소소한 POWER SYSTEM

전계란? (Electric field)

전하 주변에 생성되는것으로써 눈에 보이지 않지만 전하 주변에 전기적 힘의 선(line)의 모양을 가지고 있다고 가정한다. 양(+)전하에서는 이러한 힘의 방향이 전하로부터 밖으로 나아가는 방향이며, 반대로 음(-)전하에서는 이러한 힘의 방향이 음(-)전하로 향하는 방향을 취한다.

Figure. Field directions of the Charge

(http://physics.bu.edu/~duffy/PY106/Electricfield.html)

전계 강도 (electric field strength or electric field intensity (E))

어떠한 지점에서건 전계 강도는 한점에 위치한 단일 양(+)전하로인해 발생하는 힘으로 정의된다. 

q: 쿨롱단위의 전하 강도

f: 전하에 의해 발생하는 힘(N) 

따라서 E의 단위는 Newton/Coulomb 또는 Volt/Meter

전기선속(Electric Flux)

전기 선속이란 전계가 존재하는 영역에서 특정 영역을 통과하는 전기적인 힘의 선(the total number of electric lines of force)의 수를 일컫는다. 전기 선속 밀도 D의 단위는 Coulomb/m^2이다.

유전율(Permittivity)

전하사이에 전기작용이 적용되었을때 절연 매개체 내에서의 전기선속 밀도(D)의 비율로 정의된다. 수학적으로 유전율의 단위는 Farad/meter이다. 유전율이 의미하는 바는 어떤 매개체가 전기적 전하의 흐름을 저지하는 정도를 의미하며 항상 1(unity)보다 큰 값을 가진다(예, 공기의 유전율: 1).

유전 상수(Dielectric Constant)

유전상수는 어떤 물질의 절연 특성을 결정하는 값으로 매개체의 유전율과 자유 공간의 유전율의 비율로 나타내어진다.

전기 편극(the electric polarization)

원자(atom)을 고려해볼때, 이 원자는 전기적으로 중성을 띈다. 즉, 전자의 (-)전하의 중심인 동시에 양(+)핵 전하(nuclear charge)이다. 다시말하면, 원자는 순(net) 쌍극자 모멘트를 가지지 않는다. 그러나, 이러한 원자들이 외부 전계에 놓이게 되면, 양(+)전하의 중심은 전계의 방향으로 이동하게 되는 반면에 음(-)전하는 반대방향으로 이동하게 된다. 절연체가 전계의 놓여지게 되면, 이러한 쌍극자(dipole)들이 모든 원자 내부에서 생성되게 된다.

Figure. 

Left) Position of +ve and -ve charges in an atom without field.

Right) Position of +ve and -ve charges in an atom with field.

분극률(Polarizability, α)

전계 E(electric field)가 증가하게 되면, 유도 쌍극자(the induced diople)의 강도 또한 증가하게 된다. 따라서, 유도 쌍극자 모멘트는 전계 강도에 따라서 비례적이다.

유도 쌍극자 모멘트 μ=αeE

αe=electronic polarizability

이온 분극화(Ionic Polarization)

이온분극화는 -ve와 +ve이온들이 반대 방향으로 이동하는 현상으로 인해 생겨나며 전계가 존재하는 이온화 고체에서 발생한다. 이러한 이동은 온도에 관하여 독립적이다. (Ex, NaCl crystal)

Left) 전계가 적용되지 않은 상태, right) 전계가 적용되었을때

분극화의 방향성(Orientation Polarization)

분극화 방향성은 절연 매개체에서 분극 분자의 존재로 인해 생겨나게 된다.

Left)전계가 적용되지 않은 상태 Right) 전계가 적용되었을때

공간 전하 분극화(Space charge polarization)

공간전하 분극화는 전계의 방향과 함께한 이온의 확산때문에 일어난다. 그리고, 절연체에서 전하의 재배치를 이끌어 낸다. 

left)전계가 적용되지 않은 상태 right)전계가 적용되었을때

외부의 전계가 적용되지 않았을때에는, 이온들은 순차적으로 배열되게 된다. 반대로 전계가 적용되었을때는, 각각의 이온들이 전계의 적용 방향에 관련해서 확삭되게 되고 분극화 현상(공간전하 분극화)가 일어나게 된다. 이러한 형태의 분극화는 페라이트(ferrite: 아철산염) 이나 반도체(semiconductor)에서 매우 작은 값을 가진다.

출처:

SRM University, PH102 Unit 1, Lecture 3

고 전압 기술에서의 구조적 특징(Structural details in high-voltage technology)

고 전압 장비를 디자인하고 건설하는 일에 있어서 전계(electric field)의 원리를 정확히 이해하는것이 매우 중요하다. 고전압 기술은 기계적 또는 열적인 측면에서 최상의 조건을 보유하더라도 예상치 못한 여러 문제들로 인해 종종 건설이 지연되기도 한다. 따라서 공학자들은 반드시 이러한 요구 조건을 모두 고려하여 최대한 경제적이고 합리적인 디자인과 건설을 이끌어내야만 한다.

절연 시스템의 기본적인 배열(Basic arrangement of the insulation system)

절연 시스템의 필수적인 요소들이라고 할 수 있는것은 절연체의 종류와 그것의 알맞은 개수이다. 두 전극 사이 연결고리의 전위차는 시스템의 정확한 통제를 위해 반드시 전기적으로 절연되어져야 한다. 고체 절연체들과 액체 또는 가스 절연체 사이에 위치한 경계 표면은 절연 시스템에서 특히 중요한 부분으로 여겨진다.

a) 단일 절연 재료 구조(single material configuration)

외부 지역이나 플라스틱 케이블의 단일 절연 구조의 예는 바로 공기 (air)이다. 대칭적 그리고 비대칭적인 전극의 구조는 대게 매우 다른 행동들을 보여준다. Figure 3.1.-1은 대칭과 비대칭 전극의 전계 강도 E (field strength)를 보여진다. 그림에서 보여지듯이 같은 간극(spacing: s)에서는 대칭적인 구조가 비대칭 구조보다 더 나은 전계의 분배모습을 모여준다 (두 경우 모두 일정한 전압 U 가 적용되있다고 가정). 또한 대칭 구조에서 더 낮은 Emax의 값을 가지는 것을 보여준다. 

위의 구조를 이해하여야 하는 중요한 이유는, 전계 분배의 강도를 통제함으로써 수직적 간극이나 지지적인 절연체의 간극을 조절함으로써 절연 파괴 전압을 증가시킬 수 있다. 그리고 위쪽의 위치한 전극을 이동함으로써 간극 s의 간격을 조절 할 수 있다. Figure 3.1-2는 비균일 전계를 동반한 충격 전압하에서의 절연파괴 전압을 보여주여 이러한 절연 파괴 전압은 h 길이의 증가와 함께 같이 증가하는 경향을 보인다.

b) 여러 절연 물질의 구조(Multi-material configurations)

대부분의 절연 시스템에서는, 여러개의 절연 재료가 공존하며 절연 경계 표면은 절연체 사이에 존재하게 된다. 이러한 경계면에서 발생하는 힘의 방향은 Figure. 3.1-3에서 보여지는 바와 같으며 전계의 탄젠트(tangential) 성분의 전계 강도(electric field strength)는 일정하다.

일정한 절연체 이동 조건으로 인한 수식은 다음과 같다.

경계 표면은 최소한으로만 전기적 응력(stress)가 작용하게 되는데 그 이유는 불순물들과 습도의 존재때문이며 이러한 존재는 레이어(layer)를 오염시킬 가능성이 있다. 따라서, 절연 시스템의 건설적인 조건에서 경계 표면에서 낮은 전계 강도의 유지는 매우 중요하며 특히 tangential 성분의 전계 더 주의깊게 고려하여야 한다. 

만약 표면 경계가 등위적 표면(equipotential surface (Et = 0))에서 동시에 존재하게 되면 특이한 케이스가 유발되는데 이러한 케이스를 횡 경계 표면(transverse boundary surface)이라고 부른다. Figure 3.1.-4 는 트랜스포머에서의 절연 경계(barrier)를 보여준다. 제조 과정에서 이러한 경계(barriers)들은 몰딩처리 되는데 그 이유는 가능한한 등위적 표면의 형태를 유지하기 위함이다. 

종 경계 표면(longitudinal boundary surface)에 관해서는, tangential 요소인 전계 강도 Et는 제한적인 값을가지는 반면, 보통 요소인 En=0의 값을 가진다. 경계 표면은 전계 라인을 따르지만 전계 분배는 고형 절연체에의해 영향을 받지는 않는다.

Figure 3.1.-5 지지 절연체의 구조의 예.

a) 끝쪽의 전계는 돌출 전극의 방식으로 균일화 되었다.

b) 절연체의 형태가 전계로 적용된 모습.

기술적 디자인 측면에서, 전계 강도(field strength)의 보통 요소들뿐만 아니라, tangential 요소들을 제한적 값으로 부터 항상 보호 할 수 있는것은 아니다. 이것을 기울어진 경계 표면(inclined boundary surface) 이라고 한다. 예를 들어, Figure 3.1-6a 처럼 전극과 함께 하는 절연체가 고형의 절연체 안으로 내장된 것을 고려해보자

이 상당히 괜찮은 조건의 구조는 절연체 몸체 중심부의 지름(diameter, *dotte line으로 표시됨)를 확장시킴으로써 더 괜찮은 모델로 향상될 수 있다. 그 이유는, 지름을 늘림으로써, tangential 전계 강도는 줄어들 수 있기 때문이다. Figure 3.1-6b에서 처럼, 표면에 전극이 배열된 구조는 상당히 불안정한데 그 이유는 상대적으로 매우 높은 tangential 전계 강도(field strength) 때문이다. 그리고, 이 경우에는, 부분 방전(partial discharge)는 간신히 예방될 수 있는 정도이다.

c) 절연 구조(Insulating configurations)

전체적인 시스템을 통틀어 견고한 연결이 완료되지 않은 곳의 예로써는 solid insulated coaxial cable 또는 epoxy resin instrument 트랜스포머 등이 있다. Figure 3.1-7에서 보이는것 처럼, 4가지의 다른 절연 구조가 구분되어 진다.

a) 압축적이고 휘는 힘의 송전을 위한 지지 절연체.

b) 송전시 장력을 위한 서스펜션 절연체.

c) 전극의 견고한 관통을 위한 부싱 절연

d) ground된 지역으로 부터의 voltage-carrying electrode의 견고한 lead-out.

야외 구조에서는, 절연체에는 방수 물질이 적용되는데 그 이유는 creepage 경로(연면거리) 를 증가시키기 위함이며 그 다음은 우천시 수로(water channel)의 형성을 예방하기 위함이다. 방수 물질의 형태는 절연체 제조의 사용된 재료 및 예상되는 공기 오염도에 의존하게 된다. 

Creepage 경로 값의 가이드 라인의 따르면 정격전압에따라 2~4kV/mm 정도가 예상된다. 방수 물질의 전형적인 프로필은 porcelain(애자 또는 자기: 도자기 느낌)와 플라스틱 절연체이다(figure 3.1-8). 

플라스틱 절연체에 관해서는, 슬림한 형태 방수 물질이 사용되는데 특시 소수성(hydrophobic)의 물질이 적용된다. 이러한 적용은 creepage 경로를 오염 방어능력의 손실없이 줄일 수 있다. 가스 절연의 설치에 관해서는, 지지 절연체(support insulator)는 그라운드된 메탈 하우징내에서 lead의 간격의 유지가 요구된다.

정격 전압 110kV 이상에서는 타입(c)의 절연체가 선호된다. 3 phase나 복잡한 형태의 절연시스템에서는 타입(d)의 형태를 고려하여야 한다. 특히 고 전압 가스 절연 시스템을 위해서는 지지 절연체의 모양은 반드시 경계 표면에서의 전계 곡면을 고려하여 선택 되어야 한다.

출처:

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

유기 물질(Organic materials)은 탄소를 포함하고 있으며, 이러한 탄소는 긴 체인형태나 링의 구조로 형성될 수 있다. 미네랄 오일과 식물성 오일 모두 자연적 유기 용액 그룹에 속한다. 파라핀(paraffin), 비투먼(bitumen) 들은 천연오일의 성분으로써 고체 그룹에 속하고 추가로 왁스(wax), 레신(resin), 나무(wood), 섬유소 재료들(종이, 실크, 솜, 삼배)등이 있다. 고 전압 공학에서 중요한 물질은 미네랄 오일, 종이 그리고 제한적이긴 하지만 나무와 비투먼(bitumen)이다.

미네랄 오일(Mineral Oil)

미네랄 오일은 천연 오일(crude oil)의 가스 제거, 탈수, 불순물 제거 후 증류법에 의해 얻어진다. 주로, 나프탈렌과 있는 포화 탄화수소 또는 알케인 구조와 함께하는 포화 탄화수소가 사용되는데 그 이유는 포화되지 않은 아로마틱 탄화 수소에 비해 화학적으로 더 안정적이기 때문이다. 다음은 이에 관련된 몇몇의 예를 보여준다.

아로마틱 탄화수소의 제거는 정제 과정을 통해 제거 될 수 있다. 잘 알려져있듯이 절연 오일의 전기적 특성은 수분과 가스 함량의 증가로 인해 왜곡되는 현상을 보여 준다. 따라서, 절연에 사용되는 오일은 반드시 고 전압 장비에 적용 되기전에 사전의 처리과정이 필요하다. 이러한 사전 처리 과정은 정제 공장에서 가스 제거와 건조 과정을 통한다.

넓은 지역의 얇은 필름이 생산되는 곳에서 표면 가스제거 과정은 보통 적용되며, 이 과정동안, 오일은 약 50℃~60℃ 온도 및 10^-2mbar의 진공상태에 노출되게 된다

Figure 2.5-1은 오일 정제 플랜트의 기본 셋업을 보여준다. 정제된 오일은 절연 파괴 전압을  50 ... 60kV 정도로 가져야 하며, 이 값은 절연 파괴 전계 강도 200kV/cm 정도에 해당한다(breakdown field strength of about 200kV/cm).

절연 오일은 수분을 흡수하는 성질때문에 변질(노쇠화)위험에 놓여 있다. 열과 산소의 결합된 효과로 인해, 산화 물질들이 오일안에 용해될수 있는 형태로 생성된다(예, acids: 산). 용해되지 않는 물질 또한 생성되는데 슬러지(sludge: 끈적 거리는 진흙같은 물질)의 형태로 생성된다. 오일의 산화는 구리의 촉매 작용으로 인해 가속화 된다. 이러한 이유로 순수 구리(bare copper) 전도체가 절연 오일에 잘 사용되지 않는다. 중립화와 비누화의 수치는 노쇠화 상태를 특정화 하는데 매우 유용하다. 그리고, 중립화 수치는 potassium hydroxide(KOH) 제공함으로써 1 g 의 오일을 포함한 자유 산성 물질들을 중화 시킨다. 반면에, 비누화 수치는 KOH의 양을 설명하고 이  KOH는 자유 산성 물질 그리고 경계 산성물질들을 중립화 시키기때문에 중립화의 수치 또한 포함한다.

Figure 2.5-2는 변질된 오일이 신선한 오일에 비해 방출 요인(dissipation factor)이 더 나쁘다는 점을 보여준다. 따라서, 트랜스포머 같은 절연 오일이 사용된 큰 규모의 장비들은 반드시 오일의 변질 상태를 주기적으로 확인하여야 한다. 이러한 이유로, 절연에 사용되는 오일은 절연 파괴 전계 강도, 방출요인(dissipation factor), 불순물의 함유량이 조사되어야 한다. 만얀 필요하다면, 오일의 정제 과정이 반드시 필요하며 또는 사용된 오일을 교체하여야 한다. 오일의 교체는 중성화 값이  0.5 mg KOH/g oil을 초과하거나, 용해성의 슬러지가 chloroform(CHCl₃)클로로포름(마취제의 일종))에서 발견되었을때 실행한다. 

오일의 산화 안정성은 변질(노쇠화) 억제제를 참가하면서 증가시킬 수 있다. 이런 억제제들은 오일 분자에서 깨진 결합과 반응하게 되고 안정적이고, 비활성적이면서 무해한 화합물을 형성하면서 산화 과정을 방지할 수 있다. 억제제들은 이런 진행 과정에서 고갈되게 되므로, 반드시 시간에 맞춰서 다시 채워넣어야 한다. 

미네랄 오일의 응고점(solidifying point)은 -40 ℃이며 전기적 특성은 불순물에 따라 변할 수 있다. 절연 파괴 전계 25 kV/mm의 강도는 약 mm 범위의 간극에서는 유효하다. 얇은 레이어의 절연 파괴 전계의 강도는 약 100kV/mm까지 측정되었으며, 필름은 μm 범위의 간극에서 300kV/mm 정도까지 측정되었다. 다시 말해서, 낮은 절연 상수와의 결합은 오일-종이 절연시스템이 왜 우수한 전기적 강도를 가지고 있는지 설명해 준다.

전기적 방전이 일어날 경우는, 오일은 가스의 형태로 분해 된다. 아크(arc)상태에서는, 오일의 열적 기능저하는 약 60%의 수소와 10%의 다른 가스들, 25%의 포화, 불포화 탄화 수소들의 형태로 일어난다. 기능저하 요인인 수소의 높은 함량은 아크의 집중적인 냉각을 가져온다. 

전극의 예리한 끝부분에서 (예: 캐패시터에서 메탈 호일(metal foils)의 끝부분), 지속적인 방전은 오일 분자들이 고체 물질의 형태로서의 중합반응을 야기 시킬 수 있다(X-wax formation). 이러한 결과는 액상의 요소들보다 더 낮은 전열 파괴 전압(lower breakdown voltage) 값을 가지게 되고 이로 인해 절연 파괴를 시작하게 된다.

열적인 성분에서, 비열(specific heat)과 장기간의 열적 안정화는 특히 매우 중요하다. 절연적인 요소를 제외하고 오일은 높은 비열을 장점을 가지기 때문에 빈번하게 냉각제로도 사용된다. 그러나 장기간적인 측면에서의 열적 안정화는 오직 약 90℃까지만 이루어 지기 때문에 이로 인해 많은 장비들이 제한된 정격 전압(permissible rated power)을 가지게 된다.

절연 물질로서 오일의 응용은 종이 형태의 섬유소나 합판(press board)와의 결합을 통해 이루어진다. 오일을 함유한 종이는 전기적으로 매우 강하며 지속적인 응력 노출에서도 절연능력을 증명했다. 이러한 오일을 함유한 종이는 고 전압 기술에서 매우 중요한 절연 물질로 여겨 진다. 이 러한 기술의 존재로 인해 현재의 트랜스포머, 부싱, 캐패시터, 케이블이 많은 발전을 이룰 수 있었다.

출처:

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

전기적 특성 테스트(Electrical properties) Part 2

c) 트랙킹 강도(Tracking strength)

절연 시스템이 전기적으로 스트레스(stress)를 받을때, 표면 저항에 의해 결정되는 전류는 표면을 흐르게 되고 이러한 전류를 누수 전류 또는 크립페이지 전류(creepage current)라고 한다. 쉽게 이야기 하자면, 주변 환경들 (온도, 압력, 습도, 오염도 등)은 이러한 누수 전류값 결정에 있어서 핵심적인 역할들을 한다. 절연 물질은 기술적으로 이러한 누수 전류에 관하여 잘 견뎌내야 한다. 만약 견뎌내지 못하거나 한계 값만을 버틴다면, 표면 성분의 품질 저하 또는 악화 현상이 일어나게 된다.

누수 전류 (Leakage currents)는 열을 생성하며, 또한 그 작용으로 인해 표면의 화학적 응력(stress)을 가하게 된다. 과 응력의 시각적 효과는 추적가능해지며 이러한 결과는 절연 재료의 변질이나 부패로 인해 발생한다. 이러한 현상들은 전도성 경로의 형태로 나타나며 추가적인 전기적 응력을 통해 절연 물질의 악화를 초래하고 또는 전도성 경로를 남기지 않고 침식을 야기 하게 된다.

비록 절연 물질들이 침식에 의해 반대로 영향 받더라도 (예를들어, 먼지 퇴적물의 감소), 추가적인 전기적 응력성이 가능하지 않다. 침식은 plates 나 pits에서 일어난다 (Figure. 2.2-4)

이러한 트랙킹은 야외 지역의 절연 표면을 제한할 뿐만 아니라, 원치 않은 상황에서 실내 조건에서 일어 날 수 있으며 심지어 장비 내부에서도 일어날 가능성이 있다.

이러한 트랙킹 현상은 물질의 특성, 전극과 표면의 형태나 마감처리 등의 영향을 받게되고 또한 외부 조건들에 의해 영향을 받기도 한다. 여러 트랙킹의 합류는, 완전한 플래시오버(섬락현상)이 일어나기 쉽게 만들거나 섬락현상을 초래하게 된다.

Figure 2.2-5는 전극이 최소 3mm두께의 절연 샘플위에 올려져 있는 모습이며 이 전극에는 380V 의 AC 전압이 걸려 있다. 피펫(pipette) 은 미리 정해진 전도성의 물질을 매 30초당 한방울씩 샘플위에 떨어트린다. 그리고 이 방식은 전극들 사이에서 절연 물체 표면을 젖게 만들고 또한 누수 전류(leakage currents) 를 일으킨다. 샘플의 떨어지는 방울의 수는 자동적으로 테스트 회로의 스위치가 차단될까지의 값을 측정하거나 방울 드랍으로 인한 표면의 가장 깊은 구멍의 깊이를 측정한다.

d) 아크 저항력(Arcing resistance)

상당한 양의 전력 아크와 함께 절연체 표면을 가로지르는 플래시어보(섬락현상)은 매우 드물다. 하지만, 절연 시스템에서 기본적으로는 존재 가능한 상황이기도 하다. 다시 말해서, 절연체는 아크 현상에 노출되지 않거나 노출되더라도 최소한의 상태로 노출 시켜야 한다. 즉 아크현상에 대해서 강항 저항력을 가져야 한다. 

높은 아크 온도와 절연 물질의 불완전한 연소때문에, 전도성 경로가 남게 되고 더이상 추가적인 전기적 응력을 허용할 수 없게 된다. 아크 저항력의 값을 측정하기 위해서는, 탄소성 전극은 220V의 DC 전압이 적용되게 되고 절연 판(insulating plate)에 배치되게 된다.

아크가 절연체 표면에 내려치게 되면, 전극은 약 1mm/s 속도로 이동하게 되며 최대 20mm까지 분리되게 된다. 아크 저항력은 6단계의 레벨로 나타난다 (L1~L6). 그리고 이러한 레벨은 절연 물질을 판단함에 있어서 참고 된다.

전기적 아크현상(electric arc)(https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_arc)

e) 절연(유전) 상수(율)와 소산(흩어짐) 요인(Dielectric constant and dissipation factor)

유전율 εr 절연물질에서의 분극화효과로 부터 유발된다. 실질적인 절연 물질에 관해서는, 변형 분극화(electronic, ionic, lattice polarization)를 제외하고, 지향 평극(orientation polarization)이 특히 중요하다. 그 이유는, 실제로 많은 절연 물질들이 그 자체의 분자 구조에서 영구적인 쌍극자(permanent dipoles: 쌍극자(작은 자석과 같이 양과 음의 자극 또는 전극이 서로 마주 대하고 있는 물체))를 보유하고 있기 때문이다.

이것은 분극화 손실(polarization losses)의 주요 원인이며 tan δ과 εr 의 주파수 독립성에 관해서 영향을 주게 된다.(tan δ and εr : 기술적으로 중요한 파라미터)

다양한 분극화 매커니즘은 서로 다른 완화 시간을 소유하기때문에, 주파수 함수로써 εr의 변화는 Figure 2.2-6에 나타나 있다. 서로 다른 완화 시간은 주파수 제한을 생성하게 되는데 (각각의 매커니즘은 더 이상 존재하지 않음) 그 이유는 상응하는 쌍극자(dipole)의 움직임이 일어나지 않기 때문이다. 이것이 왜 유연율 εr 이 반드시 감소되어야 하는 이유 이다.

계단형식 εr 의 단계 변화는 쌍극자 움직임의 변화에 의해 설명될 수 있다. 유전율 εr의 각각의 변천 영역에서는, 소산 요인 tan δ 최대값을 갖는다.

하지만 오직 위의 그림 a~b영역은 절연의 기술적 측면에서 매우 흥미로운데, 즉, 지향 편극(orientation polarization)이 사라지는 주파수 영역이다.

절연 물질의 특성의 관한 이야기는 전압과 온도의 의존도에서 시작하게 된다. 만약 커브 tan δ=f(U)가 이온화의 무릎 포인트(포화 시작단계)을 보여준다면, 부분방전의 시작을 증명하게 된다.

뿐만아니라 분극화 손실의 발생은 이온적 전도로 인해 절연 손실이 커브 tan δ=f(ν) 부터 식별 된다. 

tan δ 과 εr 의 측정은 잘 알려져 있듯이 브릿지 회로를 통해 결정된다. 

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

전기적 특성 테스트(Electrical properties) Part 1

a) 절연파괴 전계 강도 (Breakdown field strength)

절연 물질이 절연 파괴 전계의 값을 일정하게 유지하지 않더라도, 절연 물질에서 절연 파괴 전계의 강도를 측정하는것은 너무 나도 중요한 과정중에 하나 이다. 더욱이 절연파괴 전계 강도는 여러가지 요인들에 의해 많이 또는 적게 영향을 받는데 이에 해당하는 조건들은 다음과 같다.

• 전극 곡면의 반경과 표면의 마감 처리 상태(radius of curvature and surface finish of the electrodes)
• 레이어의 두께(layer thickness)
• 전압의 종류(type of voltage)
• 스트레스의 작용 기간(stress duration)
• 압력(pressure)
• 온도(temperature)
• 주파수(frequency)
• 습도(humidity)
• etc...

절연 시스템을 측정함에 있어서는 시스템의 관한 정확한 지식, 강도, 전기적 스트레스의 작용 시간, 주변 상황 등, 여러가지를 복합적으로 고려하여야 한다. 이러한 특성들을 알고있는것도 중요하지만 절연 재료의 특성을 이해하는것도 반드시 필요한 과정이다. 이러한 재료의 특성을 이해함으로써 절연시스템 구축에 있어서 최적화 조건을 이끌어 낼 수있으며 경제적인 선택 또한 가능해진다. 

하지만 고려해야 할 상황중 하나는 절연체 성질을 이해함에 있어서 표준화된 조건에서 이루어져야 한다. 왜냐하면, 물질에 대한 이해는 종종 표준화된 조건없이 이해되기가 어렵기 때문이다. 추가하자면, 많은 절연체 특성의 대한 이해는 통계적 수치에 의존하는 편이며 반드시 안정성 마진을 고려해야 한다.

절연물질로써의 자격 조건(Requirement for insulating materials)

절연체의 가장 중요한 기능은 전압을 전달하는 전도체는 다른 전도체 또는 ground(or earth)로 부터 절연(전기적 흐름을 차단) 한다는 것이다. 하지만, 이러한 절연체는 기계적, 열적, 화학적으로도 견딜 수 있는 능력을 지녀야 한다. 이러한 다양한 종류의 작용들은 동시 다발적으로 일어날 수 있으며 그로 인해 혼합된 영향들을 절연체에 끼칠 수 있다.

궁극적으로 절연 물질의 경제적인 선택에 있어서 고려해야할 사항은 실생활에서 다양한 stresses(강도, 응력)들 아래서 오랜기간 사용이 가능한지의 여부이다.

장비에 무게와 종류에 관하여 다음의 조건들은 절연체 선정에 있어서 중요한 고려 사항들이다.

• 높은 전계 강도(high electric strength): 가능한한 적은 설치공간, 저 비용, 적은양의 재료 사용
• 낮은 절연능력 손실: 절연체에서 발생하는 열을 최대 열 전도 한계점 이하로 유지
• 표면 응력 기간동안의 높은 추적 강도: 절연체의 침식이나, 추척(tracking)의 방지, 적합한 절연의 일정성.

기계적 강도의 조건은 대부분 절연체의 구조적 물질과 그의 관한 내력벽(load-bearing)의 특성으로 부터 결정된다. 장비의 조건에 따라서, 고려되어야 할 중요 사항들은 장력(tensile strength, e.g. overhead line insulators), 휨 강도(bending strength, e.g. post insulator in substation), 압력의 대한 강도(pressure strength, e.g. pedestal insulators of antennae) 또는 bursting-pressure withstand 강도(e.g. circuit breaker insulators stressed by internal pressure) 등이 존재 한다. (*bursting-pressure withstand 강도: 내부에서 밖으로 향하는 압력을 버티는 강도를 일컫는 듯 하다, 영문책으로 부터 정보를 얻다보니 혼란스러운 용어들이 존재함.) 추가적으로 고려될 수 있는 기계적 사항들은, 탄성력, 견고성, 회복력등이 있다.

전기적 장비나 시설들은 종종 정상 작동 기간 또는 동작 실패 조건에서 발생되는 증가된 온도에 노출되게 된다. 따라서 절연체의 열적인특성을 고려할때 다음을 생각해야 한다.

• 높은 단열 강도

• 열 작용시 제품의 높은 형태 유지성

• 높은 열 전도율

• 낮은 열 확장 계수

• 불에 잘 타지 않는 조건

• 아크(Arc) 현상의 대한 강한 예방능력.

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/

가스, 유체, 고체 절연 물질과 관련된 모든 절연파괴 이론들이 가정하는 것은 이온화 과정에 의해 전도성이 생긴다는 것이다. 고 진공 (p≤10^-5mbar)에서, 평균 자유 경로 ( mean free path λ)는 매우 크며, 가스 나머지 부분에서의 출동 과정은 절연 파괴 과정에 있어서 무 의미 해진다. 오히려, 전극에서의 매커니즘이 절연 파괴 행동에 있어서 더 중요하게 여겨진다.

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만얀 직류나 교류 전압이 진공 간극에 적용된다면, 예비 전류는 절연 파괴 전압보다 훨씬 더 낮은 위치에서 시작하게 되고, 전압의 증가와 함께 기하급수적으로 증가하게 된다.

HVDC (High-Voltage direct current) 즉, 고 직류전압은 HVAC 시스템에 비해서 많은 양의 전력을 장거리로 전달할 때 매우 효율성이 좋다. 현재의 파워시스템이 재생에너지와 관련된 사업들이 점점 증가하고 있으며 HVDC system은 이러한 재생에너지 활용에 있어서 매우 좋은 대안이 될 수 있다. Ultra high voltage technology, 즉 초고 전압 기술은 HVDC가 진화한 시스템으로 HVDC system보다 더 많은 양의 전력 전달의 용이하며 전력손실도 매우 적은 편이다. 그리고 장거리 전력 전달에 매우 강점을 보임으로 해상에 설치된 풍력 발전기 같은 매우 먼 거리의 전력 전달에도 강점을 보인다. 현재 ABB라는 Power system 회사는 1,100 kV converter transformer 테스트를 완료한 상황이며 이것은 현재까지 가장 높은 직류전압으로 기록되어있다.

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장거리 전력 송신을 고려하였을 때 HVDC 기술은 HVAC에 비하여 경제적, 환경적으로 이점을 가지고 올 수 있는데 그 이유 중 하나는 HVDC 시스템은 기존의 설치된 HVAC 시스템과의 연결이 가능하기 때문에 새로운 파워시스템의 건설이 필요 없으며 HVDC 시스템의 연결을 통해 기존의 파워시스템의 효율성을 높일 수 있다. 결론적으로, 새로운 파워시스템의 건축하지 않음으로써 환경적인 피해를 줄일 수 있고, 경제적인 이익 또한 기대할 수 있다.

출처

1. https://new.abb.com/products/transformers/power/hvdc-converter

2. http://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=9AKK106930A1474&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch

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부분 방전(Partial Discharge: PD)이란?

두 전도체 사이에 발생하는 불완전한 절연파괴이며 대게의 부분방전은 3.3kV(phase to phase) 또는 그 이상의 전압에서 발생된다. 그리고 부분방전이 발생하는 장소는 Power 케이블, stator windings, 트랜스포머, 스위치기어등이 있다.

이름에서 보여지듯이 부분방전이란 부분적으로 일어나는 방전현상을 말하며 고 전압이 적용되었을때 부분적으로 절연체과 전도체사이를 전기적으로 잇는 현상을 말한다. 보통 부분 방전(partial discharge)의 현상은 부분적인 전기적 스트레스(electrical stress)의 집중으로 인해 발생하며, 절연체의 수명을 단축 시켜버리지만 즉각적인 시스템의 실패나 절연파괴는 일으키지 않는다.

• 내부적 방전(Internal Discharge):​ 고형이나 액체의 절연체 내부의 작은 기포나 공간(cavities)에 의해 발생

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• 표면 방전(Surface Discharge): 고체 절연체 표면에서 발생하는 방전현상 (고체-고체, 고체-액체 포함)

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• 코로나 방전(Corona Discharge): Corona 부분방전을 들 수 있다. Corona 부분방전은 보통 도체의 표면에서 발생하며 그 결과로, 매우 강도가 높고 불균형한 전기응력(electric stress)을 발생시킨다.

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고체의 절연체에서, 가스(gas)나 공기(air)로 체워져있는 작은 기포(cavity)는 절연기술 측면에서 좋지 않은것로 여겨지는데 크게 두가지 이유가 존재한다.

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첫째로는, 공기의 절연 강도는 고체의 절연 강도에 비해 낮은 편이다. 다시 말하면 순수 절연 물질의 최대 전계 강도 값이 더 높기 때문에 절연 실패로 이어질 확율이 상대적으로 더 낮다.

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두번째로는, 기포(cavity)는 주변의 절연체의 비해서 상대적으로 낮은 전기적 유전율을 갖게 된다. 따라서, 기포 주변의 전계(electric field)는 주변 절연체에 비해 더 보강된 값을 가지게 된다. (아래는 이와 관련된 대전되지 않은 상태에서의 수식이다)

위의 수식에서 보여지듯이 기포 주변의 전계는 factor >1 상태로 인해 증가하게 된다. 이러한 방식은 결국 부분적인 전계의 보강으로 이루어 지며 가스로 채워진 기포내에서 방전에 필요한 전계의 초과를 야기할 수 있다. (전자 사태를 유발할 수 있음)

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부분방전은 이온화 과정으로 인해 일어나게 되며 이러한 이온화 과정의 발생을 위해서는 다음의 두 조건을 반드시 충족시켜야 한다.

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1. 기포내의 부분적 전계의 강도는 반드시 최소 파괴 전압에 상응하는 특정 전계값을 초과해야 한다.

2. 두번째로는, 기포 내부의 가스에서 자유 전자는 이온화 과정의 시작을 위해 반드시 존재 하여야 한다.

이온화 과정과 관련된 전자사태(electron avalanche)는 기포 표면에 자유 전자의 배치를 이끌어 내게 되며 결론적으로, 전하들은 전계의 방향과 나란히하며 기포의 표면으로 이동하게 된다.

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이러한 전하들은 기포의 표면에 갇히게 되고 결국 적용된 전계의 반대방향으로 또 다른 전계를 형성시킨다.

이 현상은 매우 짧은 순간(microseconds 단위)로 발생하게 된다. 그 결과 기포 주변(cavity)의 총 전계(the total electric field)는 급격하게 감소하게 되고 방전의 소멸로 이끌게 된다.

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이러한 과정 뒤에, 같힌 전하(trapped charge)들은 (+) 과 (-)의 전하들의 재결합 과정을 통해 소멸되게 된다. 그리고 일정 시간이 지난 후 전계는 다시 새로운 방전이 시작할 만큼 충분히 강해지게 된다.

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● PD는 두 도체사이의 가스(air, SF6, hydrogen) 가 존재할때만 발생된다.

● 두 도체사이에 고압이 적용되었을때 electric stress를 만들게 된다.

● 만약 가스가 존재하는 공간에서, electric stress 가 3kV/mm을 초과하였을때 전자들이 가스 원자로부터 떨어져 나오기 시작한다.

● 보통의 액체 또는 고체의 절연체들은 가스에 비해 50~100배의 더 큰 전기적 강도를 가지게 된다.

● 음극성 전자들(negative electrons)은 공기를 통해 양극성을 띈 도체로 이동하려는 성질을 보이게 되며, 절연체의 손상을 주게한다.

● 시간과 공간을 이동하는 전자들은 전류를 발생시키며 식은 i=dq/dt이다.

출처:

[1] Greg Ston (Iris Power – Qualitrol): Partial Discharge in Electrical Insulation

[2] https://www.quora.com/Whats-PD-partial-discharge