[논문]식물성절연유의 가속열화에 따른 장기적 안정성 분석

최순호; 허창수

doi:10.5370/kiee.2012.61.8.1148

문제 정의

유입변압기의 충격실험은 변압기나 송전선에 낙뢰가 떨어지는 경우에 뇌 임펄스가 중전기기에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험이다. 일반적으로 권선내부에 상용주파수 범위에서 볼 수 없는 복잡한 원인에 의한 전기적 현상에 일반적으로 권선절연이 견디는지에 대해 확인하기 위해 실험을 실시했다.
유입변압기의 충격실험은 변압기나 송전선에 낙뢰가 떨어지는 경우에 뇌 임펄스가 중전기기에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험이다. 일반적으로 권선내부에 상용주파수 범위에서 볼 수 없는 복잡한 원인에 의한 전기적 현상에 일반적으로 권선절연이 견디는지에 대해 확인하기 위해 실험을 실시했다. KS 기준인 KS C 0902[7](변압기 충격전압 시험 방법)을 적용해보면, 변압기 충격실험은 이미 완료된 새로운 변압기에 대해서 제작 공장에서 실험함을 원칙으로 하기 때문에, 수리한 변압기에 대해서는 적용을 하지 않는다.

가설 설정

[6] 상온에서는 식물유가 광유에 비해 높은 열전도율을 가지고 있지만 70℃에 도달하게 되면 광유가 식물유에 비해 높은 열전도율을 가짐을 알 수 있다. 절연유의 열전도율 수치는 변압기 내부에 존재하는 철(45 W/mK), 구리(320 W/mK)에 비해 상당히 낮기 때문에 유입변압기의 자연, 강제순환에 의한 대류작용이 없다고 가정한다면 열전도율에 차이에 따른 냉각특성의 변화정도는 미비할 것으로 예상된다. 유입변압기의 가열 후 냉각되는 문제에 대해서는 변압기와 사용된 절연체가 같은 조건 상태이면 이러한 상황에서 열전도율이 큰 차이를 보이지 않기 때문에 냉각되는 시간에 대해서는 크게 고려할 필요가 없다.

제안 방법

이런 결과를 통해 광유를 사용한 유입변압기의 경우 내부 절연체에 문제가 생겨 측정이 안 된다는 것을 예상할 수 있다. 그렇기 때문에 식물성절연유를 사용한 유입변압기에 뇌 임펄스 실험을 진행하였고 인가한 펄스는 반파 진행 후 재단파 50%, 75%. 100% 순으로 진행하였으며 그 결과는 그림 3^~6와 같다.
또한 유입변압기 유온이 120[℃]에 도달하였을 경우 실험 챔버 내의 냉방장치가 작동하게 하여 유입변압기 내부의 유온이 감소하도록 하였다. 그에 따른 1Cycle 당 16시간동안 가속열화가 진행되었고, 총 300 Cycle 동안 실험을 진행시킴으로써 가속열화정도를 분석하였다.
하지만 본 실험에서 내부의 절연지와 권선의 양호함을 판단할 방법이 없기 때문에 뇌 임펄스 실험을 진행함으로써 내부 절연물의 열화에 따른 수명상태를 판단하였다. 뇌임펄스 실험 진행 전 변압기의 저항 및 철손, 동손을 측정함으로써 내부 권선의 양호함의 판별 및 변압기의 특성을 계산하였다. 측정한 후에는 반파(50%), 재단파(50%), 재단파(75%), 재단파(100%) 순으로 실험을 진행하였다.
본 논문에서는 10kVA급 유입변압기를 사용하여 광유와 같은 열화기준을 식물성절연유에 적용함으로써 가속열화를 진행하였다. 또한 실험샘플의 가속열화 계수에 따른 100%가속열화 (변압기 수명인 약 20년)를 진행한 후 실험을 진행한 변압기의 절연유를 신유로 재생을 시킨 후 뇌 임펄스 실험을 진행함으로써 가속열화에 따른 중전기기의 내부 절연체(절연지, 권선)의 수명변화정도를 분석하였다.
변압기 내부의 온도변화는 변화기 상부에 온도센서를 배치하여 실시간으로 측정함으로써 변화되는 온도를 파악하였다. 많은 연구를 통하여 유입변압기의 열화온도는 핫스팟의 온도로 결정되는 것이 일반적이고 그 온도는 변압기 내부의 유온에서 20 ℃ 정도 차이가 난다는 것을 감안하여 실험용 유입변압기의 내부 핫스팟 온도를 예측하였다. 이에 따른 핫스팟의 온도변화는 그림 1과 같고 1Cycle (약 16시간)동안 핫스팟 온도가 44~138[℃]까지 분포하게 된다.
유입변압기 내부에 높은 부하를 걸어줌으로써 변압기 내부에 열을 발생시켰고, 절연유의 온도변화에 의한 열화를 유도하였다. 변압기 내부의 온도변화는 변화기 상부에 온도센서를 배치하여 실시간으로 측정함으로써 변화되는 온도를 파악하였다. 많은 연구를 통하여 유입변압기의 열화온도는 핫스팟의 온도로 결정되는 것이 일반적이고 그 온도는 변압기 내부의 유온에서 20 ℃ 정도 차이가 난다는 것을 감안하여 실험용 유입변압기의 내부 핫스팟 온도를 예측하였다.
본 논문에서는 10kVA급 유입변압기를 사용하여 광유와 같은 열화기준을 식물성절연유에 적용함으로써 가속열화를 진행하였다. 또한 실험샘플의 가속열화 계수에 따른 100%가속열화 (변압기 수명인 약 20년)를 진행한 후 실험을 진행한 변압기의 절연유를 신유로 재생을 시킨 후 뇌 임펄스 실험을 진행함으로써 가속열화에 따른 중전기기의 내부 절연체(절연지, 권선)의 수명변화정도를 분석하였다.
유입변압기에 광유, 식물성절연유를 사용하여 실험 샘플을 제작한 후 일정한 온도변화를 주기적으로 주어 가속열화를 진행하였고 그 결과를 분석하였다. 식물성절연유를 광유와 같은 기준으로 실험을 진행하여 가속열화에 따른 장기적 안정성을 확인하였다. 광유를 사용한 유입변압기의 수명은 180,000시간(약 20년)으로 알려져 있고, 가속열화가 100%이상 증가하였을 때 광유를 적용한 유입변압기는 수치상으로는 수명을 다한다는 것을 알 수 있다.
‘D사’의 광유와 식물유의 열전도율(열전달특성)은 표 2와 같다. 열전도율의 측정방법은 절연유와 센서의 접촉함에 따라 다양하게 분류하였고 절연유가 액체인 점을 감안하여 레이저펄스법을 사용하여 실험을 진행하였다. 열전도도 측정장치는 Laser Flash Apparatus : 모델명 LFA (제작사 : NETZCH)을 사용하고 열전도율을 계산할 때 필요한 열용량(비열)을 측정하기 위해서는 시차주사열량계 (DSC-Differential Scanning Calorimeter : 모델명 DSC 200 F3 (제작사: NETZCH))을 사용하였다.
유입변압기 가속열화 후 변압기의 절연유를 같은 종류의 신유로 교체하였다. 그 후 변압기의 저항 및 동손, 철손을 측정한 결과 광유를 사용한 유입변압기의 경우에는 측정이 되지 않았다.
유입변압기 내부에 높은 부하를 걸어줌으로써 변압기 내부에 열을 발생시켰고, 절연유의 온도변화에 의한 열화를 유도하였다. 변압기 내부의 온도변화는 변화기 상부에 온도센서를 배치하여 실시간으로 측정함으로써 변화되는 온도를 파악하였다.
열전도도 측정장치는 Laser Flash Apparatus : 모델명 LFA (제작사 : NETZCH)을 사용하고 열전도율을 계산할 때 필요한 열용량(비열)을 측정하기 위해서는 시차주사열량계 (DSC-Differential Scanning Calorimeter : 모델명 DSC 200 F3 (제작사: NETZCH))을 사용하였다. 유입변압기가 가동할 경우 내부에서 열이 발생하므로 변압기의 유온이 상승할 것을 감안하여 상온(25℃)과 70℃에서 열전도율을 측정하였다. 열전도율 측정 시 액체시료는 고체시료와 다르게 열을 가하는 도중에 기포의 발생이나 불순물 등이 측정에 방해를 주어 고체에 비해 정확도가 떨어진다는 것을 감안하고 데이터를 분석해야 한다.
유입변압기를 가속열화를 통해 내부 절연물의 열화정도를 판단하고 장기적으로 변화되는 유입변압기의 절연특성을 알아보기 위해 같은 10kVA급 유입변압기에 광유와 식물성절연유를 채운 뒤 가속열화실험을 진행하였다. 유입변압기의 특성은 단상 13.
유입변압기에 광유, 식물성절연유를 사용하여 실험 샘플을 제작한 후 일정한 온도변화를 주기적으로 주어 가속열화를 진행하였고 그 결과를 분석하였다. 식물성절연유를 광유와 같은 기준으로 실험을 진행하여 가속열화에 따른 장기적 안정성을 확인하였다.
KS 기준인 KS C 0902[7](변압기 충격전압 시험 방법)을 적용해보면, 변압기 충격실험은 이미 완료된 새로운 변압기에 대해서 제작 공장에서 실험함을 원칙으로 하기 때문에, 수리한 변압기에 대해서는 적용을 하지 않는다. 하지만 본 실험에서 내부의 절연지와 권선의 양호함을 판단할 방법이 없기 때문에 뇌 임펄스 실험을 진행함으로써 내부 절연물의 열화에 따른 수명상태를 판단하였다. 뇌임펄스 실험 진행 전 변압기의 저항 및 철손, 동손을 측정함으로써 내부 권선의 양호함의 판별 및 변압기의 특성을 계산하였다.

대상 데이터

광유와 식물성절연유는 국내 ‘D사’의 제품을 사용하여 실험을 실시하였다.
절연유는 국내 ‘D사’에서 제작된 ‘1종 2호’ 광유와 ‘Biotran-35' 식물성절연유를 사용하였다.
뇌임펄스 실험 진행 전 변압기의 저항 및 철손, 동손을 측정함으로써 내부 권선의 양호함의 판별 및 변압기의 특성을 계산하였다. 측정한 후에는 반파(50%), 재단파(50%), 재단파(75%), 재단파(100%) 순으로 실험을 진행하였다. 우리나라에서의 규정에서는 뇌임펄스 전압을 모의하기 위해서 규약 파두, 파미장은 1.

이론/모형

[1,2] 전력공급에 있어 장기적 안정성이 무엇보다 최우선시 되어야 하는 시대에 광유는 지속적인 연구와 개량을 통해 안정성을 확보하였다고 평가받지만 식물성절연유는 개발과 적용기간이(약 20년) 광유에 비해 짧기 때문에 열화에 따른 절연유의 변화와 장기적 안정성을 실험하기 위해서는 식물성절연유에 가속열화실험을 진행하여 그 안정성을 검증해야 한다. 광유의 경우에는 연구기간이 길기 때문에 이러한 데이터를 토대로 IEEE Std C57.91 (IEEE Guide for Loading Mineral - Oil - Immersed Transformers)[3]의 기준을 만들 수 있었고 이 기준을 사용하여 열화정도를 판단, 평가할 수 있다.[4]
열전도율의 측정방법은 절연유와 센서의 접촉함에 따라 다양하게 분류하였고 절연유가 액체인 점을 감안하여 레이저펄스법을 사용하여 실험을 진행하였다. 열전도도 측정장치는 Laser Flash Apparatus : 모델명 LFA (제작사 : NETZCH)을 사용하고 열전도율을 계산할 때 필요한 열용량(비열)을 측정하기 위해서는 시차주사열량계 (DSC-Differential Scanning Calorimeter : 모델명 DSC 200 F3 (제작사: NETZCH))을 사용하였다. 유입변압기가 가동할 경우 내부에서 열이 발생하므로 변압기의 유온이 상승할 것을 감안하여 상온(25℃)과 70℃에서 열전도율을 측정하였다.

성능/효과

결과적으로 가변하는 핫스팟의 온도를 계산하여 보면 한 사이클 당 가속열화계수가 39.2414라는 것을 알 수 있다. 또한 구해진 가속열화계수를 열화정도를 산정하는 식을 이용하여 유입변압기의 열화정도를 예측할 수 있다.
그와 반대로 식물성절연유를 적용한 유입변압기는 전기적 특성을 측정할 수 있었으며 절연유 교체 후 실험과 같은 파형 특성을 보이는 것으로 보아 재생 후에도 변압기 사용이 가능하다는 것을 알 수 있다. 결과적으로 식물성절연유는 환경오염이라는 문제를 해결할 수 있는 광유의 대안책 뿐만 아니라 열화에 따른 절연특성, 장기적 수명 또한 광유보다 우수하다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있다.
이러한 유입변압기를 내부의 절연유를 신유로 교체 후 유입변압기의 저항 및 철손, 동손을 측정하였을 때 측정이 불가한 것으로 보아 유입변압기의 기능을 상실했음을 예상할 수 있다. 그와 반대로 식물성절연유를 적용한 유입변압기는 전기적 특성을 측정할 수 있었으며 절연유 교체 후 실험과 같은 파형 특성을 보이는 것으로 보아 재생 후에도 변압기 사용이 가능하다는 것을 알 수 있다. 결과적으로 식물성절연유는 환경오염이라는 문제를 해결할 수 있는 광유의 대안책 뿐만 아니라 열화에 따른 절연특성, 장기적 수명 또한 광유보다 우수하다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있다.
또한 구해진 가속열화계수를 열화정도를 산정하는 식을 이용하여 유입변압기의 열화정도를 예측할 수 있다. 유입변압기의 열화정도를 구할 때에는 가속열화계수와 열화시간을 조합하였고 또한 IEEE Std C 57.91 기준에서 제시한 유입변압기 수명인 180000[hours] (약 20.55 년)을 적용하여 계산을 한다면, 식 3과 같이 가속열화를 진행한 유입변압기는 300cycle을 진행하였을 때 104% 정도의 열화가 진행되었다는 것을 계산식으로 확인할 수 있다.
유입변압기를 가속열화를 통해 내부 절연물의 열화정도를 판단하고 장기적으로 변화되는 유입변압기의 절연특성을 알아보기 위해 같은 10kVA급 유입변압기에 광유와 식물성절연유를 채운 뒤 가속열화실험을 진행하였다. 유입변압기의 특성은 단상 13.2kV/230V, 주파수는 60Hz, 전압변동률은 1.83, 효율은 97.84%(역률=1.0)이다. 절연유는 국내 ‘D사’에서 제작된 ‘1종 2호’ 광유와 ‘Biotran-35' 식물성절연유를 사용하였다.
100% 순으로 진행하였으며 그 결과는 그림 3^~6와 같다. 충격시험을 진행함으로써 그림 6와 같이 재단파 100%에서 유입변압기 내부에 이상 현상이 발생했다는 점을 파형을 통해 알 수 있었다.

후속연구

이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 특성을 만족시키면서 환경에 영향을 미치지 않을 절연유 개발이 당연한 수순이었고 1990년대 초반에 미국 ‘C사’에서 식물성절연유가 개발되었다.[1,2] 전력공급에 있어 장기적 안정성이 무엇보다 최우선시 되어야 하는 시대에 광유는 지속적인 연구와 개량을 통해 안정성을 확보하였다고 평가받지만 식물성절연유는 개발과 적용기간이(약 20년) 광유에 비해 짧기 때문에 열화에 따른 절연유의 변화와 장기적 안정성을 실험하기 위해서는 식물성절연유에 가속열화실험을 진행하여 그 안정성을 검증해야 한다. 광유의 경우에는 연구기간이 길기 때문에 이러한 데이터를 토대로 IEEE Std C57.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식물성절연유의 특성은?	외국의 경우 ‘C사’ 와 ‘A사’ 제품을 적용 하여 실제적으로 많은 적용이 되고 있고 우리나라에서도 많은 기업과 연구기관이 식물성절연유를 사용한 중전기기를 개발 중이거나 이미 완료하였다. 기본적으로 식물성절연유는 인화점·발화점이 높고 생분해성이 높은 특성을 가지고 있다. 환경적인 부분에서는 생분해성이 높은 점이 큰 장점인 한편, 대형 유입변압기에서는 화재안정성이 높다는 점이 더 큰 장점으로 부각된다.
	유입변압기의 특성은 무엇인가?	유입변압기를 가속열화를 통해 내부 절연물의 열화정도를 판단하고 장기적으로 변화되는 유입변압기의 절연특성을 알아보기 위해 같은 10kVA급 유입변압기에 광유와 식물성절연유를 채운 뒤 가속열화실험을 진행하였다. 유입변압기의 특성은 단상 13.2kV/230V, 주파수는 60Hz, 전압변동률은 1.83, 효율은 97.84%(역률=1.0)이다.
	유입변압기 내부의 온도변화는 어떻게 측정하였나?	유입변압기 내부에 높은 부하를 걸어줌으로써 변압기 내부에 열을 발생시켰고, 절연유의 온도변화에 의한 열화를 유도하였다. 변압기 내부의 온도변화는 변화기 상부에 온도센서를 배치하여 실시간으로 측정함으로써 변화되는 온도를 파악하였다. 많은 연구를 통하여 유입변압기의 열화온도는 핫스팟의 온도로 결정되는 것이 일반적이고 그 온도는 변압기 내부의 유온에서 20 ℃정도 차이가 난다는 것을 감안하여 실험용 유입변압기의 내부 핫스팟 온도를 예측하였다.

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