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.