Abstract


트랜스포머는 파워그리드의 안정적인 구동을 위해 가장 중요하게 여겨지는 장비이다. 이 페이퍼는 미네랄오일/자연 이스터 오일의 혼합물을 통해 파워 트랜스포머의 노쇠화 방지에 초점을 두었다. 혼합오일-종이 절연체 그리고 미네일 오일-종이 절연체은 264일동안 실험되었으며 110℃에서 열적 노쇠화를 가속 시켰다.


오일의 색깔, 오일 산성도, 종이의 중합 반응의 정도(the degree of polymerization, DP), 그리고 오일-종이 절연의 다른 노쇠화 조건에서의 열적 안정성들이 조사되었다. 후에 연구 결과에서 보여지듯이, 혼합 절연 오일은 오일의 산화를 억제할 뿐만 아니라, 혼합오일-종이 절연체의 노쇠속도 비율 또한 억제 시킴을 발견했다. 다시 말해서, 오일-종이 절연은 혼합 오일을 사용함으로써 열적 안정화의 향상을 기대할 수 있다.


Introduction


트랜스포머의 역할은 안정적 그리고 효과전기 전기공급의 중점을 두기 때문에, 전력의 송전과 배전에 있어서 가장 중요하게 여겨지는 부분중의 하나이다. 대부분의 고 전압 트랜스포머는 용액으로 채워져 있으며 이러한 용액은, 전기적 절연체로 사용되기도 하지만 열 매체(heat transfer medium/냉매제)로 사용되기도 한다. 이러한 파워 트랜스포머 안정성의 향상과 수명의 연장을 위해서 절연 재료, 특히 절연오일에 집중하여야 한다.


트랜스포머에서 가장 많이 쓰이는 절연용액은 미네랄 오일이다. 미네랄 오일은 상대적으로 가격이 저렴한 편이며, 가격의 비해 좋은 전기적 특성들을 가지고 있다. 하지만, 새로운 물질들의 등장으로 인해, 미네랄 오일의 단점들이 많이 노출 되어왔다. 그리고 21세기의 벌어진 전세계 오일 쇼크는 새로운 물질 또는 대체물질을 찾게 하는 기폭제를 마련했다.


자연 이스터(natural ester)는 미네랄 오일과 비교하였을때 화재로부터의 안정성, 친 환경성, 우수한 절연 강도를 보유하고 있기 때문에 현재 사용되는 트랜스포머 절연 시스템에 적합하다. 기존의 봉합된 튜브관 노쇠화 연구들은 절연종이가 자연 이스터안에 있을때 열적 노쇠화가 현저히 느려진것을 발견했다. 하지만, 자연 이스터 용액은 미네랄오일의 비해 낮은 산화 안정성, 높은 유동점, 점도성의 단점을 가지고 있기때문에 사용전 여러 방면으로 고려를 해야한다.


미네랄 오일과, 자연 이스터가 가지고 있는 각각의 장점과 단점을 보완할수 있도록, 미네랄 오일과 자연 이스터 용액을 혼합하는 방법을 고려 할 수 있다. 이 연구에서 혼합의 비율은 80%의 미네랄 오일 20%의 자연 이스터 오일( 올리브 오일로 부터 추출)이다.

6-ditert-butyl-4-methylphenol (T501) 과 high-purity alkylation-α-naphthylamine (L06)이 이 혼합 오일에 0.3%의 농도로 추가 되었으며 이러한 추가물질은 산화 안정성을 향상 시킬 수 있다. 노쇠화 방지를 위해서, 장기간의 동작 동안 파워 트랜스포머의 성분들은 여기서 만들어진 혼합 오일에 의해 향상 될 수 있다. 


이 페이퍼에서는, 가속화된 열적 노쇠화 실험은 110℃에서 264일동안 수행되었으며, 미네랄오일-종이 절연체 vs 혼합오일-종이 절연체의 비교를 중점으로 두고 있다.


Experiment


A. 재료(Material)


실험에서 사용된 종이는 Kraft paper이며 트랜스포머에서 많이 사용된다. Kraft paper의 기술적 수행능력은 international standard  IEC 641-3-1를 충족 시킨다. 또한 트랜스포머 실험에 쓰인 미네랄 오일은 보통의 미네랄 오일이며 XinJiang Kelamayi, China 에서 생산 되었다. 혼합 절연 오일은 이 연구팀에 의해 개발 되었다.


B. 가속화된 열적 노쇠화 실험(Accelerated Thermal Aging Experiment)

 샘플에 대한 사전 조치 들은 다음과 같다. 첫째, 샘플 종이는 5g의 롤형태로 말려 있으며 이를 통해 유리병에 들어갈 수 있게 한다. 현재 동봉된 트랜스포머의 실제 산화를 시뮬레이션 하기 위해 모든 샘플들은 진공 챔버에 두었으며 90℃에서 48시간 동안 건조 시킨다. 두번째로는, 절연 오일 (40℃)은 진공 박스 안으로 스며들게 한후, 24시간동안 평상 온도(room temperature)로 내린다. 세번째로는, 이 말려진 페이퍼 롤을 진공 박스로 부터 꺼낸후 250ml의 유리병안으로 넣어둔다. 그리고 나서, 미네랄 오일 또는 혼합 절연 오일을 이 유리병 안에 20:1(용액:종이)의 비율로 부어 넣는다(각각의 유리병은 200g의 오일과 10g의 종이를 가진다). 실제 트랜스포머의  구리 이온을 시뮬레이션 하기 위해서, 10cm^2의 얇은 구리판을 모든 병에 배치한다. 그리고 나서, 각각의 병은 질소로 충전후 밀봉한다. 마지막으로, 이 유리병들은 노쇠화 오븐에 넣어지고 110℃까지 가열되어 가속화된 노쇠화 테스트를 진행한다. 초기 종이의 수분 함량은 0.5% 미만으로 한다.


C. 열중량 분석 실험(Thermogravimetry Experiment)


열중량 분석(Thermogravimetery (TG))은 물질들이 통제된 온도 프로그램에 있는동안, 온도의 함수로써 물질의 질량(mass)을 측정하는 기술이다. Derivative thermogravimetry (DTG) 커브는 처음의 derivative of TG 커브이다. TG와 DTG 분석 기술의 적용은 미네랄 오일-종이 절연 시스템의 오일과 종이의 열적 행동을 비교하기 위함이고 또한 혼합오일-절연 시스템에서의 오일과 종이의 열적 행동을 분석한다. 이 페이퍼는 초기 분해 온도(initial decomposition temperature (IDT)), 최대 분해 속도(maximum speed of decomposition (MSD)), 최대 분해 속도에서의 온도(temperature at maximum decomposition speed (TMDS))에 집중하고 있다.


각각의 미네랄 오일 샘플(15~15.4mg)과 혼합 오일 샘플(15~15.4mg)은 33℃ 부터 250℃ 그리고 450℃까지 테스트되었다. 온도 확인 속도는 질소 유동(50ml/min)하에서 3℃/min의 비율로 측정되었다. 종이의 TG 실험 이전에는, 오일을 함유한 종이 샘플은 각각 다른 기간동안 노쇠화 되었으며 아세톤(aceton 100ml)에 담가지게 해놨다. 그리고, 동일하게 동봉된 유리병에 15일동안 각각 놓여지게 된다. 추가적으로 아세톤은 5일마다 한번씩 교체되었다. 이런 방식으로 오일이 추출 되었으며 그리고 각각의 종이 샘플(5.0~5.2mg) dms 33℃ 부터 500℃까지 질소 유동 (50ml/min)하에 온도 확인 속도 5℃/min 로 측정되었다.



Result and Discussion


A. 오일 색깔(Oil Color)

오일의 색깔은 오일 자체의 질적 특성을 보여주는 중요한 요소이다. 몇몇의 경우에는 오일의 색깔로 오일의 부패 정도가 확인 가능하다. Figure 1에서 보여지듯이 미네랄오일-종이 절연 샘플과 혼합오일-종이 절연 샘플에서의 오일의 색깔을 보여 주며 이 오일들은 110℃도에서 다른 기간동안 노쇠화가 진행 되었다. 신선한 미네랄 오일은 색이 밝고 맑았으며, 신선한 혼합 오일은 자연 이스터(올리브 오일)로 인해 노란 빛을 띄었다. 또한 미네랄 오일은 시간이 지날 수록 갈색 또는 적갈색의 색을 띄게 됬으나, 혼합 오일은 최종적으로 초록빛을 띄었다. 열적 노쇠화 과정동안, 오일색의 변화 속도는 오일의 부패화 속도를 반영한다. 미네랄 오일의 퇴색 속도는 혼합오일의 비해서 상당히 빠른 편이다. 더욱이, 끈적한 슬러지(sludge)가 눈에 보였으며, 절연 종이 바깥쪽 표면과 미네랄 오일-페이퍼 샘플 유리병 벽면에 침전됨이 174일과 264일에 확인되었다. 반면에, 혼합 오일-종이 절연 샘플에서는 슬러지(sludge)는 샘플 간격동안 발견 되지 않았다.




B. 오일의 산성도(Oil Acidity)


오일의 산성도는 절연 오일의 직접적으로 노쇠화 정도를 알려주는 지표이기때문에 이 실험에서는 혼합오일과 미네랄 오일의 노쇠화 진행과정동안의 오일 산성도가 측정되었다. Figure 2는 혼합 오일과 미네랄오일의 노쇠화 시간에 따른 산성도를 나타낸 모습이다. 보통의 조건에서는 자연이스터의 산성도가 미네랄 오일의 산성도보다 높은 경향이 나타났다. 혼합 오일은 20%의 자연 이스터와 80%의 미네랄 오일로 구성되어 있기때문에 신선한 혼합오일의 산성도는 신선한 미네랄오일보다 아주 약간 높은 편이다.



노쇠화가 진행되면 혼합오일과 미네랄오일의 산성도는 증가하게 된다. 노쇠화 초기에는 혼합 절연 오일과 미네랄 오일의 부패속도는 매우 느린편이며 두 오일의 산성도는 아주 약간 증가하는 정도이다. 하지만 일정 시기를 지나면 두 오일은 빠르게 부패하게 되고 산성도 또한 급격하게 증가한다. 하지만 이 특정 시기 이후에, 혼합오일의 산성도는 미네랄 오일의 산성도보다 현저하게 낮음이 포착되었다 (89일 차 부터). 이 지표는 장기간의 노쇠화 과정동안 혼합 오일이 미네랄 오일의 비해 산화 안정성이 훨씬 우수함을 보여준다. 즉, 일정 기간 이후에는 혼합 오일은 더 느린 노쇠화 비율과 낮은 오일 산성도를 포함하고 있다는 뜻이다.


C. 오일의 열적 행동(Thermal Behavior of Oil) 


Figure 3 은 오일-종이 절연 샘플에서의 혼합오일과 미네랄 오일의 TG 와 DTG 커브 각각 다른 노쇠화 시간에 따라 나타내어 졌다. 미네랄 오일의 분해 반응은 주로 한 단계이며, 혼합 오일의 분해 반응은 주로 두 단계로 이루어 진다. 혼합오일이 2 단계로 이루어지는 이유는 미네랄 오일과 자연 이스터 용액의 혼합물이기 때문이다. Figure 3에서 보여지듯이 미네랄 오일의 분해는 주로 100℃ 부터 200℃까지 이루어진다. 30℃ 부터 250℃까지는 미네랄 오일의 분해만이 존재하고 질량은 100%에서 20%로 감소하게 된다. 그리고 나서 250℃ 부터 450℃까지는, 혼합된 절연 오일에서의 자연 이스터 구성원이 질량 손실이 일어나게 된다. 이로 부터 추정 되는것은, 자연 이스터의 열적 안정성은 미네랄오일에 비해 더 우수하다는 점이다.


Table 2는 오일-종이 절연 시스템에서의 혼합 절연유와 미네랄 오일의 TG/DTG 데이터를 3℃/min의 가열 비율에서 각각의 다른 노쇠화 시간의 따라 나타내었다. 모든 미네랄 오일 샘플의 초기의 IDT는 1℃ 내외에서 변동함을 보여 주었었다. 혼합 절연 오일 샘플에서의 미네랄 오일 IDT 역시 1℃내외에서 변동하였으나, 혼합 절연 오일 샘플안에서의 자연 이스터는 1.5℃내외에서 변동함을 보여 주었다. 


하지만, 모든 샘플시간과 관련해서, 자연 이스터의 초기 분해 온도는 미네랄 오일에 비해서 약 2.5배 정도 더 높은 경향을 나타내었다.

이 두 그룹 오일의 열적 행동의 비교는 Figure 3(b)에서 더욱 뚜렷하게 나타난다. 모든 미네랄 오일 샘플(혼합 절연유에서의 미네랄 오일과 자연 이스터 용액 포함)의 최대 분해속도에서의 온도는 노쇠화 과정동안 매우 적은 변화만을 보여주었다. 하지만 자연 이스터의 최대 분해 속도에서의 온도는 미네랄 오일보다 2배 이상의 값을 보여 주었다. 추가로, 모든 미네랄 오일 샘플과 혼합유에서의 미네랄 오일의 최대 분해 속도는 노쇠화가 진행될때 살짝 감소함을 보였다. 반면에, 혼합유에서의 자연 이스터 용액은 노쇠화 진행 과정동안 거의 변하지 않았다. 



Figure 3, Table 2, Table 3으로 부터 알수 있는것은 자연 이스터의 IDT와 TMDS 는 모든 샘플 시간대에서 미네랄 오일보다 높음을 확인 할 수 있다. 자연 이스터의 열적 안정성은 또한 노쇠화 과정에 있어서 미네랄 오일보다 우수함을 보여주었다. 자연 이스터와 미네랄 오일로 구성된 혼합 절연유는 자연 이스터의 우수한 열적 안정성으로 인해 혼합유의 열적 안정성의 향상에 큰 도움을 줄 수 있게 된다. 


D. 종이의 중합 반응 정도(Degree of Polymerization (DP)of Paper)


절연 종이는 보통 섬유소로 구성되어 있다. 섬유소는 선형, 주기적은 중합체 체인, β-D glucopyranose 로 구성된다. 체인당 일정 유닛을 DP라고 부른다. 그리고 이 DP는 섬유소 종이의 노쇠화 상태를 나타내기 위해 사용된다. 신선한 종이의 DP 는 약 1200정도이며, 200 정도의 수치 하락까지는 받아들일 수 있는 정도이며, 종이의 장력은 약 20%정도 하락하게 되고 내부 섬유의 힘은 축소되며, 섬유소 종이는 트랜스포머안에서 수명을 다하게 된다. Figure 4는 혼합유와 미네랄 오일 (110℃, 264일동안)에서의 종이 노쇠화 관련 DP 수치를 나타낸다. 특히 40일 이후에는 혼합유에서의 종이의 DP 값은 미네랄 오일에서의 종이의 DP 값보다 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 이러한 수치는 혼합 오일은 절연 종이의 노쇠화를 효과적으로 억제함을 나타낸다.



E. 종이의 열적 행동(Thermal Behavior of paper)


Table 4와 Table 5에서 보여지듯이, 혼합유와 미네랄 오일안에서의 노쇠화 과정 종이의 초기 분해 온도(IDT)는 노쇠화 시작과 함께 초기에 증가 한 뒤 하락하는 모습을 보여준다. 특히 174일 이후에는 PINEM의 IDT 는 PIMO보다 높은 모습을 보여주었다. 그리고 110℃에서의 전체 노쇠화 과정동안, 혼합된 절연 오일에서의 노쇠화된 종이의 DP는 미네랄 오일에서의 노쇠화된 종이의 DP 값보다 높음을 보여주었다. 그리고 PIMEM의 TMDS 는 PIMO 노쇠화 시작후 동일 시점에 약간 높은 모습을 보여 줐다. 그리고 PINEM의 MSD은 노쇠화 진행후 동일시점에 PIMO보다 약간 낮은 모습을 보였다. 이러한 현상들은, 혼합유에서의 종이의 열적 특성이 미네랄 오일에서의 종이의 열적 특성보다 우수함을 보여준다.


*maximum decomposition speed (TMDS)

*maximum speed of decomposition (MSD)


Conclusions


위의 실험 결과를 모두 종합해 보면 혼합유(미네랄오일+자연 이스터 용액)의 사용은 오일-종이 절연 시스템의 노쇠화 방지효과를 증가 시킬 수 있음을 보여준다. 또한, 혼합유의 사용은 절연 종이의 변질의 속도를 억제하는 모습을 보였고 혼합 오일을 사용함으로써, 오일-종이 절연 시스템의 열적 안정화의 향상을 기대 할 수 있게 된다.


출처: R. Liao, J. Hao, L. Yang, and S. Grzybowski, “Study on aging characteristics of mineral oil/natural ester mixtures-paper insulation,” Proc. - IEEE Int. Conf. Dielectr. Liq., no. July 2017, 2011.


전기 에너지의 송전과 배전 네트워크는 파워 트랜스포머, 스위치기어, 과 전압 어레스터(overvoltage arrestors), 절연체, 파워 케이블, 트랜스포머등의 고 전압관련 장비들이 포함된다. 그리고 이러한 고 전압 장비들은 내부와 외부의 과 전압으로 인해 순간적으로 매우 높은 전압이나 전류에 노출되게 된다. 고 전압에서 사용되는 충격 전압은 저 전압 (low voltage system)에서 사용되는 충격 전압의 개념과 다소 차이점을 보인다. 고 전압에서 사용되는 충격 전압과 충격전류는 고 전압 충격의 생산과 측정동안 발생하는 특수한 경우를 설명하기 위해 도입된다. 


간략하게 이와 관련된 용어들을 정리 해보려 한다.


1. 뇌 충격전압(Lightning Impulse Voltages)


외부의 과전압에 의해서 고 전압 장비에 전기적 강도가 전해 질 수 있는데 이러한 원인중 하나는 벼락 또는 뢰전(lightning strokes)에 의해 나타난다. 그리고 이러한 뇌 충격전압은 full lightning impulse voltage, 와 chopped lightning impulse voltage로 구분된다.


2. 개폐 충격전압(Switching Impulse Voltage)


이름 그대로 스위칭 동작으로 인해 발생하는 충격 전압이다. 스위치의 동작으로 인해 고 전압 장비 내부에 과 전압이 흘러 들게 되고 이로 인해 이러한 고 전압 장비들은 강한 스트레스(응력)에 노출되게 된다.


3. 지수형태의 충격 전류(Exponential Impulse Currents)


지수형태의 충격 전류는 상대적으로 매우 빠른 형태이며 지수함수 형태로 peak value까지 빠르게 도달한뒤 상대적으로 느린 속도로 0의 값으로 내려 오게 된다.

4. 사각 충격 전류(Rectangular Impulse Currents)


이름 그대로 사각형 형태의 충격전류를 보여주기 때문에 장시간 충격전류라고도 불린다.


충격 전압 테스트를 위한 전압 생성기


충격 전류 테스트를 위한 전류 생성기



출처: K. Schon, High Impulse Voltage and Current Measurement Techniques. 2013.





고전압 절연 시스템에서 공간전하 축적의 효과(The Effect of Space Charge Accumulation in High Voltage Insulation Systems )


HVDC(High Voltage Direct-current)는 현재 배전시스템에 있어서 매우 중요한 주제이다. 특히, 경제적 그리고 환경적 요인이 많이 작용하며 현재 AC 시스템에 의해 운용되는 장거리 송전시스템을 DC시스템으로 대체하기 위해서 HVDC의 연구는 지속적으로 필요하다. DC 전원은 AC 전원의 경우보다 절연 물질이 다르게 대전(charged)되게 된다. 이러한 이유로, 절연체의 대전(charging)을 분석하기 위해 특별한 측정방법을 사용하여야 한다(e.g. 공간전하 측정, 부분방전 측정 등). 


만약 전계(electric field)가 절연물체와 상호작용관계에 있다면, 분극화(polarization) 매커니즘이 시작되게 된다. 구속 대전 캐리어(bound charge carriers: fast polarization, relaxing polarization)과 자유 대전 캐리어(free charge carrier: migration polarization, space charge polarization)들은 이러한 매커니즘에 기여될 수 있다.


A) 절연체에서의 전자와 이온의 이동(Migration of Electrons and Ions in Dielectrics)


바운드 그리고 자유 전하(bound and free charge) 모두 분극화 (polarization)과정에 기여한다. 공간전하의 분배는 자유 전하의 흐름 또는 갇힌 전하(trapped charge, 갇히기 전에는 자유상태)에 의해 영향을 받을 수 있다. 자유 대전 캐리어는 갇힌 전하의 비해서 절연체를 대전시킴에 기여하는 바가 상대적으로 훨씩 적다. 그리고 갇힌 전자는 절연 재료 내부에 존재하게 된다. 그리고 대전캐리어들(electron, holes, ions)은 다른 방식으로 재료에 주입이 될 수 있다. 대부분의 경우들은 캐소드쪽에서의 주입 또는 애노드로 부터의 추출(전공 인젝션)들이 이에 해당한다. 또한 이러한 상황들은 쇼트키 효과를 통해 설명될 수 있다(Schottky effect). 대전 캐리어들은 절연체나 전극의 사이의 potential barrier를 극복하게 된다. 공간전하의 분배는 적용된 전압에 극성에 의지 할 뿐만 아니라, 전극의 재료, 절연체의 내부구조에도 의지하게 된다. 대전 캐리어의 주입의 관한 다음 선택지는 열 방출이나 절연체 내부 기포에서 발생하는 부분방전에 의한 주입이 있다. 분극 이동의 효과는 또한  ε’ (-)/f (Hz) 특성(Figure 1)에 의해 확인 될 수 있다(절연체 분광학 이용: the dielectric spectroscopy).


B) 절연체에서의 공간전하(Space Charge Profiles in Dielectrics)


전기적 절연체에서 공간전하는 3가지로 분류 될 수 있다(homo-space charge/hetero-space charge/internal-space charge).


  • 비균일 공간전하(Hetero-space charge): (+)공간전하라고도 불리며 종종 고형 절연체에서 발생한다. 대부분의 경우들이 내부 구조에서 전하와 결합한 경우 이다. 이러한 현상은 캐소드에서 방출하는 전자에 비해 훨씬 더 이동성이 좋은 전자에 의해 유발된다. 그 결과, (+)극성의 전하가 캐소드쪽에 축적되는 현상이 벌어지게 된다. 이런 종류의 공간 전하는 폴리에틸렌(PE:polyethylene) 같은 중합체(고분자자) 또는 polyethylene terephthalate(PET), polyethylene naphthalate (PEN) 같은 물질에서 일어난다.

  • 균일 공간전하(Homo-space charge): (-) 공간 전하라고도 불리며, 캐소드로 부터의 빠른 전자 주입으로 인해 발생한다. 이러한 주입은 절연체 내부와 같은 극성의 전극 주변에서 전하 캐리어의 양을 증가시키며 XLPE(cross-linked polyethylene)같은 물질에서 일어나게 된다. 

  • 내부 구조의 공간전하(Space charge in inner structure):  크리스탈 래티스 구조의 결함에서 갇힌 전하(trapping of charge)에 의해 발생할 수 있다. 또한 무정형 (amorphous), 다결정질(polycrystalline) 재료안의 트랩에서도 발생 한다. 



C) 공간전하 측정 원리(Space Charge Measurement Principles)


절연체 내부에서의 공간전하의 특성을 조사하기 위해 몇 가지 모니터링 방법이 사용된다. 초기에는 이를 측정하기 위해 절연체를 얇은 면으로 절단하였다. 하지만, 현재의 측정 기술을 양적인 측면에서 훨씬 더 발전되었드며, 가장 널리 쓰이는 방식은 다음과 같다.


  • LIPP: laser-induced pressure pulse

  • PWP: pulse pressure wave

  • TP: thermal pulse

  • PEA: pulsed electroacoustic


공간전하 축적의 효과는 전계 분배 강도 E (kV/mm), 에너지 밀도 ηE (J/m^3),  분극화 polarization p (C/m^3)로 나타내어 진다.


장 시간의 HVDC 사용은 절연체를 대전(charging) 시키며, 또한 절연체 내부구조에서 공간 전하를 형성한다. 이러한 공간전하의 축적은 전계의 분배(the distribution of electric field)에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 분극화나 에너지 밀도에도 영향을 끼치게 된다.

비균일 공간전하 프로필(hetero- space charge profile)로부터 절연체의 노쇠화가 더 크게 영향을 받으며 즉, 전극 주변의 전계의 강도가 증가하는 현상을 보이게 된다.  

출처: J. Hornak, P. Trnka, P. Totzauer, and M. Gutten, “The effect of space charge accumulation in high voltage insulation systems,” Proc. 2017 18th Int. Sci. Conf. Electr. Power Eng. EPE 2017, pp. 1–5, 2017.




HVDC Converter Transformer


HVDC 마켓의 지속적인 성장은 HVDC 송전 시스템의 있어서 전압과 송전 용량을 꾸준히 증가 시킬수 있게 하였다. 현재 HVDC converter transformer 800kV의 전압 레벨까지 도달하였으나, Siemens(지멘스) 회사는 1100kV 그리고 587MW 수준의 트랜스포머를 제작하여 중국 1100KV HVDC 프로젝트에 참여했다.


Converter transformer는 삼상(three-phase) AC 네트워크와 converter 벨브(vavles)를 연결한다. Converter transformer는 HVDC 시스템에서 매우 중요한 부분을 담당하고 있으며 이것이 가지고 있는 기능은 다음과 같다.


  • AC 네트워크와 converter valves 사이의 전력의 전달

  • 전압 전환에 있어서의 전압 레벨 보조

  • AC 와 DC 시스템 사이의 전류적 독립성

  • 폴트(fault) 전류를 최소화 하기위한 short-circuit current 임피던스의 공급

ABB converter transformer(https://new.abb.com/products/transformers/power/hvdc-converter)


Converter Transformer 의 구성요소


A) 코어와 와인딩(Core and Winding)

(https://sari-energy.org/oldsite/PageFiles/What_We_Do/activities/HVDC_Training/Presentations/Day_3/1.Converter_Transformer.pdf)


Converter Transformer의 동작원리는 자속 (magnetic flux)를 기반으로 한다. 코어 타입은 steel로 라미네이트 되어 있으며 converter transformer에 현재 널리 사용된다. 위의 그림은 전형적인 코어와 와인딩 구조 (single-phase three winding 컨버터 트랜스포머)를 보여 주고 있다. 벨브 와인딩(Valve winding)은 코어에 가장 가까우며 라인 와인딩(line winding)으로 둘러 쌓여 있으며 바깥 쪽 레이어는 탭 와인딩(tap winding)으로 구성된다. 왼쪽 편의 벨브 와인딩은 Y connection (the upper bridge 용) 이며 오른쪽 벨브 와인딩은 Delta connection(the lower bridge 용) 으로 이루어진다. 컨버터 트랜스포머의 전형적인 절연 물질은 오일과 섬유소 절연체가 많이 사용된다. 


전도체들은 turn사이에서 절연을 위해 섬유소 종이로 감겨 있으며, 섬유소 보드(board)는 기계적인 서포트 뿐만 아니라 절연 능력의 향상을위해 배치된다. 섬유소 절연과 함께 있는 전체적인 와인딩은 절연유(insulating oil)에 담가지게 된다. 그 이유는 고 전압의 대한 절연 뿐만아니라 트랜스포머 내부에서 발생되는 열을 자연스레 또는 강제로 발산시키기 위함이다.


B) 부싱(Bushing)


부싱은 컨버터 트랜스포머 위쪽에 확연히 눈에 띄게 자리잡고 있으며, 큰 전력의 이동에 관여한다. 라인쪽(line side)의 부싱은 AC 기술을 기반으로 디자인 되어있으며 반면에 HVDC 부싱은 Valve 사이드 쪽에 항상 존재하며, LCC-HVDC 기술의 핵심적인 역할을 하게 된다. 현재, Oil-impregnated paper 와 resin-impregnated paper의 기술이 주로 HVDC 부싱에 적용된다. 


C) 쿨링 시스템(Cooling System)


컨버터 트랜스포머의 쿨링 시스템은 보통의 큰 규모 트랜스포머(오일 덕트, 파이프, 라디에이터로 구성된)의 쿨링 시스템과 유사하다.


D) 오일 탱크(Oil Tank)


접지된 오일탱크는 컨버터 트랜스포머의 내부 고전압 요소들을 커버한다. 


위의 열거된 요소들을 이외에, 탭 차저(tap charger), 모니터링 시스템, 보호 장비들이 컨버터 트랜스포머 구성에 포함된다.



컨버터 트랜스포머의 구조(Configuration of Converter Transformers)


정격 전력(power rating)과 운송 제한(transportation limitation)에 따라서 컨버터 트랜스포머는 4가지의 구조로 나누어 질 수 있다.

컨버터 벨브(valves)로 전력을 전달하기 위해서는, 컨버터 트랜스포머는 three phase 그리고 에 관한 더블 valve 와이딩을 포함한 단일 유닛부터 sing phase와 single valve 를 포함한 6개의 분리된 유닛까지의 범위까지 설정될 수 있다. 일반적으로, 더 큰 규모의 HVDC 프로젝트는 더 큰 규모의 정격전압(Power Rating)을 필요로 한다. 그리고, 이러한 큰 규모의 HVDC 프로젝트는 더 많은 분리된 컨버터 트랜스포머를 필요로 하게 된다.



컨버터 트랜스포머의 절연 (Insulation in Converter Transformer)


컨버터 벨브의 연결로 인해서, DC 스트레스는 컨버터 트랜스포머의 벨브 와인딩으로 유입되게 된다. ABB리포트에 따르면 upper bridge에 연결되는 컨버터 트랜스포머 벨브와인딩의 DC 요소들은 HVDC 전압 레벨의 3/4에 해당하게 되고 lower converter transformer의 벨브와인딩에는 1/4의 HVDC 전압레벨이 해당하게 된다. 주어진 주파수의 AC stress 에서는, 전계의 분배는 절연 물질의 유전율(permittivity)에 의해 결정된다.


오일이나 종이의 유전율(permittivity)의 변화는 크게 잘 일어나지 않는다. 그리고 주어진 주파수에서 오일과 종이사이의 유전율의 차이또한 그렇게 크지 않다.(오일: 2.2/oil-impregnated kraft paper: 3.5). 그러므로, AC 트랜스포머에서 전계의 분배는 매우 잘 예측되며 컨틀롤 하기도 용이하다.


DC stress에 관련해서는 전계의 분해(the field distribution)은 저항력(resistivity)에 의존하게 된다. 저항력(resistivity)의 값은 내부 또는 외부의 상황 즉, 온도, 습도, 노쇠화에 관련해서 매우 민감하다. 결론적으로, DC 응력이 절연시스템에 유입되게 되면, 전계 분배는 불균형해지며 컨트롤 하기 어려워진다. 이러한 현상은, 컨버터 트랜스포머의 단점으로써 계속해서 극복되어야 할 부분이다. 또한 이러한 DC stress가 주는 현상은 절연체에서의 공간전하 축적으로 이어질 수 있다. 







출처: 

[1]https://sari-energy.org/oldsite/PageFiles/What_We_Do/activities/HVDC_Training/Presentations/Day_3/1.Converter_Transformer.pdf

[2]A. Carlson, “Specific Requirements on Hvdc Converter Transformers.Pdf,” Ludvika, Sweden.

이번엔 파워 트랜스포머의 절연이란 무엇인지 알아보고 트랜스포머의 어떠한 기술들이 적용되어있는지 예를 들어 알아보려 한다.

A) Transformer Insulation (트랜스포머 절연)

파워 트랜스포머와 관련된 절연 시스템은 액상 또는 가스 같은 유동체로 고형의 물체와 함께 구성된다. 페트롤륨 기반의 오일이 파워 트랜스포머의 절연체로 1880년대부터 1970년대까지 사용되었고 당시에 사용되던 미네랄 오일의 가연성의 문제를 해결하기 위해 도입되었다. 그리고 현재는 오일뿐만 아니라 발화점이 높은 유동체 (e.g. 실리콘, 발화점이 높은 탄화수소, chlorinated benzens, chlorofluorocarbons)들이 사용된다.

가스를 기반으로 하는 절연 시스템은 질소, 공기, 플루오르 성의 기체(fluorogases)들을 포함한다. 플루오르 성의 기체가 사용되는 이유 중 첫 번째는 가연성을 피하기 위함이고 두 번째로는 내부 오류로부터 발생하는 이차적인 문제를 제한하기 위함이다. 어떤 트랜스포머들은 끓는점이 낮은 액체들을 사용하기도 한다 (e.g. 액상화된 프레온). 프레온 액상은 가열된 열을 2 phase 쿨링 시스템으로 전달되는 과정에서 냉매로 쓰인다.

코어 파트와 코일 부분에 있어서, 절연(insulation)은 크게 major insulation 과 minor insulation으로 구분된다. Major insulation과 minor insulation에 해당하는 부분들은 다음과 같다.

Major insulation:

- high voltage winding

- low voltage winding

- core winding

Minor insulation:

- Coil의 일부분

- 설치 구조의 따른 winding 부분

마지막으로 권회간 절연(turn insulation)은 도체의 각 가닥을 절연하거나 그룹 지어진 통째를 절연하는 방법에 해당한다.

B) Oil-insulated Transformer (절연유 트랜스포머)

적은 비용, 높은 절연 내력, 우수한 열전달 특성, 절연 고 응력(dielectric overstress)부터의 회복력 같은 장점들은 미네랄 오일이 절연물질로 널리 사용될 수 있게 해준다. 또 전열에는 고형의 절연물질과 함께 사용되어 절연유가 가지고 있는 단점들이 보완될 수 있다.

Major Insulation에 포함되는 것은 얇은 나무로 이루어진 pressboard (wood-based paperboard)의 격막이며 이 격막은 오일의 공간의 따라 변한다.



Oil Transformer Press Board

(Image: https://www.indiamart.com/proddetail/oil-transformer-press-board-19077217373.html)

오일의 유전율은 2.2이며 고체 형태의 유전율은 보통 4.0 정도에 해당하기 때문에 오일에서의 유전 응력(dielectric stress)는 pressboard의 유전 응력보다 더 높고 디자인 구조는 보통 호일 안의 응력에 의해 제한된다.

트랜스포머에 감겨있는 전도체의 절연은 에나멜이나 특수종이 (나무 또는 나일론 베이스)가 될 수 있다. 전도체에 직접적으로 사용하는 절연은 호일 안에 있는 잠재적으로 유해한 streamer를 억제하며 구조의 강도를 증가시킬 수 있다. 다시 말하자면, 유전 응력(dielectric strength)의 제한은 보통 오일의 유전 응력이다.

Heavy paper winding 은 보통 winding으로부터 오는 leads에 사용된다. 이 경우에는, 도체의 표면(높은 응력)부터 멀리(상대적으로 낮은 응력)까지 접점을 이동시킴으로써 오일에서 절연은 응력을 줄이는 역할을 한다. 다시 언급하자면, 오일 안에서의 응력은 사용될 절연 페이퍼의 양을 결정하며 열과 관련돼서 필수 절연을 위한 최소한의 전도체 사이즈를 설정한다.

C) Askeral-Insulated Transformers

(Askeral: 합성, 내화성, 염소처리된 탄화수소 그룹의 일종으로 절연 유체로 사용되었음)

이 형태의 트랜스포머는 절연유 트랜스포머 (oil-insulated transformer)와 유사한 구조를 공유한다. 상대적으로 유전율이 높은 askeral 물질은 유전 응력을 고체물질로 전달하는 것을 용이하게 한다.

Askeral 물질은 과도한 유전 응력으로부터 회복력에 있어서 제한된 능력을 보유하기 때문에 균일하지 못한 절연내력 (dielectric field)에서는 절연강도가 제한될 수밖에 없다. Askeral 물질은 대게 3.4kV 이상의 동작 전압에서는 잘 사용되지 않는다.

Askeral은 매우 잘 용해되는 용제 (solvent)이기 때문에 물질에 부패가 일어나게 되면 환경이나 인체에 매우 해롭기 때문에 1970년대 중반 이후로 이 트랜스포머의 제조를 완전히 멈추었다.

D) Fluorogas-Insulated Transformers

(플루오르화 가스 절연 트랜스포머)

플루오르화 된 가스들은 대게 질소나 공기에 비하여 더 강한 절연내력을 보유하고 있다. 비록 플루오르화 된 가스들의 열전도 특성이 오일에 비해 떨어지더라도, 질소나 공기보다는 더 좋다 (플루오르화 된 가스들은 질소나 공기에 비해 밀도가 높다).

어떤 물질의 절연내력이나 열전도 능력은 압력이 과 함께 증가한다. 예를 들면, 플루오르화 가스 절연 트랜스포머에 3 atm gage 압력을 가하면 오일이 가지고 있는 유전 응력(dielectric stress)의 수치만큼 접근할 수 있다. 그리고 이러한 gas를 활용한 절연은 고체 형질의 절연체들(barrier, layer, disk insulation, turn insulation, lead insulation)과 함께 사용되면서 절연 능력이 보강될 수 있다. 다시 말하면, 절연유로 트랜스포머의 절연 기술을 적용하는 것과 비슷하다고 이야기할 수 있다.

Fluorogas-insulated transformer의 장점은 높은 온도에서 절연유 트랜스포머보다 경제적이라는 점이다. 그리고 앞서 언급한 바와 같이 고형의 절연물질과 함께 사용이 가능하다고 하였는데, 다시 말하면 플루오르화 절연 가스는 고형체의 절연물질에 적합하다는 점인다. 여기에 해당하는 고형의 물질들은 glass, asbestos(석면), mica (운모), 고온의 수지(resins), ceramic (세라믹) 등이 포함된다. 플루오르화 된 절연 가스들은 인접해있는 고 형체의 절연체의 비해서 몇 배는 더 높은 유전 응력(dielectric stress)을 가지게 된다.

E) Nitrogen and Air-Insulated Transformers

질소와 공기로 절연된 트랜스포머는 보통 34.5kV 또는 그보다 낮은 동작 전압으로 제한되어 있다. 공기로 절연된 트랜스포머는 청정지역에 종종 위치되어 있으며 대기로 통풍시킨다. 하지만 오염지역에서는 봉인된(sealed) 건설이 요구되며, 질소는 보통 1 atm의 압력과 조금 상승된 동작 온도에서 사용된다.

출처:https://www.electricityforum.com/td/utility-transformers/transformer-insulation


Power Transformer


파워 트랜스포머는 하나의 회로에서 다른 회로로 전력을 전달하는 전기적 장치로 전자기 유도의 원리(electromagnetic induction)를 사용하며 주파수의 변화 없이 사용 가능하다. 다시 말하면 파워 트랜스포머는 전기적 회로에서 발전기와 주요 분배 시스템 사이의 전기적 에너지 전달의 기능을 담당하고 있으며 배전 시스템 (distribution system)에서는 step up 과 step down voltage 기능을 담당한다.

대부분의 파워 트랜스포머의 수명은 약 30년으로 추정되며 전달하려는 전력의 양의 따라 Small power transformer, medium power transformer, 그리고 large power transformer로 구분될 수 있다.

● Small Power Transformer: 500~7500KVA

● Medium Power Transformer: 약 100MVA

● Large Power Transformer: 100MVA 이상

앞에 열거된 파워 트랜스포머는 보통 전압의 변화를 통해 전력을 전달하게 되는데, 만약 한쪽 사이드에서 Low voltage, high current를 보유하고 있다면 다른 쪽 사이드에서는 같은 전력의 양을 가지고 있기 위해 High Voltage, low current의 형태를 보유하게 된다. 이 원리는 페러데이의 전자기 유도 법칙을 기반으로 이루어진다.

$v=-N\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$v=NΔΦΔt
$N:도선의감은수$N:
$\Delta \Phi :\ 자기력속의변화$ΔΦ: 
$\Delta t:\ 시간변화.$Δt: .
$$
$

Power Transformer Design (파워 트랜스포머의 구성)

파워 트랜스포머의 골격은 얇게 라미네이트 되어있는 합금으로 디자인되어있으며 core 또는 shell 타입으로 구성된다. 그리고 이 트랜스포머의 골격은 전도체에 의해서 둘러싸여 있으며 둘러싸여 있는 방식에 따라 single phase 또는 three phase로 나뉘게 된다.

Three 1-phase 트랜스포머는 한 쪽의 경사면(bank)에 문제가 발생할 때 지속적인 작동을 유지하기 위해 각각의 경사면(bank)이 분리되어있어야 한다. 반면에 single 3phase transformer(core, shell 타입 모두 포함)는 안쪽의 경사면에 문제가 발생하면 동작을 멈추게 된다. 3 phase transformer는 설치비용과 공간이 적게 들고 상대적으로 높은 효율성을 가진다.


트랜스포머의 골격은 탱크 안에 있는 연소 지연 오일에 집중되어 있다. 그리고 오일탱크 상단부에 위치한 conservatory는 증가된 오일이 다시 감소되게끔 하는 역할을 한다. 그리고 탱크 옆면에 charger of the load taps은 high voltage-low current 권선의 수를 변화시켜 향상된 전압 컨트롤을 가능하게 한다.

탱크 부분의 Bushing은 전도체들이 바깥쪽 부분의 자극을 일으키지 않고 탱크로 출입을 용이하게 만든다. 그리고 파워 트랜스포머는 섭씨 65도 이하로 존재하는 동안은 파워 트랜스포머의 자체 전력 등급보다 조금 높은 등급에서도 동작이 가능하다. 또한 파워 트랜스포머는 쿨링팬과 함께 설치되는데 이 쿨링팬의 역할은 트랜스포머의 코어 부분의 온도를 계기 온도 (indicated temperature) 밑으로 감소시키기 위함이다.

Transformer Specification (트랜스포머 사항)

파워 트랜스포머는 single phase 또는 three phase의 형태로 제작 될 수 있으며 파워 트랜스포머가 설치될 때는 많은 고려 사항들이 수반된다. 파워 트랜스포머의 사양에는 다음의 항목들이 포함된다.

-최대 전력 등급 (Maximum Power Rating)

-최대 이차 전류 등급(Maximum Secondary Current Rating)

-최대 전압 등급(Maximum Voltage Rating)

-추입력 타임 (I/O type)

예시)

*3 Phase (삼상)

*주파수 (Frequency): 50Hz 또는 60Hz

*주요 전압 (Primary Voltage): 22.9 kV

*이차전압(Secondary Voltage): 6.6/3.3kV

*탭 전압 (Tap Voltage): 23.9-R22.9-21.9-20.9-19.9kV

*Vector Dd0, Dyn11, etc.




Power Transformer Applications(파워 트랜스포머의 응용)

파워 트랜스포머는 높은 전력 레벨에서 전압을 변화시킬 수 있는 기능이 있기 때문에 현재 많은 전력 시스템에서 사용 된다. 이러한 응용은 송전 및 배전을 포함하며 이미 많은 산업 스케일의 파워플랜트에서 응용된다.

초기에 언급한 바와 같이 파워 트랜스포머는 고전압의 송전 네트워크에서 step-up 또는 step-down 전압을 위해 사용되며 이러한 파워 트랜스포머의 대게의 목적은 공전의 과부하(heavy load)에 있어서 중점을 둔다.

배전 트랜스포머와 비교하였을 때 대게의 파워 트랜스포머는 규모가 매우 큰 편이다. 그리고 파워 트랜스포머는 배전 트랜스포머 (전력 생산 변전소, 송전 변전소 모두 사용) 와 다르게 송전 변전소에서만 사용되기 때문에 소비자와 직접적인 연결이 없으므로 트랜스포머 부하(load)의 변동이 적은 편이다.

또한 파워 트랜스포머는 송전에 있어서 step-up 장치로 사용되기 때문에 (I^2)*R 손실을 감소시킬 수 있다.

파워 트랜스포머는 주로 코어 파트의 사용을 위해 디자인되어 있으며 대게 B-H curve의 변곡점(knee point) 근방에서 작동하게 된다. 이러한 성질은 코어의 양을 상당 부분 줄일 수 있게 된다. 그리고 기본적으로 파워 트랜스포머는 높은 부하에서 그에 상응하는 copper loss 와 iron loss를 가진다.

출처:https://www.elprocus.com/power-transformer-design-with-specifications/


+ Recent posts