소소한 POWER SYSTEM

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

약 100년전 "war of currents"라는 AC와 DC 파워 시스템이 앞으로의 전력 보급방식을 두고 전쟁 아닌 전쟁을 벌인적이 있었다(DC: 토마스 에디슨 vs AC: 니콜라 테슬라). 결국 AC 시스템의 승리로 끝나게 되고 이 방식은 현재 대분의 전력 공급 시스템으로 자리 잡게 되었다. 하지만, 기술의 발전, 특히 반도체의 급격한 성장으로 인해 고 전압(High Voltage) , 특히 직류 고 전압(HVDC)의 이용이 가능하게 되었으며 이미 많은 나라에서 상용화에 돌입했다. 

AC 시스템의 비해서 DC 시스템이 가지는 장점들은 다음과 같다.

• 장거리 송신에 있어서 전력 손실이 적다.

AC 시스템의 비해서 송전 라인의 수가 적은편이다(HVDC 시스템에서는 오직 두개의 송전 라인만을 필요로 한다). 또한 리엑티브(reactive) 전류와 스킨 효과(skin effect)가 존재하지 않음으로 전력손실이 상대적으로 적다.

• 장거리 송신에 있어서 비용이 AC 시스템의 비해서 저렴하다.

AC 시스템의 비해서 변전소 건설비용은 비싼편이지만, 그래도 송전탑의 폭이 좁은 편이며 500~800km 이상의 거리를 송전할때는 오히려 HVDC 시스템이 HVAC 시스템보다 비용이 저렴한 편이다.

        AC vs DC 비용 비교

(https://www.quora.com/Up-to-what-distance-is-DC-transmission-efficient)

• 안정성이나 동기화관련 문제가 없다.
  

우선 DC 시스템은 Phase angle (위상)이 존재 하지 않기 때문에 매우 안정적이며 그리고 서로 다른 주파수를 가지는 두 AC 시스템 사이를 연결함에 있어서도 문제가 없다.

• 더 큰 용량의 short-circuit capacity

두개의 AC 시스템이 AC 방식으로 연결이 된다면 short circuit capacity 는 증가하게 되고 추가적인 설비의 업그레이드가 필요하게 된다. (e.g. 서킷브레이커). 하지만, DC 링크는 기존의 AC 시스템의 변화 없이 바로 연결이 가능하기 때문에 추가 업그레이드가 필요 없다.

현재 HVDC 시스템이 제공하는 서비스는 LCC-HVDC(Line-commutated HVDC)와 VSC-HVDC(Voltage-source Converter HVDC) 두개의 시스템이다. LCC HVDC 시스템은 장거리 대용량의 전력 송전을 위해 사용되며 VSC-HVDC시스템은 off-shore(해안가) 에서 발생하는 풍력 또는 외곽 지역과 관련되서 사용된다.

여기에서는 미델회사에서 생산하는 이스터 베이스의 용액들중 하나인 MIDEL eN 1215을 알아보려 한다.

MIDEL eN 1215 은 대두(콩)으로 부터 생산되는 식물성 이스터 트랜스포머 용액이다. 현재 미국에서 그 지역 대두(콩)을 이용해 생산중이다. MIDEL eN 1215는 자연적 이스터 전연 용액으로써 현재 널리 사용되어지는 미네랄오일, 실리콘 용액, 또는 건식의 트랜스포머의 대체제로 주목 받고 있다.

MIDEL eN 1215은 높은 발화점을 가지고 있으므로 화재 위험성으로부터 안전한 편에 속하기때문에 트랜스포머의 추가적인 화재 방지 장비 구축에 있어서 경제적, 공간적 소비를 줄일 수 있다.

MIDEL eN 1215은 식물성 오일로부터 생산되기 때문에 지속적인 재생산이 가능하다. 또한, 식물성 분해가 쉽게 일어나기 때문에 환경오염으로 부터 상대적으로 자유로우며 장비의 오염 가능성 또한 낮은 편이다.

MIDEL eN 1215을 가장 효과적으로 사용가능한 곳은 기후가 온화하고 장비들이 산소에 노출되지 않은 곳에서 가장 적합하다.

MIDEL eN 1215은 습도에 매우 강하다 (high moisture tolerance) 그리고 이러한 특성은 섬유성 절연체 수명의 연장을 이끌어 낼 수 있다.

MIDEL eN 1215는 넓은 범위의 트랜스포머의 적용이 가능하며, 산소와 접촉이 없는한 실내와 실외 모두 사용가능하다.

트랜스포머의 화재는 전 세계 파워 네트워크에서 빈번하게 일어나는 사고 이며 이러한 화재는 매우 빠르게 전이되어 추가적으로 설비의 손실을 이끌어 낼 수 있다. 

따라서 발화점이 높은 MIDEL eN 1215이 새로운 방안으로 제시 될 수있다.

MIDEL eN 1215 용액이 가지는 특성(https://www.midel.com/app/uploads/2018/05/MIDEL-eN-1215-Product-Brochure.pdf)

MIDEL eN 1215은 높은 발화점으로인해 아주 우수한 절연능력을 보여주며 이미 입증되있듯이 미네랄 오일에 비해 상당히 안정적이다. 또한 대두(콩)으로 부터 생산되기 때문에 매우 친환경적이며, 지속적인 생산이 가능하며 무독성, 높은 생물학적 분해능력의 장점을 가지고 있다. 

MIDEL eN 1215은 습도에 있어서 강한 내구성을 지니고 있기 때문에 특히 섬유소 베이스의 고체 절연의 수명을 늘릴 수 있으며 결론적으로 파워 트랜스포머의 수명 연장 또한 가능하다.

MIDEL eN 1215의 몇가지 특성을 간략하게 요약해보면 다음과 같다.

• 높은 발화점(300℃ 이상)
• 불에 잘 타지 않는 용액
• 실내와 실외 모두 사용가능(산소와 접촉이 없을시)

• 재생가능한 식물성 오일로부터 생산
• 미네랄오일의 비해 낮은 탄소배출
• 손쉬운 생물학전 분해
• 무독성
• 부식성 황(Sulphur)가 존재하지 않음

• 우수한 습도 내구성: 많은 양의 수분을 절연파괴 전압의 감소 없이 흡수 가능
• 높은 습도 포화 한계성( 1100ppm @ 20℃)

• 미네랄 오일에 비해 장비의 수명을 높여줌
• 표준온도에서 더 높은 섬유소 수명 보장 가능
• 고온의 절연 없이 더 높은 파워 생산(power output) 가능

• 추가적인 화재시설이나 고온절연이 필요 없기때무넹 간단한 디자인이 가능해짐
• 또한, 높은 유연성과 높은 발화점으로 인해 미네랄 오일에 비해 과부화가 가능해진다.

파워 트랜스 포머는 대게 정격 전압이 33kV이상이며 에너지 인프라에 있어서 매우 핵심적인 부분이다. 하지만, 매우 비용이 높으며 운반하기가 상당히 어렵다. 이러한 파워 트랜스포머들은 종종 인구가 많은 지역에 설치되거나, 환경적으로 예민한 지역에 설치 될 수도 있기 때문에 항상 화재의 위험성과 환경오염 가능성을 최우선적으로 고민해야 한다.

현재 MIDEL 회사는 MIDEL eN 1204, MIDEL eN 1215, 그리고 MIDEL 7131 세가지의 이스터 베이스의 용액을 생산중이며 이 세가지 용액 모두 트랜스포머에 최대 400KV까지 적용 가능하다. 세 용액 모두 쉽게 생물학적 분해가 가능하기때문에 친환경적이며 장비 오염적 측면에서도 우수한 성능을 보여준다.

특히 MIDEL 7131(합성 이스터 용액)은 뛰어난 산화 안정성때문에 야외나 실내 모두 사용가능하다. 다시 말하면, 장비가 산소에 노출되는경우 노출되지 않는경우 모두 적용이 가능하다.

반면에 MIDEL eN 1204(rapeseed), MIDEL eN 1215(soybean)은 유채씨, 대두(콩)등에서 추출되기 때문에 매우 친환경적이며 재생가능한 식물성 오일로 부터 생산이 가능하다. 하지만 상대적으로 낮은 산화안정성때문에 산소와 접촉이 없는 장비에만 적용이 가능하다. 유채씨로부터 생산되는 MIDEL eN 1204은 콩으로 부터 생산되는 MIDEL eN 1215(soybean)보다 유동점이 낮기때문에 (-31℃) 추운 지역에서 이용이 가능하다.

출처: https://www.midel.com/midel-in-use/power/