Electrical insulation is one of the most important part in a high voltage apparatus. Recently, researchers are interested in the environmental friendly vegetable oil from environmental viewpoint. Accelerated aging transformer insulating material in vegetable oil was compared to that of mineral oil. ...
Electrical insulation is one of the most important part in a high voltage apparatus. Recently, researchers are interested in the environmental friendly vegetable oil from environmental viewpoint. Accelerated aging transformer insulating material in vegetable oil was compared to that of mineral oil. Accelerated aging oil samples produced in the oven at $140^{\circ}C$ for 500, 1000, 1500, 2000hours. And Real transformer insulation oils samples of vegetable oil and mineral oil were aged by thermal cycles repeating from $30^{\circ}C$ to $120^{\circ}C$. Samples were analyzed at 42, 63, 93, 143, 190, 240, 300 cycles. The mineral and vegetable insulating oils were investigated for breakdown voltage, water content, total acid number, viscosity, volume resistivity, insulating paper and oil permittivity, and dissolved gas analyses. The breakdown voltage of the vegetable insulating oil is higher than that found for the mineral oil; the accelerated aging progress decreased the breakdown voltage. The vegetable oil had a higher water saturation than the mineral oil; the vegetable oil has the superior water characteristics and breakdown voltage. And high viscosity of vegetable oil, care has to be taken, especially when designing the cooling system for a large transformer.
Electrical insulation is one of the most important part in a high voltage apparatus. Recently, researchers are interested in the environmental friendly vegetable oil from environmental viewpoint. Accelerated aging transformer insulating material in vegetable oil was compared to that of mineral oil. Accelerated aging oil samples produced in the oven at $140^{\circ}C$ for 500, 1000, 1500, 2000hours. And Real transformer insulation oils samples of vegetable oil and mineral oil were aged by thermal cycles repeating from $30^{\circ}C$ to $120^{\circ}C$. Samples were analyzed at 42, 63, 93, 143, 190, 240, 300 cycles. The mineral and vegetable insulating oils were investigated for breakdown voltage, water content, total acid number, viscosity, volume resistivity, insulating paper and oil permittivity, and dissolved gas analyses. The breakdown voltage of the vegetable insulating oil is higher than that found for the mineral oil; the accelerated aging progress decreased the breakdown voltage. The vegetable oil had a higher water saturation than the mineral oil; the vegetable oil has the superior water characteristics and breakdown voltage. And high viscosity of vegetable oil, care has to be taken, especially when designing the cooling system for a large transformer.
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문제 정의
하지만 식물유의 경우는 장시간 사용의 축적된 관련 데이터가 없고 열화가 되었을 때의 나타날 문제현상을 예측할 수 없다. 그렇기 때문에 본 연구에서는 변압기 시작 품을 활용해 가속열화 시킨 절연유와 실제 변압기로 일정한 열화를 준 절연유를 사용하여 열화시간에 따른 변압기의 화학적, 전기적 특성 변화를 알아보고 절연유의 특성과 관련시켜 중점적으로 개선해 나가야 하는 문제점들을 알아보았다. 또한 가속열화를 통해 절연유의 특성변화를 광유와 비교하며 발생할 수 있는 문제점들을 예측해 보았다.
그렇기 때문에 본 연구에서는 변압기 시작 품을 활용해 가속열화 시킨 절연유와 실제 변압기로 일정한 열화를 준 절연유를 사용하여 열화시간에 따른 변압기의 화학적, 전기적 특성 변화를 알아보고 절연유의 특성과 관련시켜 중점적으로 개선해 나가야 하는 문제점들을 알아보았다. 또한 가속열화를 통해 절연유의 특성변화를 광유와 비교하며 발생할 수 있는 문제점들을 예측해 보았다.
일반적으로 광유의 화학적 · 전기적 특성 확인방법으로 절연파괴시험, 유중가스 진단, 산화도측정, 체적저항 및 계면장력등으로 알아볼 수있다. 이러한 특성을 환경친화적인 식물성 절연유에 적용함 으로서 광유와는 다르게 어떠한 특성을 보이는지 알아보았 다. 식물성 절연유와 광유의 가속열화가 진행되면서 화학적, 전기적변화를 분석한 결과 가장 문제가 되는 것은 점도문제와 유동점 문제였다.
제안 방법
절연유의 열화온도의 경우에는, IEEE Std. C 57.91[3]을 따라 열화온도계수와 절연지와 같은 내용물의 열화시 다른 영향을 주지 않는 온도를 고려하여 140[℃]로 결정하였고 일정한 온도를 유지할 수 있는 오븐을 사용하여 500, 1000, 1500, 2000시간동안 가속열화를 진행하였다. 또한 실제 변압기(1Φ, 60Hz, 10kVA)를 사용하여 광유와 식물유를 30[℃]~ 120[℃] 사이에서 변압기 1차측에 과부하를 걸어 온도를 상승시키는 방법으로 열화를 시켰고 일정한 온도에 도달하였을 경우 미리 설치된 냉각시스템을 사용하여 냉각시키는 방법으로 열화를 실시하였다.
실험에는 D사의 광유(1종 2호), 식물유(Biotran-35)를 사용하여 실험을 실시하였고 사용한 광유와 식물유의 특성은 표 2와 같이 나타냈다. 가속열화 절연유 샘플을 제작하기 위해 표 1과 같이 일반적인 변압기 구성 비율에 맞춰 일정한 온도로 가속열화 시켰다. 절연유의 열화온도의 경우에는, IEEE Std.
이러한 방법은 실제 운영되는 변압기와 같이 변압기의 부하 변화에 따라 권선의 수축팽창에 의한 기계적, 전기적 스트레스를 모의하는 방법이다. 각종 실험에 사용 될 시료는 42, 63, 93, 143, 190, 240, 300 사이클마다 변압기에서 채취하여 열화 정도 판단을 위한 실험을 실시하 였다. 광유와 식물유의 가속열화에 따른 변화를 비교하기 위해 표 3과 같이 ASTM D3487과 ASTM D6871의 기준으로 절연유 초기 상태의 사양제한을 사용하였다.
또한 실제 변압기(1Φ, 60Hz, 10kVA)를 사용하여 광유와 식물유를 30[℃]~ 120[℃] 사이에서 변압기 1차측에 과부하를 걸어 온도를 상승시키는 방법으로 열화를 시켰고 일정한 온도에 도달하였을 경우 미리 설치된 냉각시스템을 사용하여 냉각시키는 방법으로 열화를 실시하였다.
절연파괴시험 셀에 냉각시킬 때에는 식물성절 연유의 수분친화성을 고려하여 기밀구조를 유지하였다. 상온에서의 절연파괴시험은 KS C IEC 60156을 유동점에서도 같은 방법을 적용해 실험하였으며 절연파괴시험 후 절연유의 액화를 고려해 1회 시험 후 다시 냉각하는 방법으로 실험을 실시하였다. 절연파괴 실험을 실시한 결과 절연유 실험 셀 전극에서 열과 빛이 발생하였으며 절연유가 녹는 현상을 보였다.
이렇듯이 점도는 절연유의 중요한 특성인데 미열화 식물성절연유는 표 2와 같이 광유에 비해 약 4~5배 정도 큰 점도를 가진다. 절연유 사용에 따른 변화를 알아보기 위해 시료 가속열화와 변압기 가속열화를 통해 점도변화를 알아보았다.
대상 데이터
실험에는 D사의 광유(1종 2호), 식물유(Biotran-35)를 사용하여 실험을 실시하였고 사용한 광유와 식물유의 특성은 표 2와 같이 나타냈다. 가속열화 절연유 샘플을 제작하기 위해 표 1과 같이 일반적인 변압기 구성 비율에 맞춰 일정한 온도로 가속열화 시켰다.
일반적으로 절연유 속에 이온이나 그 밖의 불순물이 함유되면 체적저항율은 저하된다. 이번에 실시한 가스분석은 190, 240, 300cycle에서 가스분석을 실시하였다. 열화에 따라 광유와 식물유 모두 CO, CO2 가 발생한 것을 알 수 있다, 이것은 절연지의 경년열화 및 절연유의 산화열 화의 의해 생성되는 것이다.
이론/모형
각종 실험에 사용 될 시료는 42, 63, 93, 143, 190, 240, 300 사이클마다 변압기에서 채취하여 열화 정도 판단을 위한 실험을 실시하 였다. 광유와 식물유의 가속열화에 따른 변화를 비교하기 위해 표 3과 같이 ASTM D3487과 ASTM D6871의 기준으로 절연유 초기 상태의 사양제한을 사용하였다.
성능/효과
식물성절연유는 광유에 비해 유전율이 높고 절연지에 가까운 고유전율을 가지기 때문에 유전율 정합효과에 의해 절연내력을 향상시키고 절연구조를 축소할 수 있어 컴팩트한 변압기를 만들 수 있다.[2] 실험결과 광유의 경우 유전율이 열화에 따라 약 2~2.2를 유지하고 식물유의 경우에 2.9~3.1의 유전율을 나타냄을 알 수 있다. 절연유는 열화에 따라 유전율에 큰 변화가 나타나지 않지만 식물유에 함침된 절연지(다이아몬드지)의 경우에는 열화가 진행되면서 절연지의 유전율은 상승하고, 약 80℃에서 절연유와 절연지의 유전율을 비교하면 열화전후의 차이가 더욱 커진다는 것을 알 수 있다.
긴사슬지방산은 짧은 사슬 유기 지방산(short chain organic acids)에 비해 비부식성을 가진다.[4] 이러한 특성은 광유의 경우와는 다른 특성을 보인다는 것을 알 수 있고, 아래의 그림 7과 같이 전산가가 높은 것에 비해 그림 11과 같이 절연강도가 높은 것은 수분친화성이 높은 식물성절연유가 긴사슬지방산을 많이 만들어 열화가 진행되어도 높은 절연내력을 유지한다는 것을알 수 있다. 광유의 경우에는 전산가를 활용하여 열화정도를 판단할 수 있지만 그림 7의 결과와 식물성 절연유의 물과의 상호작용을 고려하여 나타나는 전산가 값을 적용하면 광유와 같은 열화판단에는 문제가 있다.
열화가 진행됨에 따라 점도의 큰 변화가 없고 광유에 비해 높은 점도상태를 유지하는 것으로 보아, 식물성절연유를 적용하는 변압기의 손실이나 절연지, 오일의 열화를 줄이기 위해 점도를 고려한 식물성절연유만의 변압기 설계가 필요하다는 것을 알 수 있다.
절연파괴 실험을 실시한 결과 절연유 실험 셀 전극에서 열과 빛이 발생하였으며 절연유가 녹는 현상을 보였다. 절연파괴 실험 결과 절연유의 절연파괴 수치는 상온보다 낮아짐을 알 수 있었고 이러한 특성은 변압기 설치 후나 교체 초기운전 시, 부하가 낮을 때 변압기에 문제를 일으킬 수 있다.
상온에서의 절연파괴시험은 KS C IEC 60156을 유동점에서도 같은 방법을 적용해 실험하였으며 절연파괴시험 후 절연유의 액화를 고려해 1회 시험 후 다시 냉각하는 방법으로 실험을 실시하였다. 절연파괴 실험을 실시한 결과 절연유 실험 셀 전극에서 열과 빛이 발생하였으며 절연유가 녹는 현상을 보였다. 절연파괴 실험 결과 절연유의 절연파괴 수치는 상온보다 낮아짐을 알 수 있었고 이러한 특성은 변압기 설치 후나 교체 초기운전 시, 부하가 낮을 때 변압기에 문제를 일으킬 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광유를 사용한 절연유는 누가 처음으로 개발했는가?
안정적으로 전원을 공급하는데 있어서 필수적 요소인 변압기는 성능개선이 우선시 되었지만, 친환경성이 점차 부각되는 상황에서는 새로운 전력기기는 친환경적으로 설계 · 개발되어야 한다. 1885 년 미국에서 처음으로 배전급 건식변압기를 선보인 후 1892 년 광유를 사용한 절연유가 GE에서 처음으로 개발되었다. 광유의 성능을 향상시키려는 연구와 더불어 식물유를 이용하려는 여러시험이 이루어 졌지만 산화안정성의 부족과 점도로 인한 흐름성의 부족으로 상용화 되지 못하였다.
친환경성이 점차 부각되는 상황에서 전력용변압기와 같은 새로운 전력기기는 어떻게 설계되어야 하는가?
과거와는 달리 전력사용이 증가하는 시점에서 전력용변압기의 용량은 점점 증가하는 추세이다. 안정적으로 전원을 공급하는데 있어서 필수적 요소인 변압기는 성능개선이 우선시 되었지만, 친환경성이 점차 부각되는 상황에서는 새로운 전력기기는 친환경적으로 설계 · 개발되어야 한다. 1885 년 미국에서 처음으로 배전급 건식변압기를 선보인 후 1892 년 광유를 사용한 절연유가 GE에서 처음으로 개발되었다.
미국에서 배전급 건식변압기를 처음으로 선보인 시기는?
안정적으로 전원을 공급하는데 있어서 필수적 요소인 변압기는 성능개선이 우선시 되었지만, 친환경성이 점차 부각되는 상황에서는 새로운 전력기기는 친환경적으로 설계 · 개발되어야 한다. 1885 년 미국에서 처음으로 배전급 건식변압기를 선보인 후 1892 년 광유를 사용한 절연유가 GE에서 처음으로 개발되었다. 광유의 성능을 향상시키려는 연구와 더불어 식물유를 이용하려는 여러시험이 이루어 졌지만 산화안정성의 부족과 점도로 인한 흐름성의 부족으로 상용화 되지 못하였다.
참고문헌 (10)
McShane, C.P., Corkran, J., Rapp, K., Luksich, J.," Natural Ester Dielectric Fluid Development ", 2005/6 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, page 18-22 (2006)
한국전기연구원, "환경친화형 식물성 변압기 절연유기술개발" (2006)
IEEE std. C.57.91, "IEEE Guide for Loading Mineral Oil Immersed Transformers", (1995)
COOPER Power Systems "Envirotemp FR3 fluid Testing Guide" (2004)
윤용한, 김재철, "유중가스 분석을 이용한 전력용 변압기 고장 진단 전문가 시스템" 한국조명전기설비학회 Vol.11, No.2 page 80-88 (1997)
Bertrand, Y., Hoang, L.C., "Vegetal oils as substitute for mineral oils" Properties and Applications of Dielectric Materials, Vol.2 page 491-494 (2003)
Rapp, K.J., Gauger, G.A., Luksich, J., "Behavior of ester dielectric fluids near the pour point", Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Vol.2, page 459-462, (1999)
Tenbohlen, S., Koch, M., " Aging Performance and Moisture Solubility of Vegetable Oils for Power Transformers", Power Delivery, IEEE Transactions on, Vol.25, page 825 - 830 (2010)
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