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문제 정의
- 본 논문에서는 식물성절연유를 사용하여 강제순환하는 유입변압기 조건을 실험기구로 재현하여 고체절연체(코팅절연지, 미코팅 절연지, 구리관), 온도(20~50℃), 유속(32~55㎝/s), 관로의 직경(16, 25㎜)인자를 변화시키며 유동대전의 변화정도와 유동대전현상이 민감하게 변화하는 인자의 조건에 대해 연구를 하였다.
제안 방법
- 그림 5, 6와 같이 다이아몬드 패턴 절연지에서는 35℃에서 최대치를 나타냈고, 그림 7~10와 같이 일반 절연지와 구리관의 경우에는 27~30℃에서 유동전류의 최대 값이 나온다. 고체절연체의 면적의 변화에 따른 대전값의 변화를 알아보기 위해 대전관의 직경인자를 변화시켜 면적에 따른 변화를 알아보았다. 직경이 증가하면서 최대치가 변화함을 확인하였으며, 결과적으로 절연체의 면적과 유동대전의 상관관계를 알 수 있다.
- 측정에는 미소전류계(Keithley 487 Picoammeter)을 사용 하였고, 일정한 측정을 하기 위해 Positioner를 5300 Triaxial adapter을 사용하여 연결을 하였다. 또한 미소전류계에서 GPIB케이블을 연결하여 Labview프로그램으로 실시간으로 데이터를 저장하도록 하였다. 시험용 탱크는 Sus 재질을 사용하여 제작하였고 절연유에 온도변화를 주기 위해서 열선을 탱크 외부에 배치하였다.
- 또한 외부 환경에 영향을 많이 받는 미소전류는 그 특성을 고려하여 60×60×1000[㎜] 크기의 상자에 구리 테잎으로 차폐를 하여 그 안에서 측정을 하였다.
- 식물성절연유의 유동대전현상 변화를 분석하기 위해 강제 순환식 실험장치를 제작하여 다양한 인자(온도, 유속, 고체 물질, 표면적의 변화)에 따른 실험을 진행하였다.
- 시험용 탱크는 Sus 재질을 사용하여 제작하였고 절연유에 온도변화를 주기 위해서 열선을 탱크 외부에 배치하였다. 열선에서 발생하는 전기적영향을 최소화 하기 위해 PP재질의 절연체를 사용하여 탱크 1의 몸체에 배치한 후 열선을 배치하였다. 온도는 Thermocouples을 상부에 배치하여 일정한 온도에서 시험을 실시하도록 하였고 절연탱크 내의 공기를 제거하기 위해서 에어밴트(Airvent)를 탱크2 상부에 배치함으로써 순환을 하면서 공기가 유체의 흐름을 방해하는 문제를 최소화 하였다.
- 열선에서 발생하는 전기적영향을 최소화 하기 위해 PP재질의 절연체를 사용하여 탱크 1의 몸체에 배치한 후 열선을 배치하였다. 온도는 Thermocouples을 상부에 배치하여 일정한 온도에서 시험을 실시하도록 하였고 절연탱크 내의 공기를 제거하기 위해서 에어밴트(Airvent)를 탱크2 상부에 배치함으로써 순환을 하면서 공기가 유체의 흐름을 방해하는 문제를 최소화 하였다. 중전기기의 전자기적 영향과 환경적 영향이 많을 것이라 예상하고 이를 고려한 실험조건으로는 유속변화(32~55 ㎝/s), 온도변화(20~50℃), 고체 물질 변화(일반·다이아몬드 패턴 절연지, Cu관)와 같이 인자를 달리하며 실험을 진행하였다.
- 3배정도 높다고 알려져 있다. 온도에 따른 도전율의 변화를 알아보기 위해 Computerized Multichannel Conductivity Meter 기기를 사용하여 20㎖양을 가지고 5분 간격으로 50번 측정하여 평균 하는 방법으로 전도도를 측정하였다. 그 결과는 그림 2과같이 나타났다.
- 식물성절연유는 기존의 광유보다 화재 안정성, 환경적인 영향으로 추후에 대용량 변압기에 적용할 가능성이 높다. 유동대전을 확인하기 위해 다양한 실험을 진행하였지만 기존의 실험에서는 높은 유속, 유동대전을 억제하기 위해 사용 하는 유동대전 억제제를 적용하지 않고 실험을 진행하였으며, 또한 식물성절연유의 신유로만 실험을 진행하였다. 하지만 변압기의 열화가 진행됨으로써 내부 절연체의 불순물의 발생은 당연하다.
- 유동대전현상을 측정하는 방법은 다양한데 그 예로 질소가스의 압력으로 직렬식대전장치에 유체가 흐르게 하여 대전정도를 측정하는 방식과 절연유를 강제 순환하는 장치를 만들어 유동대전을 측정하는 방법 등이 있다. 이 실험에서는 절연유를 강제 순환하는[3,6] 환경을 만들어 절연유와 고체절연체 내에서 발생하는 유동대전을 측정하였다.
- 절연지의 종류는 다이아몬드 패턴 · 일반 절연지를 사용하였고 절연지와 같은 방식으로 구리대전 파이프와 차폐장치를 제작·장착하여 유동대전을 측정하였다.
- 중전기기의 전자기적 영향과 환경적 영향이 많을 것이라 예상하고 이를 고려한 실험조건으로는 유속변화(32~55 ㎝/s), 온도변화(20~50℃), 고체 물질 변화(일반·다이아몬드 패턴 절연지, Cu관)와 같이 인자를 달리하며 실험을 진행하였다.
- 또한 외부 환경에 영향을 많이 받는 미소전류는 그 특성을 고려하여 60×60×1000[㎜] 크기의 상자에 구리 테잎으로 차폐를 하여 그 안에서 측정을 하였다. 측정에는 미소전류계(Keithley 487 Picoammeter)을 사용 하였고, 일정한 측정을 하기 위해 Positioner를 5300 Triaxial adapter을 사용하여 연결을 하였다. 또한 미소전류계에서 GPIB케이블을 연결하여 Labview프로그램으로 실시간으로 데이터를 저장하도록 하였다.
대상 데이터
- 또한 미소전류계에서 GPIB케이블을 연결하여 Labview프로그램으로 실시간으로 데이터를 저장하도록 하였다. 시험용 탱크는 Sus 재질을 사용하여 제작하였고 절연유에 온도변화를 주기 위해서 열선을 탱크 외부에 배치하였다. 열선에서 발생하는 전기적영향을 최소화 하기 위해 PP재질의 절연체를 사용하여 탱크 1의 몸체에 배치한 후 열선을 배치하였다.
- 실험 진행에 있어 사용한 식물성절연유는 국내 동남석유 (주)에서 제조한 Biotran-35를 사용하였다. 사용한 식물성절연유의 제원은 표 1과 같다.
성능/효과
- 1. 유동대전현상은 다양한 인자에 의해 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 온도변화에 따라 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 유동전류가 증가하다 감소하는 경향을 보이는 것으로 보아 온도가 증가함에 따라 그림 2와 같이 도전율이 증가하고, 결과적으로 완화시간이 감소하여 유동대전전류가 변화한다는 것을 알 수 있다.
- 3. 유동대전에는 다양한 인자가 복합적으로 영향을 미친다는 것을 확인하였으며, 특히 온도인자는 식물성절연유의 점도, 도전율에 크게 영향을 미쳐 내부적인 변화를 발생시킴으로써 온도변화에 따라 변화정도가 크다는 것을 알 수 있 으며, 유속인자에 따른 유동대전 변화는 온도인자에 비해 영향이 미비해 보이지만 실제 변압기의 덕트와 같은 형상을 나타내지 않아 고유속의 상황을 모의하지 않았기 때문에 변화가 크지 않았음을 예상할 수 있다.
- 4. 유동대전 실험결과 대체적인 경향성 있는 결과가 관찰 되고, 다이아몬드 패턴 코팅 절연지가 일반절연지에 비해 유동대전현상이 낮게 나타남을 알 수 있다. 또한 절연지의 표면적에 따라 유동대전현상이 증가한다.
- 대전관을 사용하여 유동대전을 측정하면 유속변화에 대한 변화보다 온도에 따른 변화가 더욱 크다는 것을 알 수 있다. 온도가 변화함에 따라 유동대전전류가 일정하게 증가및 감소한다는 것을 확인하였고, 대략적인 온도범위에서 최대치를 나타낸다. 그림 5, 6와 같이 다이아몬드 패턴 절연지에서는 35℃에서 최대치를 나타냈고, 그림 7~10와 같이 일반 절연지와 구리관의 경우에는 27~30℃에서 유동전류의 최대 값이 나온다.
- 이런 점은 표 1에서와 같이 식물성절연유의 온도와 점도 사이의 연관성에서 설명할 수 있다. 온도가 상승함에 따라 점도가 급격히 감소하고 절연유가 고체 절연체 사이에 쉽게 교반되며, 그 물질이 층류에서 난류로 작용하여 결과적으로 30℃이상에서 유동전류가 감소하는 형상이 나타난다.
- 유동대전현상은 다양한 인자에 의해 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 온도변화에 따라 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 유동전류가 증가하다 감소하는 경향을 보이는 것으로 보아 온도가 증가함에 따라 그림 2와 같이 도전율이 증가하고, 결과적으로 완화시간이 감소하여 유동대전전류가 변화한다는 것을 알 수 있다.
- 직경이 증가하면서 최대치가 변화함을 확인하였으며, 결과적으로 절연체의 면적과 유동대전의 상관관계를 알 수 있다. 유속의 변화는 32, 37, 44, 55㎝/s로 변화를 주어 유동전류를 측정한 결과 유속이 증가함에 따라 유동전류도 증가하나 각각 유속의 변화에 따른 차이는 온도에 따른 변화보다는 미비하다는 것을 알 수 있다.
- 고체절연체의 면적의 변화에 따른 대전값의 변화를 알아보기 위해 대전관의 직경인자를 변화시켜 면적에 따른 변화를 알아보았다. 직경이 증가하면서 최대치가 변화함을 확인하였으며, 결과적으로 절연체의 면적과 유동대전의 상관관계를 알 수 있다. 유속의 변화는 32, 37, 44, 55㎝/s로 변화를 주어 유동전류를 측정한 결과 유속이 증가함에 따라 유동전류도 증가하나 각각 유속의 변화에 따른 차이는 온도에 따른 변화보다는 미비하다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 식물성절연유의 유동대전 정도를 파악하기 위해 강제순환식 실험장치를 사용하여 유동대전을 측정한 결과 그림 5~10과 같은 결과가 나타났다. 결과를 분석할 경우 유입변압기 절연체 내 덕트사이에 흐르는 유속과 사용시 내부에 발생되는 온도를 고려하여 유동대전현상을 분석할 필요가 있다. 대전관을 사용하여 유동대전을 측정하면 유속변화에 대한 변화보다 온도에 따른 변화가 더욱 크다는 것을 알 수 있다.
- 절연유를 사용한 변압기의 경우 내부에 발생하는 열 때문에 50℃ 이상으로 온도가 유지된다. 현재 실험을 통해서는 안정적인 것이 관찰되지만 높은 온도와 많은 고체물질에서는 유동대전 현상이 변화되는 것을 알 수 없으므로 추가적인 실증실험이 필요하다.
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