 트랜스포머의 절연을 위해 사용되어 왔으며 모든 타입의 제품에서 뛰어난 성을을 보여준다. 또한 MIDEL 7137은 매우 낮은 유동점(물체가 유동하는 최저온도)과 우수한 산화 안정성(oxidation stability)를 보유하고 있기 때문에 낮은 기온 및 용액이 산소에 노출될 수 있는 경우에 있어 적용 가능하다.

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자연 이스터 용액(natural esters)는 재생에너지원으로 부터 얻어진다

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[제품모델명]

MIDEL eN 1204: rapeseed/유채 씨, canola/카놀라 유

MIDEL eN 1215: soybean: 콩, 대두

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위의 제품들은 각각의 특성에 맞춰서 가장 적합한 제품에 적용되게 된다. 하지만 합성 이스터 용액과 다르게, 자연 이스터 용액은 크게 바뀔 수 없다. 그러므로, 낮은 온도에서 용액으로 남아 있는 자연 이스터 절연 용액을 얻기 위해서는 절충안이 반드시 제안되어야 한다. 이러한 절충안은 보통 산화 안정화를 낮추는 방법이 많이 택해진다. 다시 말하면, 산화 안정성이 많이 떨어지기 때문에 봉합된 장비(sealed equipment)에서만 사

용이 가능해지게 된다. 합성 이스터 용액에 비해서, 자연 이스터 용액은 매우 높은 이동점을 가지고 있기때문에 기후가 온화한 지역이나 실내에서 적용하기 용이한 편이다.

출처: https://www.midel.com/blog/about-esters/

고 전압 시설들은 가끔 가스가 있는 환경에 절연체를 포함한 경우가 있으며 이 경우 플래시오버(섬락)에 의해 stress를 받게 된다. 만약 오염된 레이어가 절연체의 표면에서 발달하게 된다면, 절연체의 전계 강도는 급격하게 감소하게 된다. 이러한 현상은 오버헤드라인, 야외 스위칭 스테이션 등 여러 장소에서 발생 가능하다. 그리고, 장기적은 측면에서 대기 오염 현상은 고 전압 네트워크의 안정성에 아주 큰 영향을 끼칠 수 있다.

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오염레이어의 발달과 효과(Development and effect of contamination layers)

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고형의 물질과 가스화된 물질사이의 경계면에서는 둘의 다른 물리적 매커니즘에 의해 응축이나 흡수같은 현상이 일어나게 된다. 추가로 공기중에서는, 절연체는 먼지 분자들의 축적에 의해 오염된 레이어를 형성할 수 밖에 없다. 이러한 현상은 일반적으로 질적측면의 설명(quantitative description)이 힘들다. 따라서 이 현상을 설명하기 위해서는 조사와 실험을 통해 접근하여야 한다.

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A) 수분 레이어(Moisture layer)

대기중의 공기는 항상 상당한 양의 수분을 포함하고 있다. 깨끗한 실험조건에서 물분자의 퇴적(또는 축적)은 대게 절연체 표면에서 일어나게 되고 humidity value F>50%이상일때 섬락전압 (U_d)의 감소를 이끌어 낸다(Fig. 1.6-1). 즉 낮아진 섬락 전압으로 인해 섬락(flashover)의 현상이 나타날 가능성이 높다.

이러한 현상의 원인은 절연체 표면의 물의 단일분자 필름 형성 (the formation of a mono-molecular film)때문이다. 심지어 주변 공기의 포화 습도 보다 낮은 상황이더라도 동일하다. 따라서 이러한 섬락 전압(the flashover voltage)를 줄이기 위해서는 절연체 표면의 마감 그리고 전압의 형태등 여러 사항들을 동시에 고려하여야 한다. 야외의 절연체에서는 화학 결함하는 수분층이 비, 안개, 또는 이슬에 의해 과냉각된 절연체에 발생할 수 있다(특히, 이른 아침시간에 발생할 가능성이 높다)

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섬락전압에 있어서 수분이 주는 영향은 절연체로 쓰이는 SF6가스 절연 시스템에 있어서 또한 중요하게 여겨진다. 다시 말하면, 가스를 사용하는 절연 시스템은 고체 표면에 생기는 수분, 즉 이슬점에 도달하지 않기 위해 충분히 건조한 상태를 유지하여야 한다.

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B) 전도성 오염층(Conducting contamination layers)

대기중에서는 먼지같은 불순물들이 물체에 표면에 쌓이는 경향이 있다. 이러한 오염층(the contamination layer)이 절연체에 미미하게 쌓이면서 건조한 상태를 유지한다면 섬락전압(flashover voltage)에 주는 영향은 크지 않다. 하지만, 만약 이러한 오염층이 충분히 쌓이면서 수분을 머금게 된다면 절연체의 전기전 강도 감소에 아주 큰영향을 주게 된다.

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크게 오염된 층이 다른 형태의 전압에 주는 영향은 다음과 같다.

오염된 절연체의 행동은 교류 또는 직류 전압하에서 동작 스트레스(the operating stress)에 아주 큰 영향을 미친다.

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다음 3가지의 오염이 공통적으로 일어난다.

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1. 염분 안개 오염(salt fog pollution)은 주로 해안가 근처에서 일어나며 수 Km의 내륙까지 전달 될 수 있다. 실생활에 비슷한 예로는 겨울철 도로에 뿌리는 염분의 물질 (보통, 염화 칼슘)의 효과와 비슷한다.

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2. 산업 공해 또한 이에 해당하는데, 잘 알려진대로 이러한 산업 공해는 인근 지역의 화력 발전소, 석탄 발전소, 시멘트 공장등 으로부터 발생한다. 이러한 산업 먼지들은 보통 비활성 먼지이며 염분과 섞여있다. 초기에는 이러한 먼지들이 건조한 상태지만, 후에 수분과 접촉하게 되면 전해질적인 전도성을 같게 된다. 또한 종종 이러한 전도성 오염층은 수분에서의 산성 형태의 가스(e.g. SO₂)에 의해 발생하기도 한다.

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3. 세번째의 경우는 사막 오염인데, 이 경우는 사막 부근에서 발생한 먼지가 절연체 주변에 쌓이게 되는 경우이다. 이렇게 발생된 먼지는 바람에 의해 날리게 되며 염려 되는 지역에 먼지층을 쌓게 된다. 예를들면 절연체 그늘막에 안쪽이나 뒤쪽 처럼 접근 하기 힘든 부분에 쌓이게 된다.

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이 모든 종류의 전도성 오염층은 절연체 표면에 위차하게 되고 누수 전류 I를 적용된 전압과 함께 포함하게 된다.

위의 그림에서 보여지듯이 인공 그리고 자연적인 오염에서의 절연체를 조사할때 δ_s (layer conductivity)는 유용한 측정 방식이 될 수 있음을 보여준다(교류전압 하에서).

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직류 전압조건하에서는, 오염층의 형성은 먼지 분자에서 작용하는 정전기적 힘에 의해 아주 큰 영향을 받는다. 전계는 매우 불규칙적인 오염을 이끌어 낼 수 있으며 또한 층 전도성의 불균일함을 가져올 수 있다. 다시 말하자면, 교류 전압에 비해 더 큰 섬락 전압(the flashover voltage)의 감소를 가져오게 된다.

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출처: D. Kind, High-Voltage Insulation Technology. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2011.

절연유가 적용되는 대부분의 경우에서는 더 많은 고려사항들이 존재하게 된다. 예를들어 절연유는 트랜스포머의 와인딩과 코어의 열을 식히는데 이용되고 또한, 서킷브레이커의 아크현상(열이나 불꽃을 나타내는 현상)을 끄기 위해서도 쓰인다. 또한, 내장된 캐패시터에서, 절연유는 절연지의 절연 상수를 증가 시키는 역할을 한다.

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절연유의 사용은 기술적인 측면에서 기체 그리고 고체 절연 기술과는 조금 다르다. 액체의 절연은 불순물에의해 상당한 영향을 받으며 수명 또한 공간 전하(space charge)의 영향을 크게 받는다. 절연유의 절연파괴는 확실하게 통일된 이론은 없으므로 여러가지 사항을 복합적으로 고려하여야 한다.

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A) 절연유 기술적 구조의 전기적 강도(Electric strength of technical configuration with insulating liquids)

고 전압 기술에서는, 미네랄 오일이 절연물질로써 지배적이다. 즉, 절연 지지대(소프트 페이퍼, 프레스보드 등) 부근에서 절연 활로를 연다. 미네랄 오일은 매우 낮은 점성을 가지고 있어서, 트랜스포머의 절연 오일로써 많이 쓰인다. 이러한 점성도는 온도에 매우 의존적이기때문에 다른 적합한 증류액과 섞으므로써 냉각이나 오일을 머금게(침투) 함에 있어서 용이하다.

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미네랄 오일은 천연 오일로 부터 추출되며 이러한 절연유는 각기 다른 성질을 가지는 여러 탄화수소의 혼합체이다. 대형의 기술 시스템(트랜스포머 같은)이나 대기와 접촉이 일어나는 몇몇에 경우에 절연유는 불순물이 용해된 가스나 액체의 형태로 가지고 있게 된다. 뿐만아니라, 전도가 가능한 입자나 전도가 불가능한 입자(fibre pieces, sludge) 또한 포함하게 된다.

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많은 실험들이 보여주기를 이러한 불순물의 존재는 절연파괴의 특성에 있어서 이상적으로 순수 절연액에 비해서많은 영향을 준다. 사실, 액화된 가스들은 순수 절연액을 대표하는데, 매우 낮은 온도의 질소액이 이에 해당한다(LN₂). 액화 헬륨 또한 저온 기술에서 사용될 가능성이 있다.

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합성 절연액인 chlorinated diphenyls (염소처리된 디페닐)은 파워 캐패시터에서 절연종이가 머금게 하기 위해 (함침)쓰인다. 미네랄 오일과 비교하였을때, chlorinated diphenyls은 거의 2배 더 큰 절연 상수를 가지고 있었다.

추가적 이점으로는, 불이 잘 붙지 않으며, 예전에는 배전(distribution) 트랜스포머 안쪽에 사용되기에 적합 했다. 하지만 오늘 날에는, 에폭시 레신(epoxy resins)과 함께 건식 트랜스포머에 사용된다.

아래 표는 몇몇의 절연액의 특성을 포함하고 있다.

불순물에 대한 의존성을 제외하고, 전기적 강도는 또한 다른 요소들의 영향을 받는데 특히, 압력과 스트레스(stress duration) 작용 기간이 이 요소들중 하나에 해당한다. 충동 전압의 스트레스작용 동안, 절연 파괴 전계 강도는 많은 영향을 받게 된다. 균일 전계에서의 절연체는 아마 최대 E_d=200 kV/cm 의 절연 파괴 전계를 가진다. 트랜스포머안에 전극의 충동 전압-시간 커브(Figure 1.4-1)는 스트레스 작용효과에 관하여 생각해 보게 만든다.

불순물을 포함한 절연액에 관하여 전형적인 절연 파괴 요건은 큰 확산과 불규칙적인 선-방전(pre-discharge)의 발생 빈도이다(균일 전계 상태도 포함). 더욱이, 순수 액체 간극들에서는(in pure liquid gaps), 절연 파괴는 상당한 자가 회복 작용(self-healing)과 함께 발생한다.

위의 그래프는 절연파괴 전계 강도 E_d의 측정결과 값과 50Hz에서의 분산 요소 tanδ 를 수분 포함 함수 v에 관하여 나타내어졌다. v=50*10^-6 을 초과한 지점에서의 E_d 의 감소는 용액이 유화되는 변천을 겪는데 영향을 끼치게 된다.

200kV/cm의 절연파괴 전계 강도에서는 잔존하는 수분 함량은 v<10^-5 이어야 한다. 용해된 수분 기포와 대조적으로, 용해된 가스는 보통 절연액에 전기적 강도에 큰 영향을 미치지 않는다 (산소에 의한 노쇠화 과정은 별개). 그러나, 만약 평형생태를 벗어났을때 과포화 상태는 매우 중요한 부분이 될 수 있다. 다시말하면, 용해된 가스들이 아주 작은 버블형태로 나타나게 되는데 이러한 버블들은 기계적 진동 (강제 냉각 순환 등)이나 고 전계 강도에 의해 발생된다.

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액체의 절연 재료들은 함침제(impregnants)로 캐패시터의 절연체, 소프트 페이퍼, 그리고 트랜스포머의 프레스 보드에 쓰인다. 뿐만 아니라, 오일이 함유된 페이퍼 케이블에도 적용 가능하다. 그리고, 액체의 절연 재료들은 매우 높은 전기적 강도에 도달이 가능하지만, 효과적인 대류 냉각(convection cooling) 측면에서 비용적으로 효율적이지 못하다.

다음의 표는 각각의 물질들이 20^oC에서 가지고 있는 특성들을 보여준다.

위의 표에서 보여지는 혼합된 절연체들은 매우 강한 전기적 강도를 가지며 약 100kV/cm 또는 그 이상의 전계 강도까지 허용이 가능하다. 아주 짧은 순간동안은, 파괴 전계 강도 E_d의 스트레스 값이 약 최대 1MV/cm 까지 측정될 수 있다. 그러나 특히, 매우 높은 주변 온도 상황에서는 열에 의한 절연 파괴상황을 반드시 고려하여야한다. 추가로, 극도록 짧은 순간같은 특이한 경우에는, 심지어 수분또한 매우 높은 절연파괴 전계 강도를 보유하게 된다.

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실험적 조건에 따라서, 약 mm 단위의 공간에 대해서 100~500kV/cm의 전계 강도 값을 가질 수 있다 (※작용 시간은 10μs 를 넘지 않는다). 절연용액을 기술적 측면으로 바라본다면, 전기적 강도는 압력에 비례해 매우 급격하게 증가한다. 이러한 특성을 고려해 본다면 매우 높은 절연 상수 ε_r=약 80을 가지고 있는 물 또한 플래시오버(flash over)의 위험성에 관해서 잘 들어 맞는다고 볼 수 있다.

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출처: D. Kind, High-Voltage Insulation Technology. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2011.