소소한 POWER SYSTEM

TRANSFORMERS: THE FUTURE OF POWER TRANSMISSION AND DISTRIBUTION NEEDS

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트랜스 포머는 어느 파워 그리드 시스템에서 핵심적인 역할을 수행한다. 즉, 송전과 배전에 있어서 필수적이며 전압을 단계적으로 상승 또는 하강시키는 역할을 한다. 장거리 송전에 있어서, 트랜스 포머는 발전소로부터 생산되는 전압을 증가시키며 이로 인해 낮은 전류만이 파워 라인을 흐르게 할 수 있다. 다시 말하면, 장거리 전력 전달에 있어서 매우 효과적이라고 말할 수 있다. 그러나, 단점도 존재하기 마련인데, 너무 고 전압이다 보니 빌딩이나 일반 가정에 맞춰서 사용하기에는 부적합하며 일상 생활까지 전력을 전달하기 위해서는 step down 트랜스포머의 사용을 필요로 하게 된다.

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현재 까지의 조사의 따르면, 트랜스포머의 세계 시장은 2022년까지 약 $34,600,000,000 (약 한화38,657,196,000,000원)을 초과하게 될 것이라고 내다본다. 액체가 함유된 트랜스포머에서 가장 중요한 요소 중에 하나는 절연용액이다. 이 절연 용액은 냉각제로 트랜스포머의 과열을 억제할 뿐만 아니라 전기적 요소들을 감소시킨다.

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A) 미네랄 오일(Mineral Oil)

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오랜 기간동안 많은 제조사들이 구체적인 미네랄 오일(mineral oil)을 위의 언급된 목적으로 많이 사용하였다. 우선 미네랄 오일이 가지고 있는 장점으로는 상대적으로 저렴하다는 점이다. 하지만, 기술과 인구의

증가로 인한 도시의 발달때문에 미네랄 오일이 가지고 있는 단점들은 시간이 지날 수 록 점점 더 분명해 지고 있다.

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다음은 미네랄 오일이 가지고 있는 단점들을 열거해 보려고 한다.

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1. 미네랄 오일은 불에 타기 쉽다는 점이다 (약 170℃에서 불이 붙기 시작한다). 예를들어 만약 트랜스포머가 막대한 기능오류나 장비 파괴의 현상을 겪게 된다면, 매우 크로 위험한 불길이 미네랄 오일에서 발생하게 된다.

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2. 미네랄 오일은 친환경적으로 분해되기 어려우며 독성물질을 함유 하고 있다. 다시 말하면 친환경적이지 않으며 해양생물들에게 매우 해로운 존재이다. 만약, 오일 누수현상을 겪는 다면 주변 생태계를 위협할

가능성이 생기게 된다. 또한 누수 현상으로 인한 처리 비용은 매우 비싸며 오일 누수(유출)은 회사 입장에서 매우 큰 이미지 타격을 입게된다.

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3. 또한 미네랄 오일은 습도에 매우 약하다. 대기압에서는 약 60 parts/million(ppm)의 상태로 수분과 함께 포화상태가 되버린다. 그 결과, 이 미네랄 오일안에 존재하는 트랜스포머와 절연지(insulating paper)는 내부로 들어온 수분에 의해 손상을 입게 되며 장비의 수명에 큰 영향을 끼친다.

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B) 이스터 용액 (ester based fluids)

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이러한 단점들을 극복하기 위해 이스터 베이스의 용액(ester based fluids)이 사용되며 이 용액이 가지는 장점들은 화재로 부터 안전하고, 쉽게 생물학적으로 분해되며, 습도에 있어서 매우 강하다.

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이스터 용액은 크게 두 가지의 다른 타입으로 나눠진다 (합성된 이스터, 자연적 이스터). 합성 이스터는 천연 물질로 부터 얻어지며 1970년대에 처음으로 기존의 트랜스포머에서 사용되던 PCB(Polychlorinated Biphenyls: 폴리염소화비페닐)을 대체하기 위해 도입되었다. 이 합성 이스터는 화합물로써 알콜과 산의 반응을 통해 얻어지게 된다. 반면에 자연적 이스터 오일은 재생산 가능한 자연 물질 (카놀라유, 대두 등) 부터 얻어지며 1990년대에 들어서 처음 사용되었다.

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이런 이스터용액의 도특한 특성은 높은 인구밀도지역에 위치한 트랜스포머에 매우 적합하다는 뜻이며 다시 말해 공간적으로 많은 이점을 안겨다 준다. 또한, 안정성 및 친환경성에서도 강점을 갖는다. 이러한 장점들을 다시 열거하면 다음과 같다.

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1. 안정성 향상: 이스터 용액은 절연유로써 미네랄 오일이 가지고 있지 않은 특성들을 가지고 있으며 이러한 특성들은 도심속에 사는 사람들의 안전 및 주변 환경 안전에 있어서 매우 뛰어나다.

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2. 화재 위험성 감소: 이스터 용액은 화재 위험성 측면에서 미네랄 오일을 대체할 수 있다. 즉, 미네랄 오일은 발화점을 170℃를 가지는 반면, 이스터 용액은 300℃의 발화점을 가지기 때문에 특정환경에 있어서 이스터 오일은 안전성 측면에서 더 큰 마진을 보유하게 된다. 또한 이스터 오일은 스스로 소화(불이 꺼지는 현상, self-extinguishing)하는 특성이 있다. 이러한 특성들은 위험요소가 많은 환경(도시 중심지 등)에 설치된 트랜스포머에 사용하기에 매우 이상적이다.

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3. 친환경적이다: 이스터 용액은 매우 친환경적인 특성을 가지고 있다. 미네랄 오일같은 기존의 오일은 생물학적인 분해가 어렵고 독성을 함유하고 있다면 이스터 오일은 생물학적 분해가 매우 쉽게 일어나고 독성이 없기때문에 주변 생태환경에 있어서 매우 친환경적이라고 할 수 있다. 다시 말해, 기름 유출, 수질 오염, 토양 오염등에서 자유로울 수 있다.

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4. 추가적인 이스터 용액의 장점은 주변 장치의 오염을 줄여준다는 점이여, 또한 설치 공간을 절약 시킬 수 있다.

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5. 간접비용의 감소

이스터 용액이 가지는 낮은 화재 위험성으로 인해 전력 네트워크를 구축함에 있어서 효과적이고 상대적으로 낮은 비용만을 지출 할 수 있다.

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●공간 절약의 가능성 제공

●간접비용의 감소로 전체적인 설치 비용의 절약가능

●미네랄 오일에 비해 상대적으로 적은 비용의 보호 시설 구축가능

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6. 높은 에너지 수요를 충족 시키는데 도움을 줄 수 있음

인구의 증가로 인해 충분한 전력양의 전달은 필수적인 부분이다. 이스터 용액의 높은 발화점은 트랜스포머가 약 20%정도의 과부하를 견딜 수 있게 해줄수 있을 뿐만 아니라 장비의 수행 강도 및 수명 또한 강화 시킬 수 있다. 즉, 에너지 효율성을 증가 시킬 수 있다. 더욱이 이스터 용액을 사용한 트랜스포머는 초과된

열을 포획할 수 있으므로, 이 열의 다른 용도의 사용이 가능하다. 하지만 미네랄 오일은 낮은 발화점을 가지고 있기 때문에 초과된 열을 재사용하는것은 매우 어렵다.

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7. 기존의 네트워크와 통합이 가능하다.

새로운 기술을 고려할때 가장 핵심적으로 생각하여야 하는 부분은, 새로운 솔루션이 기존의 기술과 통합이 가능한지의 여부이다. 즉, 전력의 차단이나 방해 없이 이러한 새로운 기술이 적용 가능한지를 알아봐야

하는데 합성 그리고 자연 이스터 용액 사용의 장점은 기존의 미네랄 오일을 쓰던 트랜스포머에 적용이 가능하다는 점이다 (조건에 따라서 최대 33kV/10 MVA까지 가능). 이 경우는 봉합된 시설이나, 공기중에 노출된 시설도 포함이며 구조의 수정없이 가능하다.

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결론적으로, 현재 많은 도시들은 전 세계 에너지의 3/4를 소비중이며 에너지의 소모는 시간이 지날수록 점점 증가하게 될 것이다. 기존의 전력 시스템이 안고 잇는 부담감은 시간이 갈수록 가중되기 때문에 안전하고 지속가능한 새로운 전력시스템의 구축이 필요하다. 따라서, 트랜스 포머에서의 이스터 용액의 사용은 이러한 발전에 있어서 큰 기여를 할 수 있다.

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출처: A. Gyore, TRANSFORMERS : THE FUTURE of Power Transmission and Distribution Needs THIS WHITEPAPER EXAMINES THE RISKS. 2016.