소소한 POWER SYSTEM

전도체 vs 절연체 vs 반도체

기술이 발전함에 따라 반도체 또한 아주 급격한 성장을 이루어냈다. 반도체가 앞으로나 모든 기술에 있어서 매우 중요한 기술로 여겨지지만 전도체와 절연체 또한 반도체의 발전을 위해서 반드시 같이 이해되어야 한다. 이번 포스트에서는 전도체, 절연체 그리고 반도체의 특성을 알아보고 서로 어떻게 다른지 알아보려 한다.

전도체(Conductors)

전도체는 보통 여러형태의 에너지를 통과시키는 성질을 가지는 물질을 일컫는다. 여러 형태의 에너지를 포함하지만, 여기서는 전기적 에너지에 집중하여 알아보려 한다. 

금속(Metal)

금속은 가장 널리 알려진 전도체의 형태이다. 메탈의 전도성(conductivity)는 금속 접창(the metal bonding)에 의한 자유 전자(free electrons or Fermi gas)를 기반으로 하고 있다. 이미 매우 낮은 에너지의 전자들이 원자로부터 충분히 분리되어 있기 때문에 전도성이 이루어질 수 있다.

전도성은 온도에 의존적이며, 만약 온도가 올라간다면 금속의 원자들은 매우 크게 움직이게 된다. 그로인해 전자들의 움직임이 제한되게 되는데 이로 인해 금속의 저항성이 증가하게 된다. 현재 알려져있는 금속들 중 전동성이 가장 좋은 금속은 금과 은이지만 높은 가격으로 사용이 매우 제한적이다. 대신 많이 쓰이는 금속은 알루미늄(aluminum)이나 copper(구리) 이다.

소금(Salt)

추가적으로, 소금도 전도성을 가지게 되는데 메탈과는 방식이 조금 다르다. 우선 소금에는 자유전자(free electrons)가 존재하지 않는다. 따라서, 전도성은 소금이 녹거나 용해될때 발생되는 이온에 매우 의존적이게 된다. 녹거나 용해된 소금에서 발생된 이온들은 자유로운 움직임이 가능하고 이로 인해 전도성을 띄게 된다.

절연체(Insulator)

전도체와 다르게 절연체는 자유 전하를 가지고 있지 않기때문에 전도성이 없다.

원자 결합(The atomic bond)

원자 결합은 비금속물질의 공유된 전자쌍을 기반으로 한다. 비금속의 요소들은 마치 전자를 잡아 묶어두려는 성향을 가지게되며, 이로 인해 자유 전자가 존재 하지 못하게 된다. 따라서, 절연체는 전하를 운반할 수 있는 자유전자를 가지지 못하게 되며 전기적 전도를 이룰 수 없게 된다.

이온 결합(The ionic bond)

고체 상태에서는, 이온들이 격자 네트워크형태로 배열 되어진다. 전기적 힘에 의해, 분자들이 묶여있게 되며, 이로 인해 자유 전하가 존재하지 못하게 된다. 즉, 전류가 흐를 수 없는 형태이다. 이러한 이온들은 전도체, 절연체 모두 존재한다.

반도체(Semiconductor)

반도체는 이름 그대로 전도체와 절연체 반(중간)정도의 성질을 띄는 물체이다. 금속과는 다르게 온도가 올라 갈수록 전도성이 증가하게된다. 온도가 올라가면 결합을 깨뜨려 버리며, 이로 인해 자유 전자가 생성되게 된다. 자유 전자가 생성된 지점은 전자의 부재가 생기며 이를 정공(hole)이라고 일컫는다.

반도체에서 전자의 흐름은 반도체의 전도성에 따라 결정되며, 이러한 전기적 띠 구조(band structure)는 반도체의 행동의 특성을 이해함에 있어서 도움을 준다.

밴드 모델(The band model)

전기적 밴드 모델 구조는 에너지 밴드 모델로써 전도체, 절연체, 반도체의 전도성을 설명하기 위해 도입되었다. 에너지 밴드 구조는 가전대, 전도대, 그리고 그 사이이 밴드 갭으로 구성되어진다(valence band, conduction band, the band gap). 가전대와 전도대 사이에 존재하는 밴드 갭의 넓이는 물체의 전도성에 영향을 주게 된다.

에너지 밴드(The energy band)

단일 원자(a single atom)을 고려해볼때, 보어의 원자 구조 모델에 따라서 뚜렷한 에너지 레벨이 존재하게 되고 이러한 에너지 레벨들에 전자가 놓여지게 될 수 있다. 만약 여러개의 원자가 나란히 있으며 서로 상호 의존적이라면, 분리된 에너지레벨이 생기게 된다. 실리콘 크리스탈 구조에서는, 약 10^23 atoms/cm^3 가 존재하기때문에 개개의 에너지 레벨은 더 이상 특별이 분간되기 힘들어진다. 따라서, 넓은 에너지 영역이 고려되게 된다.

에너지 밴드의 너비는 전자들이 원자와 얼마나 강력하게 결합되있는가와 관련있다. 가장 높은레벨에 있는 가전대 전자들은 매우 강력하게 근처의 원자들과 상호작용하고 매우 많은 양의 원자들과 관련해서, 단일 전자는 더이상 단일 원자와 같이 배열 되지 않는다. 그 결과 개개의 원자의 에너지 밴드는 지속적인 밴드와 합병되며 가전대를 구축한다.

전도체의 밴드 모델(The band model of conductors)

전도체에서는, 가전대(the valence band)는 전자로 완전히 채워져 있지 않고나 채워진 가전대가 비어있는 전도대와 겹쳐있게 된다. 보통, 두 상태는 동시에 일어나며, 그로인해 전자는 부분적으로 채워진 가전대나 겹쳐진부분으로 이동이 가능해진다. 전도체에서, 가전대와 전도대의 밴드갭은 존재하지 않는다.

절연체의 밴드 모델(The band model of insulators)

절연체에서 화학적 결합이 전자쌍을 공유하는 이온 결합으로 인해(covalent bond) 가전대는 완전히 전자로 채워져있다. 전자들은 움직이지 못하게 되는데 그 이유는, 전자들이 원자들 사이에 갇혀버리기 때문이다. 어떤 물질이 전도성을 가지기 위해서는, 가전대로부터의 전자들이 반드시 전도대로 이동하여야 한다. 하지만 절연체에선 가전대와 전도대 사이의 밴드갭이 매우 크기때문에 전기적 전도성을 가지기 힘들다. 만약 절연체에 전도성을 가지게 할만한 아주 큰 에너지가 공급된다고 가정하게되면(가능성은 희박하지만..), 절연체는 아주 미미하지만 전도성을 가질 수 있게 된다.

반도체의 밴드 모델(The band model of semiconductors)

전도체와 다르게 반도체는 절연체처럼 밴드 갭이 존재한다. 하지만 절연체와 비교하였을때 이러한 밴드갭의 너비는 상당히 작은편이며 상온에서도 가전대로부터의 전자가 전도대로 이동이 가능하다. 전자들은 자유롭게 이동하며 대전된 전하처럼 행동한다. 추가적으로, 가전대를 떠난 전자들때문에 가전대에는 정공(holes)들이 남게 되며 이러한 정공들은 가전대에 존재하는 다른 전자들로 인해 채워지게 된다. 그러므로, 가전대의 떠도는 정공(holes)은 (+)로 대전된 전하로 여겨질 수 있다.

정공과 전자는 항상 쌍을 이루게 되고(pairs of electrons and holes) 그로인해 (-)로 대전된 전하가 존재하는 만큼 (+)대전된 전하(holes)가 또한 존재하게 된다. 즉 반도체 크리스탈은 전반적으로 중성을 띄게 된다. 다시 말하면, 도핑되지 않은 반도체는 진성 반도체이다(intrinsic semiconductor).

전자들은 항상 에너지적으로 낮은 상태라고 가정되기 때문에, 만약 에너지가 공급되지 않는다면 가전대로 돌아가게 되며 정공과 쌍을 이루게 된다. 전도대로 올라선 전자들은 특정 온도에 도달하게 되면 전자들 사이에 평형상태가 존재하게 되고 전자들은 다시 가전대로 떨어지게 된다. 온도의 증가와 함께, 밴드갭을 뛰어넘는 전자들의 수도 같이 증가하게 되고 그로 인해 반도체의 전도성 또한 증가하게 된다.

에너지 밴드갭은 특정한 파장을 가진 에너지에 상응하기 때문에, 특정한 LED(light emitting diode)의 색을 얻기 위해서는 변화가 필요하다. 이러한 변화는 다른 물질들을 서로 결합하면서 가능하다. Gallium arsenide(GaAs) 상온에서 1.4eV의 밴드갭을 가지며 빨간 빛을 방출한다.

실리콘의 진성 전도성은 별로 흥미롭지 않은 기능적 요소를 가지고 있는데 왜냐하면 오직 공급된 에너지에만 의존하기 때문이다. 즉, 진성 전도성은 온도에 의해 변하게 되고, 추가로 메탈과 비교해서 전도성은 매우 높은 온도에서만 가능하다 (약 수백 도 범위℃). 반도체 전도성에 정교하게 영향을 끼치기 위해서는, 불순물 원자가 보통의 실리콘 격자에 도입됨으로써 자유 전자와 정공의 숫자에 변화를 주면서 성질의 변화를 일으킬 수 있다.

출처

https://www.halbleiter.org/en/fundamentals/conductors-insulators-semiconductors/#Conductors

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/

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