소소한 POWER SYSTEM

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.

Abstract

오일-오일을머금은 섬유소 페이퍼, 그리고 프레스보드(합판)은 컨버터 트랜스포머에서 절연 재료로써 많이 사용된다. 전기적 응력에서의 DC 요소의 존재는 컨버터 트랜스포머에서 오일을 함유한 절연 페이퍼(space charge accumulation inside the oil impregnated paper )안에서 공간전하의 축적을 야기한다. 이미 알려져 있듯이 오일을 함유한 절연 종이에서의 수분 함량은 공간전하 행동에 영향을 미친다. 이 페이퍼는 오일을 머금은 절연 종이가 높은 수분을 함유할때의 공간 전하의 역학에 집중한다. 

Pulsed electro-acoustic (PEA) 테크닉이 미네랄오일을 머금은 400μm 두깨의 single layer 페이퍼 샘플에서 공간전하의 측정을 위해 사용되었다. 샘플들은 다른 전계강도 (7.5kV/mm 그리고 20kV/mm), 서로 다른 온도(30℃ 그리고 70℃), 서로 다른 극성에 노출된다. 실험의 결과는 첫번째로, 높은 수분함량을 포함한 (-) 비균일 전하들이 애노드 부근에서 형성된다. 그리고 나서, 캐소드로 이동하며 속도가 감소하게 된다. 이러한 과정들은 더 높은 온도와 더 높은 전계 강도에서 가속화 된다.

Introduction

많은 전력의 장거리 송신의 수요성의 증가로 인해, High Voltage Direct Current (HVDC)의 기술의 발전은 점점 가속화 되고 있는 중이다. Converter Transformer는 HVDC 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 요소이며, 보통 미네랄 오일-미네랄 오일을 머금은 섬유소 페이퍼, 프레스보드로써 절연재료로써 많이 사용된다.

하지만, 전기적 응력에 있어서 DC 요소는 오일을 머금은 절연 종이에서 원치 않는 공간전하의 축적을 유발하게 된다. 절연체에 유발된 이러한 공간전하의 축적은 전계의 왜곡현상을 일으키게 되며 부분적으로 매우 높은 전계 강도를 생성하게 된다. 그리고 이렇게 생선된 높은 부분적 전계강도는 절연능력의 저하를 가져올 수 있다. 따라서, 오일을 머금은 종이 절연체의 공간전하의 특성을 이해하는 것은 매우 중요한 부분으로 고려된다.

절연 시스템에서 수분의 존재는 좋지 않은 요건으로 고려된다. 특히 오일-종이 절연에서의 수분의 존재는 절연 강도를 약화 시킬 뿐만 아니라, 섬유소 재료(e.g. 절연 종이)의 노쇠화(변질)을 가속시킨다. 컨버터 트랜스포머의 오랜작동 기간동안, 절연 시스템의 수분 함유량은 점점 증가하게 되고 그 결과로 인해 절연능력의 저하 또는 트랜스포머의 누수 현상이 발생하게 된다. 추가적으로, 많은 연구자료들이 이미 수분의 함유량이 공간전하 행동에 영향을 끼침을 보여주었다. 

이 페이퍼는 높은 수분 함량을 가진 single layer oil-impregnated paper 샘플에서의 공간전하 역학에 집중하고 있다(수분 함량 >5%). 샘플들은 다른 전계강도 (7.5kV/mm 그리고 20kV/mm), 서로 다른 온도(30℃ 그리고 70℃), 서로 다른 극성에 노출되서 실험된다. 

Experimental Descriptions

a) samples under investigation

이 실험에서는, Gemini X 미네랄 오일(Nynas 회사)가 사용되었으며 이 요일은  IEC 60296의 표준을 충족한다. 조사에 쓰인 절연 종이는 grad K kraft 종이이며 Weidmann 회사에서 400μm의 두께로 제작 되었다. 오일을 머금은 종이샘플의 준비를 위해서, 처음에 신선한 오일은 불순물 제거를 위해 여과 된 후 진공상태로 80℃에서 3일간 수분의 건조를 시킨다. 그리고 나서 이 페이퍼 샘플은 원형의 형태로 지름 4 cm로 절단한 후 105℃의 오븐에서 하루동안 건조 되었다. 그리고나서, 오일과 종이 샘플을 진공 상태의 오븐에 24시간동안 같이 두면 오일을 머금은 절연 종이를 만들 수 있게 된다.

위의 과정들 이후헤, 오일을 머금은 종이 샘플의 수분 함유량은 총 무게의 0.5% 미만의 양만을 함유하게 된다. 높은 수분 함량을 가진 샘플을 얻기 위해서는, 이 새롭게 만들어진 건조한 오일-종이 절연종이 샘플을 보통의 환경에 노출시켜 수분을 흡수시켜 5%이상의 수분을 함유할때까지 내비둔다. 

b) Test Set-up

오일을 머금은 종이의 공간전하를 측정하기 위해서는, PEA 측정 기술이 사용되었다. PEA 시스템에서, 공간전하는 5ns 동안 전기적 펄스에 의해 excited 된다. 그리고, HV fast 스위치에의해 발생되는 1kV의 진폭(amplitude)이 적용된다. 들뜬상태(excitation)이후에, 생성된 아쿠스틱 시그날은 공간전하의 정보를 함유한채 piezoelectric sensor를 통해 이동하게 되고 이 센서는 9 μm 두께의 PVDF film에 내장 되어 있다. 그리고 나서, 이 어쿠스틱 시그날은 전압 시그널로 변환되게 된다. 그리고 나면, 전압 시그날은 증폭됨과 동시에 기록으로 남게 된다. 

고 전압 구리(copper) 전극의 반경은 10 mm이다. HVDC의 전원은 Glassman Company에 의해 제작되었으며 최대 60 kV DC stress까지 생산 가능하다. 

주파수 영역 분광학 기술(Frequency domain spectroscopy (FDS))이 높은 수분을 포함하고 있는 오일함유 종이샘플에 적용되어 결과의 분석을 돕는다. Omicron Dirana는 주파수 영역 분광학의 분석을 위해 사용되었다. 테스팅 시스템의 플레이트 전극이며 나일론과 Perspex의(cell made of nylon and Perspex) 섬유 조직이다.

PEA 시스템에서 전극의 사이즈는 high voltage 전극의 사이즈와 동일하다. 테스트 박스는 알루미눔 박스로 봉합 되어 있으며 Omicron Dirana와 컴퓨터에 연결되어 있다. FDS 분석을 위해 샘플에 적용된 peak voltage는 100V이고 측정된 주파수 범위는  5 kHz~100 μHz 이다.

Experimental Results

a) Volt-on test for paper sample with higher water content

Figure 3은 수분을 5.38% 그리고 온도 30℃, 전계 강도 20 kV/mm 에서 전압이 걸렸을때의 결과를 보여준다. 초반 10분동안은, (-) 비균일 전하들이 애노드 (즉, 고 전압 전극) 부근에 나타남을 보여줬다. (-) 비균일 전하의 형성후에, 이 전하들은 캐소드로 옮겨가기(그라운드된 전극) 시작했다. 이 과정에서 캐소드로 이동한 전하의 속도는 감소하였다. 동시에, 애노드와 캐소드 모두에서 표면전하는 응력의 작용 시간에 맞춰서 명백히 감소하였다. 또한 이 과정동안, (+)전하들이 애노드에서 더 깊게 주입되는 모습이 발견되었다.

b) Volt-on test under different temperature

온도가 관측된 역학 과정에서 어떻게 영향을 끼치는지를 알아보기 위해, 공간전하의 행동이 전계 강도 20 kV/mm, 온도 70℃의 조건하에서 측정되었다. Figure 4는 이 실험의 결과를 보여주고 있다. 70℃에서의 공간전하의 역학은 30℃에서의 공간전하 역학의 모습과 매우 유사하다. 하지만 높은 온도는 더 빠른 역학 과정을 보여주었다. 한 시간동안의 응력(stress) 작용에서는, (-) 전하는 거의 캐소드 부근으로 이동하였다. 

c) Volt-on test under different field strength

 높은 수분 함량의 샘플은 7.5 kV/mm의 전계강도에서 테스트 되었으며 이 조건은 관측된 공간전하 역학에서 전계의 강도가 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위함이다. Figure 5는 이에 대한 결과 그래프이다. 매우 낮은 전계 강도에서는 전하의 이동현상이 여전히 발생하였으나, 매우 느린 속도로 진행되었다. 초반 20분동안 형성된 비균일 전하와 한 시간의 응력이 끝나는 시점에서의 (-) peak 전하는 오직 종이 두께의 1/4만을 이동하였다.

Figure 6는 Fig 3,4,5에서 보여준 (-) peak 전하 위치에 대응하는 공간전하의 이동 속도를 보여준것이다. 위의 결과는 샘플이 전계강도  20 kV/mm에서 테스트된 값이다. 초기 변동 이후에, 이동속도는 이동 거리의 비례하며 점진적으로 감소하는 모습을 보여주었다. 스트레스된 샘플 (전계강도 7.5 kV/mm)에서는 이러한 감소 경향이 관측되지 않았는데 그 이유는 너무 느린 속도의 값들 때문이다. 같은지점에서의 높은 이동 속도는 높은 온도 또는 높은 전계 강도에서 관측되었다. 이러한 경향은, 공간전하의 역학적 행동이 전계와 온도 모두로 부터 여향을 받는것을 알 수 있다. 

VERIFICATIONS AND DISCUSSIONS

Figure 1에서 보여지듯이 high-voltage 전극과 ground 전극에 사용되는 재료는 다르다. high-voltage 전극에 사용되는 재료는 보통 반도체성향을 띄는 고무이지만, ground 전극에 사용되는 재료는 알루미늄이다. 전극의 재료로 인해 유도되는 현상을 조사하기 위해, 전계 강도 20 kV/mm와 (-) 극성이 30℃에서 샘플에 적용되었다. 

Figure 7에서 보여지듯이, 같은 공간전하 역학적 행동이 관측 되었다. 그러나, 이 경우 (-) peak charge는  ground 전극(애노드) 주변에서 형성되었고 ground 전극에서 high-voltage 전극(캐소드)로 이동 하였다. 따라서, 전극의 물질과 상관없이 (-) peak charge는 항상 애노드에서 형성되어 캐소드로 이동한다. 

추가으로 공간전하의 역학적 현상의 조사를 위해서 재응력(re-stress)이 가해지는 시스템이 디자인 되었다. 높은 수분을 포함하는 샘플은 첫번째로 stress에 노출되고 역학적 모습이 조사되었다.(1시간 volt-on test) 그리고 나서는, 전계는 전하의 방출을위해 한 시간동안 제거된다. 

모든 공간전하들이 방출되면, 20 kV/mm의 전계 강도가 재 적용되고, 공간전하의 정보들이 기록되게 된다. Figure 8은 재응력(re-stress)이 가해진 실험에 관한 결과 모습이다. 이 결과로부터 알수 있는점은, 전하들이 완전히 방출되었더라도, 전계가 다시 가해진후 이전 실험에서 마지막 분배 모습처럼  공간 전하 분배가 즉시 나타난다는 점이다.

이러한 현상은 수분 함량이 높은 오일-종이 샘플에 관해서, 기억효과(memory effect) 가 HVDC 전계의 관해 유도 되었다는것을 알려준다. 결론적으로, 이 결과로부터 추정될 수 있는것은 샘플 내부에서의 높은 수분합량과 높은 전계로 인해 장기간의 변화가 유도 된다는 점이다. 이러한 결과으 분석을 돕기위해 FDS 분석기술이 샘플에 도입되었다. 응력에 노출되지 않은 샘플이 처음에 FDS 기술에 의해 상온에서 분석되었으며 후에, 샘플은 응력에 노출된다 (20 kV/mm at the temperature of 30℃, 2 hours). 이로 인해 (-) peak charge 는 캐소드 주변으로 이동할 수 있게된다. 그리고 나서 샘플은 FDS 기술에 의해 재 분석된다. 

샘플의 실제 유전율(permittivity)과 소멸 요인(dissipation factor)이 위의 도표에 나타나있다. Figure 9에서 보여지듯이, 주파수 영역이 50Hz보다 높은경우, 약간의 변화가 응력 이전과 이후의 관련해서 발견되었다. 주파수 영역 1 mHz ~50 Hz에 대해서는, 뚜렷한 차이가 관측 되었으며 이 결는 샘플이 가지고 있는 절연 특성의 변화를 나타낸다. 이 영역에서는, 실제 유전율은 줄어든 주파수 영역과는 반대로 증가하는 경향을 보여준다. 그러나, 응력 작용 이전에 샘플은 더 가파른 증가를 보여주며, 이것은 안정화 과정이 약 0.1Hz에서 약해짐을 보여준다. 1mHz 보다 적은 영영에서는 실제 유전율의 값은 두 샘플이 동일함을 보여준다.

Figure 10에서 보여지는 소멸요인 (dissipation factor)은 응력 이후의 샘플에 관해서 감소된 주파수의 반대로 증가하는 경향을 보였다. 응력 이전의 샘플에 관해서는 주파수 영역이 3Hz보다 높고 60mHz 보다 낮은경우, 소멸요인의 행동은 응력 이후 샘플과 같은 현상을 보였다. 또한 이 역시 안정화 과정이 약 0.1Hz에서 약해짐을 보여준다.

이는 FDS와 관련해서, 섬유소의 낮은 주파수 확산(1Hz에서 안정화를 보여주는 섬유소)는 주로 수분-섬유소 혼합 위상의 공동 모션에 의해 야기된다. 즉, 높은 수분함량을 보유한 샘플에서의 주파수 변화는 아마 수분의 조건의 변화의 기여할 수 있다(절역 특성관련, 수분의 상태와 배치의 관련 될 수 있다).

공간전하의 역학에 관해서, 대량의 오일을 머금은 종이 샘플에서의 (-) peak charge는 아마 샘플의 비 균일성으로부터의 결과물일 수도 있다. 전기적 응력하에서, 수분의 조건은 변할 수 있으며 결과적으로, 부분적 절연 특성(permittivity and conductivity)이 변할수 있다. 그러나 변화는 샘플 두께의 관해서 고르지 못할 수 도 있는데 그 원인은 균일하지 못한 전계의 분배때문이며 이것은 전계 의존 현상으로 나타날 수 있다. 

결론적으로, 샘플은 두께와 관해서 더 이상 균일하지 않다. 따라서 면과 면사이에 낀 (-) 전하들은 샘플의 비 균일성으로 인해 유도 될 수 있다.  이 현상은, 샘플이 공간전하의 행동과 관련해서 기억효과(memory effect)가 나타나는지를 설명할 수 있다(Figure 8). HVDC 응력 하에서는, 샘플의 비균일성은 지속적으로 발전될 수 있으며, (-)의 이동현상을 이끌어 낼 수 있다. 

이러한 추측들로부터, 캐소드에서의 표면전하 감소는 아마도 대량으로 형성되는 (-)전하의 형성으로 인한 인근 전계강도의 감소로 인해 야기될 수 있다.

출처:

Z. Mu, Z. D. Wang, and Q. Liu, “Space charge dynamics of oil-impregnated paper insulation with high water content,” 2017 IEEE 19th Int. Conf. Dielectr. Liq. ICDL 2017, vol. 2017–January, no. Icdl, pp. 1–4, 2017.

Introduction

파워트랜스포머의 전도체 와인딩은 절연유를 함유한 종이로 절연 되어 있다. 그리고 이러한 절연 기술을 트랜스포머의 수명을 약 25년 정도까지 사용가능하게 만든다(65~69℃에서 작동할 경우). 전형적인 트랜스포머는 10~12톤의 종이(30~120μm 두께, 0.7~0.8 kg/m^3밀도)와 45톤의 오일을 포함하고 있다. 열, 수분, 그리고 산소는 섬유의 변질을 야기하며 중합 분자 체인의 길이(polymer molecular chain length)를 줄일 뿐만 아니라 물질의 기계적 강도까지 약화 시킨다. 기계적인 부분 실패는 모자란 와인딩이나 절연종이의 파편, 오일 덕트안쪽의 섬유소쪽에서 나타날 수 있으며, 또한 전기적, 열적인 절연실패를 야기 할 수 있다. 트랜스포머 와인딩의 장력과 규정의 변화는 기계적, 전기적 왜곡을 야기 할 수 있으며, 노쇠화된 절연체 또는 와인딩의 쇼트회로 force의 관한 실패의 가능성을 증가 시킨다.

수분은 노쇠화의 주요 원인 중 하나이며 절연시스템에서의 수분의 존재는 전도성을 증가 시킬 수 있고 가스 버블의 형성에 도움을 주게 된다. 또한 트랜스포머에서의 수분은 전반적인 절연 시스템의 열적 안정성을 떨어뜨리게 되며 이러한 현상은 특히 과부화 조건에서 나타나게 된다.

절연종이는 kraft 과정으로 부터의 wood pulp로 만들어진다(탈 레닌과정 포함). 이렇게 만들어진 절연 종이는 90%의 섬유소와 6~7%의 lignin으로 구성된다. 보통의 자연적인 절연종이의 수분 함유량은 전체 무게의 4~5%이지만 절연종이로 사용될 경우 수분 함량이 0.5%이하로 떨어질때까지 건조 시킨다. 그리고 이렇게, 만들어진 종이는 절연 오일이 함유되도록 담가지게 되며 이러한 과정을 통해, 절연 능력의 향상을 증가 시키게 되고 와인딩부분에 있어서 냉각 작용을 이끌 수 있게 한다.

절연 종이의 주요 성분은 섬유소이며 이 섬유소는 자연적 글루코스 중합체이다 (natural polymer of glucose). 단량체(monomer) 유닛들은 긴 직선의 체인에서 결합되어 있으며 자연적인 상태에서 평균 체인 길이 또는 폴리머화 정도 (degree of polymerisation, DP) 20,000 monomer unit을 초과한다. 종이의 기계적 강도는 섬유소 본연으로 부터 오며 이러한 섬유소는 분자내 그리고 분자사이의 수소 결합에 의해 증가한다. 그리고 섬유소 체인과 미세 크리스탈라인 구조 사이에서도 일어난다.

종이의 강도는 주로 섬유서의 DP 수치의 따라 결정되게 되는데 제조 후, 종이의 DP 수치는 보통 1000~1300 사이 정도이다. 트랜스포머의 건조과정은 이러한 수치를 약 950까지 감소 시키며 동작 기간 동안의 노쇠화로 인해 이 수치는 더 하락하게 된다. DP 수치 950~500사이에서는, 종이의 강도는 실제적으로 일정하지만 수치가 500~200 범위라면, DP의 감소의 따라 종이의 강도 또한 비례적으로 같이 감소 하게 된다. DP 수치 150에서의 종이는 초기의 값의 20%정도의 강도만을 가지게 되며 DP 150 미만은 종이의 강도가 존재하지 않게 된다.

전기적 절연 종이에서 섬유소의 기능 저하는 저온의 화학반응의 복잡한 결과를 통해 일어나지만, 아직까지 완변하게 설명되지 않았다. 이러한 과정들은 체인 절단, 절연 파괴 성분의 배출(수소, 짧은 체인 탄화수소, 일산화 탄소, 이산화 탄소, 수분)을 포함하게 된다. 이러한 성분들은 오일안에서 용해되게 되며 트랜스포머 상태를 예측하는데 사용된다. 종이의 기능저하는 또한 더 큰 분자의 배출을 야기 하며 그 예로 프루프랄(2- furfuraldehyde (furfural))을 이야기 할 수 있으며 이 프루프랄은 오일안에서 확인되며 종이의 상태에 관하여 더 구체적인 정보를 전달 할 수 있다.

Failure mechanisms

섬유소의 변질(degradation)은 DP(폴리머화 정도 (degree of polymerisation) 수치를 낮추는 결과를 가져오게 된다. 그리고 이로 인해, 섬유 내부의 결합이 파괴되는 현상을 겪게되고 기계적 강도의 손실 및 섬유소의 찢어짐 현상 및 충격을 받는 현상에 놓이게 된다. 대조적으로, 전기적 절연 강도는 큰 영향을 받지 않는다. Figure 1에서 보여지는바와 같이 매우 많은 과정들이 이러한 변질과 실패의 기여하게 된다.

가스의 증식은 공통적으로 언급되는 동작 실패요인이다. 초기에 방출된 가스는 수분의 형태이지만, 온도가 증가 할수록 (90℃ 이상) CO 와 CO2 가 형성되게 된다. 가스 버블의 형성은 최소 150℃에서 paper/oil system에서 일어나게 된다. 가장 큰 위험요소는 과부하 조건 초기 동안에 존재하게 되는데 특히 급작스런 온도의 상승은 절연시스템으로부터 빠른 속도의 수분 증식을 야기 하기 때문이다.

오일에서의 가스 버블 형성은 부분방전에의해 지속될 수 있으며, 이러한 가스 버블의 증식은 섬락현상(flashover)로 이어질 수 있다. 절연 종이가 포함된 다른 실패 매커니즘에는 노쇠화 과정의 축적으로 인한 오일과 종이의 증가된 전도성이 포함된다. 감소된 저항성과 절연능력의 손실로 인한 열적 불안정성도 이에 파함된다.

추가록, 수분의 증식으로 인해서 오일에서의 섬유소 물질은 부분적 전계와 나란히 하려는 경향을 보여주며, 이러한 결과는 쇼트서킷, 전도체 사이의 미약한 절연 경로(특히 젖었을경우)를 발생시킨다.

Effects of temperature, water and oxygen on insulation life

• Effects of temperature: 온도의 증가 특히 (140℃ 이상)에서는 노쇠화의 속도가 급속도로 증가함을 보여준다.

• Effects of oxygen: 산소의 증가 또한 종이의 수분 함량을 0.3%에서 5%정도까지 증가 시키며, 이로 인해 변질의 속도를 빠르게 만든다.

• Effects of water: 종이의 변질 속도의 증가는 직접적으로 수분의 함량을 늘리게 되고 이로인해 절연 기술 수명에 영향을 미치게 된다.

Abstract

트랜스포머는 파워그리드의 안정적인 구동을 위해 가장 중요하게 여겨지는 장비이다. 이 페이퍼는 미네랄오일/자연 이스터 오일의 혼합물을 통해 파워 트랜스포머의 노쇠화 방지에 초점을 두었다. 혼합오일-종이 절연체 그리고 미네일 오일-종이 절연체은 264일동안 실험되었으며 110℃에서 열적 노쇠화를 가속 시켰다.

오일의 색깔, 오일 산성도, 종이의 중합 반응의 정도(the degree of polymerization, DP), 그리고 오일-종이 절연의 다른 노쇠화 조건에서의 열적 안정성들이 조사되었다. 후에 연구 결과에서 보여지듯이, 혼합 절연 오일은 오일의 산화를 억제할 뿐만 아니라, 혼합오일-종이 절연체의 노쇠속도 비율 또한 억제 시킴을 발견했다. 다시 말해서, 오일-종이 절연은 혼합 오일을 사용함으로써 열적 안정화의 향상을 기대할 수 있다.

Introduction

트랜스포머의 역할은 안정적 그리고 효과전기 전기공급의 중점을 두기 때문에, 전력의 송전과 배전에 있어서 가장 중요하게 여겨지는 부분중의 하나이다. 대부분의 고 전압 트랜스포머는 용액으로 채워져 있으며 이러한 용액은, 전기적 절연체로 사용되기도 하지만 열 매체(heat transfer medium/냉매제)로 사용되기도 한다. 이러한 파워 트랜스포머 안정성의 향상과 수명의 연장을 위해서 절연 재료, 특히 절연오일에 집중하여야 한다.

트랜스포머에서 가장 많이 쓰이는 절연용액은 미네랄 오일이다. 미네랄 오일은 상대적으로 가격이 저렴한 편이며, 가격의 비해 좋은 전기적 특성들을 가지고 있다. 하지만, 새로운 물질들의 등장으로 인해, 미네랄 오일의 단점들이 많이 노출 되어왔다. 그리고 21세기의 벌어진 전세계 오일 쇼크는 새로운 물질 또는 대체물질을 찾게 하는 기폭제를 마련했다.

자연 이스터(natural ester)는 미네랄 오일과 비교하였을때 화재로부터의 안정성, 친 환경성, 우수한 절연 강도를 보유하고 있기 때문에 현재 사용되는 트랜스포머 절연 시스템에 적합하다. 기존의 봉합된 튜브관 노쇠화 연구들은 절연종이가 자연 이스터안에 있을때 열적 노쇠화가 현저히 느려진것을 발견했다. 하지만, 자연 이스터 용액은 미네랄오일의 비해 낮은 산화 안정성, 높은 유동점, 점도성의 단점을 가지고 있기때문에 사용전 여러 방면으로 고려를 해야한다.

미네랄 오일과, 자연 이스터가 가지고 있는 각각의 장점과 단점을 보완할수 있도록, 미네랄 오일과 자연 이스터 용액을 혼합하는 방법을 고려 할 수 있다. 이 연구에서 혼합의 비율은 80%의 미네랄 오일 20%의 자연 이스터 오일( 올리브 오일로 부터 추출)이다.

6-ditert-butyl-4-methylphenol (T501) 과 high-purity alkylation-α-naphthylamine (L06)이 이 혼합 오일에 0.3%의 농도로 추가 되었으며 이러한 추가물질은 산화 안정성을 향상 시킬 수 있다. 노쇠화 방지를 위해서, 장기간의 동작 동안 파워 트랜스포머의 성분들은 여기서 만들어진 혼합 오일에 의해 향상 될 수 있다. 

이 페이퍼에서는, 가속화된 열적 노쇠화 실험은 110℃에서 264일동안 수행되었으며, 미네랄오일-종이 절연체 vs 혼합오일-종이 절연체의 비교를 중점으로 두고 있다.

Experiment

A. 재료(Material)

실험에서 사용된 종이는 Kraft paper이며 트랜스포머에서 많이 사용된다. Kraft paper의 기술적 수행능력은 international standard  IEC 641-3-1를 충족 시킨다. 또한 트랜스포머 실험에 쓰인 미네랄 오일은 보통의 미네랄 오일이며 XinJiang Kelamayi, China 에서 생산 되었다. 혼합 절연 오일은 이 연구팀에 의해 개발 되었다.

B. 가속화된 열적 노쇠화 실험(Accelerated Thermal Aging Experiment)

 샘플에 대한 사전 조치 들은 다음과 같다. 첫째, 샘플 종이는 5g의 롤형태로 말려 있으며 이를 통해 유리병에 들어갈 수 있게 한다. 현재 동봉된 트랜스포머의 실제 산화를 시뮬레이션 하기 위해 모든 샘플들은 진공 챔버에 두었으며 90℃에서 48시간 동안 건조 시킨다. 두번째로는, 절연 오일 (40℃)은 진공 박스 안으로 스며들게 한후, 24시간동안 평상 온도(room temperature)로 내린다. 세번째로는, 이 말려진 페이퍼 롤을 진공 박스로 부터 꺼낸후 250ml의 유리병안으로 넣어둔다. 그리고 나서, 미네랄 오일 또는 혼합 절연 오일을 이 유리병 안에 20:1(용액:종이)의 비율로 부어 넣는다(각각의 유리병은 200g의 오일과 10g의 종이를 가진다). 실제 트랜스포머의  구리 이온을 시뮬레이션 하기 위해서, 10cm^2의 얇은 구리판을 모든 병에 배치한다. 그리고 나서, 각각의 병은 질소로 충전후 밀봉한다. 마지막으로, 이 유리병들은 노쇠화 오븐에 넣어지고 110℃까지 가열되어 가속화된 노쇠화 테스트를 진행한다. 초기 종이의 수분 함량은 0.5% 미만으로 한다.

C. 열중량 분석 실험(Thermogravimetry Experiment)

열중량 분석(Thermogravimetery (TG))은 물질들이 통제된 온도 프로그램에 있는동안, 온도의 함수로써 물질의 질량(mass)을 측정하는 기술이다. Derivative thermogravimetry (DTG) 커브는 처음의 derivative of TG 커브이다. TG와 DTG 분석 기술의 적용은 미네랄 오일-종이 절연 시스템의 오일과 종이의 열적 행동을 비교하기 위함이고 또한 혼합오일-절연 시스템에서의 오일과 종이의 열적 행동을 분석한다. 이 페이퍼는 초기 분해 온도(initial decomposition temperature (IDT)), 최대 분해 속도(maximum speed of decomposition (MSD)), 최대 분해 속도에서의 온도(temperature at maximum decomposition speed (TMDS))에 집중하고 있다.

각각의 미네랄 오일 샘플(15~15.4mg)과 혼합 오일 샘플(15~15.4mg)은 33℃ 부터 250℃ 그리고 450℃까지 테스트되었다. 온도 확인 속도는 질소 유동(50ml/min)하에서 3℃/min의 비율로 측정되었다. 종이의 TG 실험 이전에는, 오일을 함유한 종이 샘플은 각각 다른 기간동안 노쇠화 되었으며 아세톤(aceton 100ml)에 담가지게 해놨다. 그리고, 동일하게 동봉된 유리병에 15일동안 각각 놓여지게 된다. 추가적으로 아세톤은 5일마다 한번씩 교체되었다. 이런 방식으로 오일이 추출 되었으며 그리고 각각의 종이 샘플(5.0~5.2mg) dms 33℃ 부터 500℃까지 질소 유동 (50ml/min)하에 온도 확인 속도 5℃/min 로 측정되었다.

Result and Discussion

A. 오일 색깔(Oil Color)

오일의 색깔은 오일 자체의 질적 특성을 보여주는 중요한 요소이다. 몇몇의 경우에는 오일의 색깔로 오일의 부패 정도가 확인 가능하다. Figure 1에서 보여지듯이 미네랄오일-종이 절연 샘플과 혼합오일-종이 절연 샘플에서의 오일의 색깔을 보여 주며 이 오일들은 110℃도에서 다른 기간동안 노쇠화가 진행 되었다. 신선한 미네랄 오일은 색이 밝고 맑았으며, 신선한 혼합 오일은 자연 이스터(올리브 오일)로 인해 노란 빛을 띄었다. 또한 미네랄 오일은 시간이 지날 수록 갈색 또는 적갈색의 색을 띄게 됬으나, 혼합 오일은 최종적으로 초록빛을 띄었다. 열적 노쇠화 과정동안, 오일색의 변화 속도는 오일의 부패화 속도를 반영한다. 미네랄 오일의 퇴색 속도는 혼합오일의 비해서 상당히 빠른 편이다. 더욱이, 끈적한 슬러지(sludge)가 눈에 보였으며, 절연 종이 바깥쪽 표면과 미네랄 오일-페이퍼 샘플 유리병 벽면에 침전됨이 174일과 264일에 확인되었다. 반면에, 혼합 오일-종이 절연 샘플에서는 슬러지(sludge)는 샘플 간격동안 발견 되지 않았다.

B. 오일의 산성도(Oil Acidity)

오일의 산성도는 절연 오일의 직접적으로 노쇠화 정도를 알려주는 지표이기때문에 이 실험에서는 혼합오일과 미네랄 오일의 노쇠화 진행과정동안의 오일 산성도가 측정되었다. Figure 2는 혼합 오일과 미네랄오일의 노쇠화 시간에 따른 산성도를 나타낸 모습이다. 보통의 조건에서는 자연이스터의 산성도가 미네랄 오일의 산성도보다 높은 경향이 나타났다. 혼합 오일은 20%의 자연 이스터와 80%의 미네랄 오일로 구성되어 있기때문에 신선한 혼합오일의 산성도는 신선한 미네랄오일보다 아주 약간 높은 편이다.

노쇠화가 진행되면 혼합오일과 미네랄오일의 산성도는 증가하게 된다. 노쇠화 초기에는 혼합 절연 오일과 미네랄 오일의 부패속도는 매우 느린편이며 두 오일의 산성도는 아주 약간 증가하는 정도이다. 하지만 일정 시기를 지나면 두 오일은 빠르게 부패하게 되고 산성도 또한 급격하게 증가한다. 하지만 이 특정 시기 이후에, 혼합오일의 산성도는 미네랄 오일의 산성도보다 현저하게 낮음이 포착되었다 (89일 차 부터). 이 지표는 장기간의 노쇠화 과정동안 혼합 오일이 미네랄 오일의 비해 산화 안정성이 훨씬 우수함을 보여준다. 즉, 일정 기간 이후에는 혼합 오일은 더 느린 노쇠화 비율과 낮은 오일 산성도를 포함하고 있다는 뜻이다.

C. 오일의 열적 행동(Thermal Behavior of Oil) 

Figure 3 은 오일-종이 절연 샘플에서의 혼합오일과 미네랄 오일의 TG 와 DTG 커브 각각 다른 노쇠화 시간에 따라 나타내어 졌다. 미네랄 오일의 분해 반응은 주로 한 단계이며, 혼합 오일의 분해 반응은 주로 두 단계로 이루어 진다. 혼합오일이 2 단계로 이루어지는 이유는 미네랄 오일과 자연 이스터 용액의 혼합물이기 때문이다. Figure 3에서 보여지듯이 미네랄 오일의 분해는 주로 100℃ 부터 200℃까지 이루어진다. 30℃ 부터 250℃까지는 미네랄 오일의 분해만이 존재하고 질량은 100%에서 20%로 감소하게 된다. 그리고 나서 250℃ 부터 450℃까지는, 혼합된 절연 오일에서의 자연 이스터 구성원이 질량 손실이 일어나게 된다. 이로 부터 추정 되는것은, 자연 이스터의 열적 안정성은 미네랄오일에 비해 더 우수하다는 점이다.

Table 2는 오일-종이 절연 시스템에서의 혼합 절연유와 미네랄 오일의 TG/DTG 데이터를 3℃/min의 가열 비율에서 각각의 다른 노쇠화 시간의 따라 나타내었다. 모든 미네랄 오일 샘플의 초기의 IDT는 1℃ 내외에서 변동함을 보여 주었었다. 혼합 절연 오일 샘플에서의 미네랄 오일 IDT 역시 1℃내외에서 변동하였으나, 혼합 절연 오일 샘플안에서의 자연 이스터는 1.5℃내외에서 변동함을 보여 주었다. 

하지만, 모든 샘플시간과 관련해서, 자연 이스터의 초기 분해 온도는 미네랄 오일에 비해서 약 2.5배 정도 더 높은 경향을 나타내었다.

이 두 그룹 오일의 열적 행동의 비교는 Figure 3(b)에서 더욱 뚜렷하게 나타난다. 모든 미네랄 오일 샘플(혼합 절연유에서의 미네랄 오일과 자연 이스터 용액 포함)의 최대 분해속도에서의 온도는 노쇠화 과정동안 매우 적은 변화만을 보여주었다. 하지만 자연 이스터의 최대 분해 속도에서의 온도는 미네랄 오일보다 2배 이상의 값을 보여 주었다. 추가로, 모든 미네랄 오일 샘플과 혼합유에서의 미네랄 오일의 최대 분해 속도는 노쇠화가 진행될때 살짝 감소함을 보였다. 반면에, 혼합유에서의 자연 이스터 용액은 노쇠화 진행 과정동안 거의 변하지 않았다. 

Figure 3, Table 2, Table 3으로 부터 알수 있는것은 자연 이스터의 IDT와 TMDS 는 모든 샘플 시간대에서 미네랄 오일보다 높음을 확인 할 수 있다. 자연 이스터의 열적 안정성은 또한 노쇠화 과정에 있어서 미네랄 오일보다 우수함을 보여주었다. 자연 이스터와 미네랄 오일로 구성된 혼합 절연유는 자연 이스터의 우수한 열적 안정성으로 인해 혼합유의 열적 안정성의 향상에 큰 도움을 줄 수 있게 된다. 

D. 종이의 중합 반응 정도(Degree of Polymerization (DP)of Paper)

절연 종이는 보통 섬유소로 구성되어 있다. 섬유소는 선형, 주기적은 중합체 체인, β-D glucopyranose 로 구성된다. 체인당 일정 유닛을 DP라고 부른다. 그리고 이 DP는 섬유소 종이의 노쇠화 상태를 나타내기 위해 사용된다. 신선한 종이의 DP 는 약 1200정도이며, 200 정도의 수치 하락까지는 받아들일 수 있는 정도이며, 종이의 장력은 약 20%정도 하락하게 되고 내부 섬유의 힘은 축소되며, 섬유소 종이는 트랜스포머안에서 수명을 다하게 된다. Figure 4는 혼합유와 미네랄 오일 (110℃, 264일동안)에서의 종이 노쇠화 관련 DP 수치를 나타낸다. 특히 40일 이후에는 혼합유에서의 종이의 DP 값은 미네랄 오일에서의 종이의 DP 값보다 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 이러한 수치는 혼합 오일은 절연 종이의 노쇠화를 효과적으로 억제함을 나타낸다.

E. 종이의 열적 행동(Thermal Behavior of paper)

Table 4와 Table 5에서 보여지듯이, 혼합유와 미네랄 오일안에서의 노쇠화 과정 종이의 초기 분해 온도(IDT)는 노쇠화 시작과 함께 초기에 증가 한 뒤 하락하는 모습을 보여준다. 특히 174일 이후에는 PINEM의 IDT 는 PIMO보다 높은 모습을 보여주었다. 그리고 110℃에서의 전체 노쇠화 과정동안, 혼합된 절연 오일에서의 노쇠화된 종이의 DP는 미네랄 오일에서의 노쇠화된 종이의 DP 값보다 높음을 보여주었다. 그리고 PIMEM의 TMDS 는 PIMO 노쇠화 시작후 동일 시점에 약간 높은 모습을 보여 줐다. 그리고 PINEM의 MSD은 노쇠화 진행후 동일시점에 PIMO보다 약간 낮은 모습을 보였다. 이러한 현상들은, 혼합유에서의 종이의 열적 특성이 미네랄 오일에서의 종이의 열적 특성보다 우수함을 보여준다.

*maximum decomposition speed (TMDS)

*maximum speed of decomposition (MSD)

Conclusions

위의 실험 결과를 모두 종합해 보면 혼합유(미네랄오일+자연 이스터 용액)의 사용은 오일-종이 절연 시스템의 노쇠화 방지효과를 증가 시킬 수 있음을 보여준다. 또한, 혼합유의 사용은 절연 종이의 변질의 속도를 억제하는 모습을 보였고 혼합 오일을 사용함으로써, 오일-종이 절연 시스템의 열적 안정화의 향상을 기대 할 수 있게 된다.

출처: R. Liao, J. Hao, L. Yang, and S. Grzybowski, “Study on aging characteristics of mineral oil/natural ester mixtures-paper insulation,” Proc. - IEEE Int. Conf. Dielectr. Liq., no. July 2017, 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