대부분의 변압기에 사용되고 있는 절연유는 석유계 원료를 이용한 광유계 절연유였으나 유출시 환경오염, 낮은 인화점으로 인한 화재 위험성을 가지고 있어 보다 친환경 식물성 원료를 활용한 절연유 도입이 최근 검토되고 있다. 그러나 식물성 절연유의 높은 생분해성과 인화점으로 절연유로서의 높은 적용가능성에도 불구하고 장기운전에 의한 열화가 미치는 영향에서는 아직 많은 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 변압기의 구성요소를 감안하고 실제 운전조건보다 높은 $150^{\circ}C$에서 2주간의 가속열화 시험을 통해 전산가, 수분, 절연파괴전압 등의 주요물성 변화를 통해 식물성 절연유 산화특성과 이 과정에서 생성되는 용존 가스 분석을 실시였다. 이를 통해 식물성 절연유가 기존 광유계 절연유 대비 친수성에 의한 전산가 상승에도 불구하고 절연성능을 유지하는 특징을 가지고 있으며 가스 성분 비교를 통해 주어진 온도 조건에서 우수한 열안정성을 나타내고 있음을 확인하였다.
대부분의 변압기에 사용되고 있는 절연유는 석유계 원료를 이용한 광유계 절연유였으나 유출시 환경오염, 낮은 인화점으로 인한 화재 위험성을 가지고 있어 보다 친환경 식물성 원료를 활용한 절연유 도입이 최근 검토되고 있다. 그러나 식물성 절연유의 높은 생분해성과 인화점으로 절연유로서의 높은 적용가능성에도 불구하고 장기운전에 의한 열화가 미치는 영향에서는 아직 많은 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 변압기의 구성요소를 감안하고 실제 운전조건보다 높은 $150^{\circ}C$에서 2주간의 가속열화 시험을 통해 전산가, 수분, 절연파괴전압 등의 주요물성 변화를 통해 식물성 절연유 산화특성과 이 과정에서 생성되는 용존 가스 분석을 실시였다. 이를 통해 식물성 절연유가 기존 광유계 절연유 대비 친수성에 의한 전산가 상승에도 불구하고 절연성능을 유지하는 특징을 가지고 있으며 가스 성분 비교를 통해 주어진 온도 조건에서 우수한 열안정성을 나타내고 있음을 확인하였다.
Mineral oil is the most widely used for electrical transformer, though some factors should be considered such as their environmentally harmfulness when it spill and low flash point. To cover these disadvantages, vegetable oil has developed because of its high biodegradability and thermal stability. ...
Mineral oil is the most widely used for electrical transformer, though some factors should be considered such as their environmentally harmfulness when it spill and low flash point. To cover these disadvantages, vegetable oil has developed because of its high biodegradability and thermal stability. However, it is necessary that many studies should conduct to reveal the detailed impacts of long-term operation as transformer oil. In this paper, we applied the accelerated aging test which simulate the real transformer circumstances using insulation paper, coil, steel at $150^{\circ}C$, which is higher than normal operation, for 2 weeks. To figure out the oxidation characteristics between mineral oil and vegetable oil test major properties and components such as total acid number, dielectric breakdown and dissolved gas components during that period. As a result of these tests, we found that vegetable oil has higher electric insulation ability than mineral oil though poor total acid number by hydrophile property. Vegetable oil also kept its thermal stability under the given circumstances.
Mineral oil is the most widely used for electrical transformer, though some factors should be considered such as their environmentally harmfulness when it spill and low flash point. To cover these disadvantages, vegetable oil has developed because of its high biodegradability and thermal stability. However, it is necessary that many studies should conduct to reveal the detailed impacts of long-term operation as transformer oil. In this paper, we applied the accelerated aging test which simulate the real transformer circumstances using insulation paper, coil, steel at $150^{\circ}C$, which is higher than normal operation, for 2 weeks. To figure out the oxidation characteristics between mineral oil and vegetable oil test major properties and components such as total acid number, dielectric breakdown and dissolved gas components during that period. As a result of these tests, we found that vegetable oil has higher electric insulation ability than mineral oil though poor total acid number by hydrophile property. Vegetable oil also kept its thermal stability under the given circumstances.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
변압기용 절연유 열화에 따른 물성 변화 경향을 관찰하기 위해 최대한 변압기 운전환경을 실제와 유사하게 재현하기 위해 노력하였으나 변압기내 열화인자인 전계, 열, 수분 및 산소와 같은 모든 인자를 한 번에 구현하는데 한계가 있어 본 연구에서는 전계에 의한 고온 영향을 제외한 나머지 인자를 검토하였다. 각 절연유가 변압기를 구성하고 있는 철심, 권선, 절연물에 의한 영향을 조사하기 위해 내부 구성요소를 확보하고 Table 2와 같이 실제 변압기에 적용되는 비율로 가속열화를 위한 시료를 무게기준으로 구성하였다[9].
제안 방법
3종의 절연유 가속열화에 의한 생성가스 특성을 알아보기 위해 일정 주기별로 채취하여 광유계 절연유대비 식물성 절연유의 용존 가스 특성을 비교하였다. 분석항목은 Table 5와 같이 광유계 절연유 기준으로 상대적으로 낮은 온도 조건(overheated oil)에서 열 분해되는 가스로 알려진 CH4, C2H4, C2H6이며 고온(Corona)에서 생성되는 것으로 알려진 H2, 그리고 외부 산소공급이 제한적인 상황에서 절연지의 산화로 얻어지는 CO, CO2 으로 진행되었다.
과 같이 셀을 고정하였다. 가속열화를 위한 시료 및 장치구성은 전체 12주 동안 진행 하였다
변압기용 절연유 열화에 따른 물성 변화 경향을 관찰하기 위해 최대한 변압기 운전환경을 실제와 유사하게 재현하기 위해 노력하였으나 변압기내 열화인자인 전계, 열, 수분 및 산소와 같은 모든 인자를 한 번에 구현하는데 한계가 있어 본 연구에서는 전계에 의한 고온 영향을 제외한 나머지 인자를 검토하였다. 각 절연유가 변압기를 구성하고 있는 철심, 권선, 절연물에 의한 영향을 조사하기 위해 내부 구성요소를 확보하고 Table 2와 같이 실제 변압기에 적용되는 비율로 가속열화를 위한 시료를 무게기준으로 구성하였다[9].
본 과제에서는 국내외 공급 가능한 식물성 절연유 2종과 광유계 절연유 1종을 대상으로 실제 변압기에 사용되는 동일한 구성요소인 절연지와 철심, 권선을 침지시킨 후 장기 가속 열화시험을 통해 열분해에 의한 용존 가스 성분 특성을 비교·검토하고 주요 절연 물성 분석을 통한 절연 성능 변화여부를 검토하였다.
분석 조건 및 시료 변화를 관찰할 수 있도록 재질은 PyrexTM로 제작하였으며 보관이 용이하도록 별도 tray를 제작하여 Fig. 1.과 같이 셀을 고정하였다. 가속열화를 위한 시료 및 장치구성은 전체 12주 동안 진행 하였다
3종의 절연유 가속열화에 의한 생성가스 특성을 알아보기 위해 일정 주기별로 채취하여 광유계 절연유대비 식물성 절연유의 용존 가스 특성을 비교하였다. 분석항목은 Table 5와 같이 광유계 절연유 기준으로 상대적으로 낮은 온도 조건(overheated oil)에서 열 분해되는 가스로 알려진 CH4, C2H4, C2H6이며 고온(Corona)에서 생성되는 것으로 알려진 H2, 그리고 외부 산소공급이 제한적인 상황에서 절연지의 산화로 얻어지는 CO, CO2 으로 진행되었다.
수분에 의한 영향을 최소화하기 위해 확보된 절연유를 탈기․탈수 작업을 실시하고 국내 품질기준을 참고하여 주요항목을 측정하였다. 그 결과 Table 4와 같이 주요 항목에서 Table 1에 명기된 신유기준의 국내 품질 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
절연유 가속열화 장치 제작에 있어 시료 내 혼입된 수분에 의한 고온 팽창과 셀의 파손을 최소화하기 위해 절연유 3종에 대한 탈기·탈수를 수행하였으며 적정 열화 온도 선정을 통해 시료에서 과도한 유증기 발생으로 인한 오차 발생을 줄여야할 필요가 있다. 이 때문에 품질기준상의 광유계 절연유(140℃)와 식물성 절연유 인화점(250℃)을 고려하여 열화 온도를 150℃으로 선정하였다. IEEE C57.
1배 열화속도가 증가한다. 이러한 상관관계를 바탕으로 식(2)에 2,000시간 운전 후 변압기의 수명을 예측하면 초기대비 45.1% 수명감소율을 추정할 수 있으며 본 연구에서는 동일한 조건에서 광유와 식물성 절연유를 150℃조건에서 2,040시간동안 가속열화(46% 수명감소율)시키는 동안 발생되는 용존 가스 및 주요 물성 변화를 비교 검토하였다[11,12].
주어진 온도조건과 기간 동안 절연유의 가속열화 시험을 위해 측정 셀을 제작하고 이 과정에서 초기 2주는 시료의 초기 물성 및 성분변화를 측정하기 위해 2∼3일 간격으로, 이후에는 2주에 1회씩 샘플링을 통해 주요 물성 및 용존 가스를 분석하였다.
확보된 광유계 절연유와 식물성 절연유의 구성성분 차이를 규명하기 위해 FT-IR을 이용하여 차이를 비교 검토하였다. 그 결과 대부분 파라핀 계열로 구성되어 있어 C-C 결합이외 특이피크가 보이지않은 광유계 절연유와는 달리 식물성 절연유에서 다양한 피크가 관찰되었는데 파수(Wave number) 3,000㎝-1에서 나타나는 C=C 결합과 1720㎝-1에서 나타나는 C=O가 대표적이다.
대상 데이터
이를 근거로 본 연구에 사용된 식물성 절연유는 해외에서 대두유를 이용하여 제조한 제품과 국내에서 대두유와 채종유를 이용하여 상업 생산중인 2종과 기존 중대형 변압기에서 광범위하게 이용 중인 광유계 절연유 1종 4호를 포함한 3종을 확보하였다.
성능/효과
150℃온도 조건에서 12주 동안 실시한 가속열화시험에서는 시료채취단계에서 외기 노출여부, 시료채취 후 분석까지의 소요 시간에 따라 분석 장비에 따른 재현․반복성 차이는 있으나 시료 산화에 의한 전산가와 절연지 열화로 생성된 수분의 증가를 확인할 수 있었다. 다만 식물성절연유의 높은 수분함량과 전산가 결과에도 불구하고 절연성능을 나타내는 절연파괴전압이 유지되는 것으로 식물성 절연유의 수분 포화도가 광유계 절연유보다 우수한 것을 확인할 수 있었다.
이 결과로 식물성 절연유의 열화특성이 광유계 절연유보다 우수한 것으로 추정할 수 있다. 가연성 가스는 아니지만 기존 광유계 절연유를 사용한 변압기의 절연지 수명을 간접적으로 추정할 수 있는 CO와 CO2 분석 결과에서도 광유계 절연유가 높은 값을 가지는 것으로 나타났는데 식물성 절연유에서도 완만한 증가 경향을 도출할 수 있었다. 광유계 절연유에는 분자구조상 산소원자가 없으므로 측정되는 산소함량이 대부분 절연지에서 유래한 것으로 추정할 수 있으나, 식물성 절연유의 경우 주원료 성분에 산소를 포함하고 있어 CO와 CO2 농도 변화만으로 절연지 열화를 추정하는 기존 방법은 추후 보완이 필요할 것으로 예상된다.
국내외 식물성 절연유 2종과 대조군으로 광유계 절연유를 확보하여 기본 물성을 분석한 결과 식물성 절연유 구성성분의 높은 분자량과 극성으로 인해 대부분의 물리적 성능이 광유계 절연유보다 우수한 것으로 나타났다. 다만 이러한 특성 때문에 저온성 지표인 유동점은 높게 형성되는 것으로 나타남에 따라 겨울철 장기간 외기에 노출시키는 경우 사용에 제약이 있을 것으로 보인다.
확보된 광유계 절연유와 식물성 절연유의 구성성분 차이를 규명하기 위해 FT-IR을 이용하여 차이를 비교 검토하였다. 그 결과 대부분 파라핀 계열로 구성되어 있어 C-C 결합이외 특이피크가 보이지않은 광유계 절연유와는 달리 식물성 절연유에서 다양한 피크가 관찰되었는데 파수(Wave number) 3,000㎝-1에서 나타나는 C=C 결합과 1720㎝-1에서 나타나는 C=O가 대표적이다. 이를 근거로 식물성 절연유의 원료가 되는 트리글리세라이드(Triglyceride)에 존재하는 Ester(R-CO-OR’) 결합과 Alkyl기의 이중결합으로 이루어졌음을 유추할 수 있으며 앞의 Table 4와 같은 절연유 간의 물성차이가 분자구조상의 차이에 기인했음을 추정할 수 있었다.
150℃온도 조건에서 12주 동안 실시한 가속열화시험에서는 시료채취단계에서 외기 노출여부, 시료채취 후 분석까지의 소요 시간에 따라 분석 장비에 따른 재현․반복성 차이는 있으나 시료 산화에 의한 전산가와 절연지 열화로 생성된 수분의 증가를 확인할 수 있었다. 다만 식물성절연유의 높은 수분함량과 전산가 결과에도 불구하고 절연성능을 나타내는 절연파괴전압이 유지되는 것으로 식물성 절연유의 수분 포화도가 광유계 절연유보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 보다 자세한 열화특성을 검토하기 위해 일정 주기마다 채취한 시료에서 측정한용존 가스에서는 광유계 절연유와 식물성 절연유사이의 차이를 확인할 수 있었는데 C2H6에서는 유사한 패턴이 측정되었으나 기타 연소성 가스인 CH4와 C2H4등 에서는 광유계 절연유가 식물성 절연유보다 높게 나타났다.
유동점의 경우에도 중반이후 값 변화가 측정되었지만 실질적인 변화 보다는 재현 반복성 오차이내의 변동으로 해석된다. 다만, 수분에 있어서 식물성 절연유와 광유계 절연유 그리고 난연유 모두 꾸준하게 증가하는 경향을 나타내었는데 테스트 기간 중 시료는 외부와 격리되었고 오븐의 온도가 150℃로 유지되었다는 점에서 증가된 수분의 양은 대기 중에 존재한 수분이아니라 절연유와 함께 가속열화를 위해 넣었던 절연지의 열화로 절연지를 이루고 있는 셀룰로오스구조가 파괴되면서 생성된 것으로 추정된다.
다만 식물성절연유의 높은 수분함량과 전산가 결과에도 불구하고 절연성능을 나타내는 절연파괴전압이 유지되는 것으로 식물성 절연유의 수분 포화도가 광유계 절연유보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 보다 자세한 열화특성을 검토하기 위해 일정 주기마다 채취한 시료에서 측정한용존 가스에서는 광유계 절연유와 식물성 절연유사이의 차이를 확인할 수 있었는데 C2H6에서는 유사한 패턴이 측정되었으나 기타 연소성 가스인 CH4와 C2H4등 에서는 광유계 절연유가 식물성 절연유보다 높게 나타났다. 이 결과로 식물성 절연유의 열화특성이 광유계 절연유보다 우수한 것으로 추정할 수 있다.
과 같다. 비교적 낮은 온도의 산화로 인해 분석 기간 중에 주요한 변화는 나타나지 않은 것으로 보이지만 7주차(168시간)부터 식물성 절연유의 전산가가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 절연파괴전압 수치에 유의미한 변동이 없어 직접적인 절연기능 저하로 이어지지는 않은 수치로 추정되며 동점도 와 비중에서도 식물성 절연유 결과 값이 상승하는 것으로 나타났으나 그 폭이 낮아 의미 있는 변화로 보기에는 어려움이 있다.
보다 자세한 열화특성을 검토하기 위해 일정 주기마다 채취한 시료에서 측정한용존 가스에서는 광유계 절연유와 식물성 절연유사이의 차이를 확인할 수 있었는데 C2H6에서는 유사한 패턴이 측정되었으나 기타 연소성 가스인 CH4와 C2H4등 에서는 광유계 절연유가 식물성 절연유보다 높게 나타났다. 이 결과로 식물성 절연유의 열화특성이 광유계 절연유보다 우수한 것으로 추정할 수 있다. 가연성 가스는 아니지만 기존 광유계 절연유를 사용한 변압기의 절연지 수명을 간접적으로 추정할 수 있는 CO와 CO2 분석 결과에서도 광유계 절연유가 높은 값을 가지는 것으로 나타났는데 식물성 절연유에서도 완만한 증가 경향을 도출할 수 있었다.
이 밖에 광유계 절연유의 CO, CO2가 급격하게 증가되고 식물성 절연유에서도 완만한 증가세가 나타났는데 해당 시료의 외부 산소분자 공급이 극히 제한적이었다는 점에서는 동일한 조건이지만 광유계절연유에서 CO의 증가는 절연지의 열화에 의해 생성되었을 가능성이 높은 반면 식물성 절연유의 경우 절연유 구성성분에 포함되어있던 Ester(R-CO-OR’) 결합이 분해되는 과정에서 생성될 수 있다는 점에서 광유계 절연유와는 다른 의미를 가지는 것으로 해석 가능하다.
후속연구
가연성 가스는 아니지만 기존 광유계 절연유를 사용한 변압기의 절연지 수명을 간접적으로 추정할 수 있는 CO와 CO2 분석 결과에서도 광유계 절연유가 높은 값을 가지는 것으로 나타났는데 식물성 절연유에서도 완만한 증가 경향을 도출할 수 있었다. 광유계 절연유에는 분자구조상 산소원자가 없으므로 측정되는 산소함량이 대부분 절연지에서 유래한 것으로 추정할 수 있으나, 식물성 절연유의 경우 주원료 성분에 산소를 포함하고 있어 CO와 CO2 농도 변화만으로 절연지 열화를 추정하는 기존 방법은 추후 보완이 필요할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2015년 국내 발전 총량은?
2015년 국내 발전 총량은 528,091 GWh으로 이를 원활하게 이용하기 위해 전국 822개 변전소가 운영되고 있으며 여기에 설치된 변압기의 용량은 약 298,000 MVA에 달하고 있다. 뿐만 아니라 다양한 수요처로 공급하기 위해 운영되는 배전용 변압기는 210만개 이상 설치․운영되는 상황이다.
식물성 절연유의 장점은?
1990년대 중반에 미국을 중심으로 개발된 식물성 절연유는 식물유지를 원료로 저분자 알코올과 촉매를 이용한 에스테르화 반응을 통해 생산되어진다. 기존 광유계 절연유대비 동등하거나 그 이상의 절연내력과 인화점을 가지고 있으며 외부 유출시 30일내에 90%이상의 생분해성을 가지고 있다는 장점이 있는 것으로 알려져 있다[3]. 우리나라도 이러한 친환경 원료의 이용 및 보급 확대를 위하여 2015년 KS C IEC 62770으로 식물성 절연유관련 신유의 품질과 분석 방법에 대한 기준을 제정하였다.
향후 산업화에 따른 산업구조 변화는 어떠한가?
뿐만 아니라 다양한 수요처로 공급하기 위해 운영되는 배전용 변압기는 210만개 이상 설치․운영되는 상황이다. 향후 산업화에 따른 산업구조 변화는 도시의 팽창을 촉진시키고 가구당 소득 증가에 따른 소비 수준의 향상은 전기 소비를 지속적으로 증가시키고 있어 그 어느 때보다 전력공급의 높은 신뢰도를 필요로 하고 있다[1].
참고문헌 (14)
KEPCO, 2015 KEPCO in Brief, KEPCO Power Market & Policy Department, 2016, 5, 9-10.
J. S. Ahn, Analysis of Accelerated aging Environment-friendly Natural ester in Distributional Transformers, Inha University, 2011, 14.
D. S. Kwag, Breakdown Properties for Insulation Design of the Environment-Friendly Pole Transformer using the Vegetable Insulating Oil, Journal of the KOSOS, 2011, 26, 6, 7-12.
K. S. Shin, Degradation Characteristics of Mixed Insulation Oils(Mineral Oil/Vegetable Oil), Myongji University, 2013, 19-22.
Tenbohlen, s., Koch, M., Aging Performance and Moisture Solubility of Vegetable Oils for Power Transformers, IEEE Trans. on power Delivery, 2010, 25, 2, 825-830.
KS C IEC 2301-2015, Electrical insulating oils, KATS, 2015.
KS C IEC 62770-2015, Fluids for electrotechnical applications-Unused natural esters for transformers and similar electrical equipment, KATS, 2015.
S. H. Choi, J. I. Jeong, C. S. Hug, Analysis on the Chemical Characteristic of Vegetable Oil by Accelerated Aging, Trans. KIEE, 2011, 60, 5, 684-689.
IEEE Std. C.57.91-1995, IEEE Guide for Loading Mineral Oil Immersed Transformer, IEEE, 1995.
McShane, C.P., Rapp, K.J., Corkran, J.L., Gauger, G.A., Luksich, J., Aging of paper insulation in natural ester dielectric fluid, Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2001, 2, 675-679.
Amaah, Md., Islam., S.M., Chami, S., Ienco, G., Analyses of physical characteristics of vegetable oils as an alternative source to mineral oil-based dielectric fluid, IEEE international conference on Dielectric Liquids(ICDL), 2005, 397-400.
IEC 60599-2007, Mineral oil-impregnated electrical equipment in service-Guide to the interpretation of dissolved and free gases analysis, IEC, 2007, 8.
Imad-U-Khan, Zhongdong Wang, Susan Northcote, Dissolved Gas Analysis of Alternative Fluids for Power Transformers, IEE Electrical Insulation Magazine, 2007, 23, 5, 5-14.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.