소소한 POWER SYSTEM

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/

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