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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 열화온도에 따른 셀룰로오스 절연지의 열화특성을 평가하기 위해 DGA와 HPLC 분석을 수행하였으며, 특성결과들 간의 상관성을 규명하였다. 또한, 이러한 결과에 대한 신뢰성을 위해 선형회귀 분석법을 이용하여 특성결과들 간의 상관관계를 확인하였다.
제안 방법
- 91 및 IEEE Std. C.57.100의 수명한계곡선과 실험방법을 참고로 각각 100, 150, 180, 200[℃]의 온도에서 60시간동안 가속 열 열화를 진행하였으며 열화된 각각의 절연지의 열화온도에 따른 인장강도 및 화학적 열화특성 변화를 측정하였다
- 절연지의 경우 인장강도 측정을 위해 변압기 권선과 유사하게 절연지를 겹쳐서 동선으로 감아서 절연유에 함침하였다. 또한, 온도상승에 따른 열화셀 내부의 압력을 조절하기 위해 방압구를 설치하였다. 그림 1은 가속열 열화 실험장치를 보여주고 있다[4]
- 변압기의 절연열화에 있어서 가장 신뢰성 있는 지표들 중 인장강도 측정이 적용되고 있는데, 절연지의 열화정도를 측정하기 위한 절연지의 인장강도 측정은 KS C IEC 60554-2 '전기용 셀룰로오스 페이퍼'시험방법에 따라 절연지를 MD 및 CD 방향으로 250[㎜]×15[㎜]의 크기로 각 9매씩 준비하여 KS M ISO 1924-2에서 규정하고 있는 인장시험기(INSTRON社 3367)를 사용하여 인장속도 250[㎜/min] 속도로 인장력을 가하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 열화온도에 따른 절연물의 열화정도를 평가하기 위해 변압기를 등가화한 밀폐된 열화셀 안에 절연물을 넣고 히터를 이용하여 직접 가열하는 가열히터 방법을 이용하였다. 가속 열화실험에 사용된 절연유는 광유 제1종 제2호(동남석유(주))를 사용하였고 일반적으로 유입 변압기에서 사용하는 셀룰로오스 절연지인 내열등급 B종 절연지(non-upgraded kraft paper, Munksio paper社)를 사용하였다.
- 가속 열화실험에 사용된 절연유는 광유 제1종 제2호(동남석유(주))를 사용하였고 일반적으로 유입 변압기에서 사용하는 셀룰로오스 절연지인 내열등급 B종 절연지(non-upgraded kraft paper, Munksio paper社)를 사용하였다. 열화셀 내부 시료는 유입식 변압기의 절연물 비를 참고로 절연지와 절연유 중량비를 1:13으로 적용하였다. 절연지의 경우 인장강도 측정을 위해 변압기 권선과 유사하게 절연지를 겹쳐서 동선으로 감아서 절연유에 함침하였다.
- 유입식 변압기의 주요 절연물인 광유와 크래프트 절연지를 이용하여 가속 열 열화실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 이상에서와 같은 절연 열화특성들 간의 상관성을 분석하기 위해 SPSS를 이용하여 상관관계를 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 하지만 CO, CO2 가스는 절연지뿐만 아니라 절연유의 열화를 통해서도 발생되기 때문에 권선온도 및 유온에 따라 CO, CO2 가스발생량이 달라지게 되므로 절연지의 열화를 규정하기 위해서 절연지 열화에만 관련된 푸란 화합물에 대한 분석을 동반하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 열화온도에 따른 절연물의 열화정도를 평가하기 위해 변압기를 등가화한 밀폐된 열화셀 안에 절연물을 넣고 히터를 이용하여 직접 가열하는 가열히터 방법을 이용하였다. 가속 열화실험에 사용된 절연유는 광유 제1종 제2호(동남석유(주))를 사용하였고 일반적으로 유입 변압기에서 사용하는 셀룰로오스 절연지인 내열등급 B종 절연지(non-upgraded kraft paper, Munksio paper社)를 사용하였다. 열화셀 내부 시료는 유입식 변압기의 절연물 비를 참고로 절연지와 절연유 중량비를 1:13으로 적용하였다.
데이터처리
- 이에 본 연구에서는 열화온도에 따른 셀룰로오스 절연지의 열화특성을 평가하기 위해 DGA와 HPLC 분석을 수행하였으며, 특성결과들 간의 상관성을 규명하였다. 또한, 이러한 결과에 대한 신뢰성을 위해 선형회귀 분석법을 이용하여 특성결과들 간의 상관관계를 확인하였다.
- 이에 독립변수로 열화온도를 추가하여 인장강도와 CO 가스함유량 및 열화온도 간의 상관관계를 같은 방법으로 분석하였으며, 다중선형회귀분석을 통해 식 (5)와 같은 선형회귀방정식이 도출되었으며, 그림 8은 선형회귀방정식을 이용한 예측치와 실측치를 나타내고 있다.
이론/모형
- 푸란 화합물 측정을 위한 대표적인 방법은 IEC 61198의 HPLC(High Performance Liquid Chromatography)법으로 본 연구에서는 여러 방법 중 직접 분석법을 이용하였다.
성능/효과
- 1. 열화온도가 높아짐에 따라 절연지의 인장강도가 감소하였으며 150[℃] 이상의 온도에서 급격히 감소하여 절연지 수명한계인 인장강도의 50[%] 이하에 도달하였고 이때 절연지의 열분해로 인해 CO와 CO2 가스와 furfural 파생물의 검출량이 급격하게 증가하였다. 또한, 절연유의 열화로 인해 발생된 가스들의 검출량 역시 수명한계점에서 급격히 많아졌다.
- 2. 열화온도에 따른 절연지 열화에 대한 선형회귀분석 결과 인장강도와 CO, CO2 가스량 및 furfural의 상관성은 매우 강했다.
- 그림 6은 열화온도에 따른 절연지의 열화에 의해 생성된 furfural 함유량을 보여주고 있다. 274[㎚] 주파수에서 측정하였으며 그 결과 비교적 많은 양의 furfural 물질이 검출되었다. 그림에서 보는 바와 같이 furfural 함유량은 100[℃]까지는 서서히 증가하다가 그 이후 급격하게 증가함을 알 수 있다.
- 3. 선형회귀분석결과, 독립변수가 많아질수록 상관계수가 커지는, 즉, 상관성이 개선되었으며 이것은 각각의 열화특성들 간의 상호 연관성 역시 크기 때문이다. 특히, CO 가스와 furfural을 독립변수로 하였을 때, 상관계수가 0.
- 4. 따라서 CO 가스함유량을 통해 furfural을 예측 가능하며 CO 가스함유량의 진단기준을 참고로 하여 상관관계 분석결과를 이용하면 furfural에 대한 진단기준을 도출할 수 있다. 그러므로 변압기 운전 중에도 소량의 절연유를 채취할 수 있기 때문에 무정전상태에서 실시간으로 절연지의 열화특성을 평가할 수 있다.
- 그림에서 보는 바와 같이 furfural 함유량은 100[℃]까지는 서서히 증가하다가 그 이후 급격하게 증가함을 알 수 있다. Furfural 함유량은 인장강도 측정결과와 반비례하고 유중가스 분석결과와는 거의 일치하는 결과를 보였다. 셀룰로오스의 열분해 온도가 130[℃], 연소온도가 180[℃]인 점을 감안하면 셀룰로오스 절연지가 100[℃] 이후에 심한 열적 분해작용을 일으켜 열분해 시 절연지로부터 파생물인 furfural이 빠져나와 절연지의 기계적 특성이 저하되었음을 알 수 있었다.
- 그림에 알 수 있듯이 열화온도를 독립변수로 추가하였을 때 상관계수는 0.986, 결정계수는 0.972로 인장강도와 CO 함유량의 상관관계보다 훨씬 개선된 상관성을 보이고 있으며 예측치와 실측치가 거의 유사함을 알 수 있다. 약 180[℃]에서 약간의 편차를 보일 뿐 전반적으로 강한 상관성을 보이고 있다.
- 가스함유량보다 인장강도, 즉, 절연지 열화와의 상관성 더 강한 것으로 나타났다. 또한, 열화온도 역시 열화특성에 기여도가 높은 것을 알 수 있었으며, CO 가스함유량과 CO2 가스함유량 및 열화온도를 독립변수로 사용하였을 때 강한 상관성을 띄고 있었다.
- 먼저, 절연지의 인장강도(TS)와 CO 가스함유량과의 관계에 대해 선형회귀분석을 이용하여 인장강도와 CO 가스함유량의 상관관계를 분석한 결과, 식 (4)와 같은 회귀방정식을 도출하였으며, 그림 7은 식 (4)에 적용한 인장강도의 예측치와 실측치와의 비교데이터로 인장강도와 CO 가스함유량의 상관계수는 0.886, 결정계수는 0.785로 나타났으나 실측치와 비교하여 다소 편차가 나타나고 있다. 특히, 신품에서의 편차가 가장 컸는데 이것은 초기값을 0으로 하여 단순회귀분석을 했기 때문이라고 판단된다.
- Furfural 함유량은 인장강도 측정결과와 반비례하고 유중가스 분석결과와는 거의 일치하는 결과를 보였다. 셀룰로오스의 열분해 온도가 130[℃], 연소온도가 180[℃]인 점을 감안하면 셀룰로오스 절연지가 100[℃] 이후에 심한 열적 분해작용을 일으켜 열분해 시 절연지로부터 파생물인 furfural이 빠져나와 절연지의 기계적 특성이 저하되었음을 알 수 있었다. 따라서 furfural에 대한 열화 메커니즘은 절연지가 열적 스트레스에 의해 열화가 빠르게 진행됨에 따라 파생물의 양도 증가함을 보여줌으로써 절연지 열화정도 및 수명평가에 중요한 열화요인으로 적용될 수 있다.
- 이상의 결과에서 변압기의 수명, 즉, 절연지의 수명은 CO, CO2 가스함유랑과의 상관성을 보이고 있으며 CO 가스 함유량이 CO2 가스함유량보다 인장강도, 즉, 절연지 열화와의 상관성 더 강한 것으로 나타났다. 또한, 열화온도 역시 열화특성에 기여도가 높은 것을 알 수 있었으며, CO 가스함유량과 CO2 가스함유량 및 열화온도를 독립변수로 사용하였을 때 강한 상관성을 띄고 있었다.
- 또한, 초기 인장강도의 20[%]가 되는 온도는 약 170[℃]로 관찰되었다. 절연지가 받는 열적 스트레스가 클수록 인장강도 감소폭이 커짐을 알 수 있었으며, 열화시간보다 온도에 의한 열적 스트레스가 절연지의 열화에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
- 선형회귀분석결과, 독립변수가 많아질수록 상관계수가 커지는, 즉, 상관성이 개선되었으며 이것은 각각의 열화특성들 간의 상호 연관성 역시 크기 때문이다. 특히, CO 가스와 furfural을 독립변수로 하였을 때, 상관계수가 0.998이 되어 거의 1에 가까운 유사성을 보였다. 실제로 회귀방정식에 의한 예측치와 실측치는 거의 일치하였다.
후속연구
- 상관성이 가장 큰 furfural과 CO 가스 및 열화온도와의 인장강도의 상관관계는 거의 1에 가까울 정도로 유사하였다. 따라서, 변압기 열화판정 기준에서 제시되고 있는 CO나 CO2가스량의 기준을 활용하여 도출된 회귀방정식에 적용하면 furfural 파생량을 계산할 수 있어 furfural 관련 열화진단 기준 제정에 큰 도움이 될 것이며, 유중가스 분석과 HPLC 분석을 병행하여 운전 중인 변압기의 절연 열화판정의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것이라 기대한다.
- 는 절연지에서 발생되기 때문에 그 양은 인장강도와 반비례하는 관계라고 유추할 수 있으나 절연지뿐만 아니라 절연유와 용존수분 및 내부유입 산소 등과의 결합을 통해서도 발생할 수 있기 때문에 이러한 분석결과만을 이용하여 열화진단을 하는 것은 무리가 있어 보인다. 또한, 용존 유중가스만을 적용한 변압기의 이상판정을 결정하는 것은 자칫 잘못된 결정이 될 수 있기 때문에 절연지의 분해로 인해 발생되는 물질인 푸란 화합물에 대한 검토가 동반되어야 할 것이다.
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