소소한 POWER SYSTEM

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

HVDC Converter Transformer

HVDC 마켓의 지속적인 성장은 HVDC 송전 시스템의 있어서 전압과 송전 용량을 꾸준히 증가 시킬수 있게 하였다. 현재 HVDC converter transformer 800kV의 전압 레벨까지 도달하였으나, Siemens(지멘스) 회사는 1100kV 그리고 587MW 수준의 트랜스포머를 제작하여 중국 1100KV HVDC 프로젝트에 참여했다.

Converter transformer는 삼상(three-phase) AC 네트워크와 converter 벨브(vavles)를 연결한다. Converter transformer는 HVDC 시스템에서 매우 중요한 부분을 담당하고 있으며 이것이 가지고 있는 기능은 다음과 같다.

• AC 네트워크와 converter valves 사이의 전력의 전달

• 전압 전환에 있어서의 전압 레벨 보조

• AC 와 DC 시스템 사이의 전류적 독립성

• 폴트(fault) 전류를 최소화 하기위한 short-circuit current 임피던스의 공급

ABB converter transformer(https://new.abb.com/products/transformers/power/hvdc-converter)

Converter Transformer 의 구성요소

A) 코어와 와인딩(Core and Winding)

(https://sari-energy.org/oldsite/PageFiles/What_We_Do/activities/HVDC_Training/Presentations/Day_3/1.Converter_Transformer.pdf)

Converter Transformer의 동작원리는 자속 (magnetic flux)를 기반으로 한다. 코어 타입은 steel로 라미네이트 되어 있으며 converter transformer에 현재 널리 사용된다. 위의 그림은 전형적인 코어와 와인딩 구조 (single-phase three winding 컨버터 트랜스포머)를 보여 주고 있다. 벨브 와인딩(Valve winding)은 코어에 가장 가까우며 라인 와인딩(line winding)으로 둘러 쌓여 있으며 바깥 쪽 레이어는 탭 와인딩(tap winding)으로 구성된다. 왼쪽 편의 벨브 와인딩은 Y connection (the upper bridge 용) 이며 오른쪽 벨브 와인딩은 Delta connection(the lower bridge 용) 으로 이루어진다. 컨버터 트랜스포머의 전형적인 절연 물질은 오일과 섬유소 절연체가 많이 사용된다. 

전도체들은 turn사이에서 절연을 위해 섬유소 종이로 감겨 있으며, 섬유소 보드(board)는 기계적인 서포트 뿐만 아니라 절연 능력의 향상을위해 배치된다. 섬유소 절연과 함께 있는 전체적인 와인딩은 절연유(insulating oil)에 담가지게 된다. 그 이유는 고 전압의 대한 절연 뿐만아니라 트랜스포머 내부에서 발생되는 열을 자연스레 또는 강제로 발산시키기 위함이다.

B) 부싱(Bushing)

부싱은 컨버터 트랜스포머 위쪽에 확연히 눈에 띄게 자리잡고 있으며, 큰 전력의 이동에 관여한다. 라인쪽(line side)의 부싱은 AC 기술을 기반으로 디자인 되어있으며 반면에 HVDC 부싱은 Valve 사이드 쪽에 항상 존재하며, LCC-HVDC 기술의 핵심적인 역할을 하게 된다. 현재, Oil-impregnated paper 와 resin-impregnated paper의 기술이 주로 HVDC 부싱에 적용된다. 

C) 쿨링 시스템(Cooling System)

컨버터 트랜스포머의 쿨링 시스템은 보통의 큰 규모 트랜스포머(오일 덕트, 파이프, 라디에이터로 구성된)의 쿨링 시스템과 유사하다.

D) 오일 탱크(Oil Tank)

접지된 오일탱크는 컨버터 트랜스포머의 내부 고전압 요소들을 커버한다. 

위의 열거된 요소들을 이외에, 탭 차저(tap charger), 모니터링 시스템, 보호 장비들이 컨버터 트랜스포머 구성에 포함된다.

컨버터 트랜스포머의 구조(Configuration of Converter Transformers)

정격 전력(power rating)과 운송 제한(transportation limitation)에 따라서 컨버터 트랜스포머는 4가지의 구조로 나누어 질 수 있다.

컨버터 벨브(valves)로 전력을 전달하기 위해서는, 컨버터 트랜스포머는 three phase 그리고 에 관한 더블 valve 와이딩을 포함한 단일 유닛부터 sing phase와 single valve 를 포함한 6개의 분리된 유닛까지의 범위까지 설정될 수 있다. 일반적으로, 더 큰 규모의 HVDC 프로젝트는 더 큰 규모의 정격전압(Power Rating)을 필요로 한다. 그리고, 이러한 큰 규모의 HVDC 프로젝트는 더 많은 분리된 컨버터 트랜스포머를 필요로 하게 된다.

컨버터 트랜스포머의 절연 (Insulation in Converter Transformer)

컨버터 벨브의 연결로 인해서, DC 스트레스는 컨버터 트랜스포머의 벨브 와인딩으로 유입되게 된다. ABB리포트에 따르면 upper bridge에 연결되는 컨버터 트랜스포머 벨브와인딩의 DC 요소들은 HVDC 전압 레벨의 3/4에 해당하게 되고 lower converter transformer의 벨브와인딩에는 1/4의 HVDC 전압레벨이 해당하게 된다. 주어진 주파수의 AC stress 에서는, 전계의 분배는 절연 물질의 유전율(permittivity)에 의해 결정된다.

오일이나 종이의 유전율(permittivity)의 변화는 크게 잘 일어나지 않는다. 그리고 주어진 주파수에서 오일과 종이사이의 유전율의 차이또한 그렇게 크지 않다.(오일: 2.2/oil-impregnated kraft paper: 3.5). 그러므로, AC 트랜스포머에서 전계의 분배는 매우 잘 예측되며 컨틀롤 하기도 용이하다.

DC stress에 관련해서는 전계의 분해(the field distribution)은 저항력(resistivity)에 의존하게 된다. 저항력(resistivity)의 값은 내부 또는 외부의 상황 즉, 온도, 습도, 노쇠화에 관련해서 매우 민감하다. 결론적으로, DC 응력이 절연시스템에 유입되게 되면, 전계 분배는 불균형해지며 컨트롤 하기 어려워진다. 이러한 현상은, 컨버터 트랜스포머의 단점으로써 계속해서 극복되어야 할 부분이다. 또한 이러한 DC stress가 주는 현상은 절연체에서의 공간전하 축적으로 이어질 수 있다. 

출처: 

[1]https://sari-energy.org/oldsite/PageFiles/What_We_Do/activities/HVDC_Training/Presentations/Day_3/1.Converter_Transformer.pdf

[2]A. Carlson, “Specific Requirements on Hvdc Converter Transformers.Pdf,” Ludvika, Sweden.