[논문]바니쉬 함침에 따른 절연지의 가속 열 열화특성에 관한 연구

김주한; 한상옥; 이세현; 이병성

문제 정의

따라서 본 논문에서는 현채 국내 주상변압기 제조에 널리 사용되고 있는 바니쉬 함침이 절연지에 미치는 영향을 분석하기 위해 가속 열 열화실험을 통해 절연지의 수분함유량과 절연파괴 강도, 비유전율, 그리고 유정정접시험을 수행하였다.
또한 변압기 권선의 단락 기계적 강도를 향상시키기위해 사용되고 있는 바니쉬가 절연지에 미치는 영향을 알아보기 위해 절연지의 바니쉬 함침을 수행하였다. 바니쉬의 희석비율은 바니쉬와 솔벤트의 비율을 변압기 제조업체(J사)에서 사용하는 희석비율과 동일한 1 : 1.
본 논문에서는 변압기의 내부 층간 절연지가 바니쉬함침 유무에 따라 열적 열화를 받았을 때의 조건을 모의 시험하여 절연물의 특성 변화를 평가하였다. 이를 위해 변압기 열화를 둥가화 할 수 있는 모의시험 장치를 구성하였으며 열화가 진행됨에 따라 나타나는 절연물의 특성 변화를 측정화였다*

제안 방법

22 mm이었다. 따라서 시료들 간의 적절한 비교를 위해 측정된 절연파괴전압(kV)을 시료의 두께로 나누어 주어 절연파괴강도 [kV/mm]로 표현하였으며, 측정된 결과는 그림 3에 나타내었다.
변압기 내부에는 절연지, 절연유, 에너멜 동선, 규소강판 외에도 프레임을 구성하는 철재와 권선을 지지해주기 위한 목재(또는 절연판), 2차동선 등이 사용되고 있으나, 본 실험에서는 절연지 및 절연유 열화에 가장 크게 영향을 주는 동선과 규소강판을 동일한 비율로 넣어 실험하였다. 표 1은 50kVA 주상변압기 제조 시 사용되는 각 재료의 대략적인 구성 비율을 나타낸 것이다.
본 논문에서는 바니쉬 함침이 절연지에 미치는 영향을 분석하기 위해 가속 열 열화실험을 통해 절연지의 수분함유량과 절연파괴 강도, 비유전율, 그리고 유정정접 시험 올 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
열화의 진행 상태를 파악하기 위해 100시간마다 절연지를 채취하여 전기적, 화학적 특성을 분석하였다.
절연물의 특성 변화를 평가하였다. 이를 위해 변압기 열화를 둥가화 할 수 있는 모의시험 장치를 구성하였으며 열화가 진행됨에 따라 나타나는 절연물의 특성 변화를 측정화였다*
spectrometer)를 사용하였다. 절연지 시료는 절연유에 함침하여 진공펌프를 이용해 기포를 충분히 제거한 후 측정을 수행하였으며, 측정조건은 변압기 운전조건을 감안하여 상용주파수에서 20T4이: 구간의 온도에서 수행하였으며, 비유전율과 유전정접(tan6)을 측정하였다.
내부의 기포를 제거하였다. 절연지는 수분을 제거하기 위해 진공건조오븐을 이용하여 105X:에서 약 4시간 동안 건조시킨 후, 기포를 제거한 절연유에 함침하여 절연지 내부의 기포를 제거한 후 가속 열화 모의시험 셀에 옮겨 실험하였다.
5 로하여 40wt%로 절연지 함침용 바니쉬를 준비하였다. 절연지의 바니쉬 함침 처리는 먼저 건조한 절연지를 준비된 바니쉬에 한 시간 동안 함침시킨 후, 절연지 내부에 포함하고 있는 기포를 제거하기 위해 전술한 바와 같은 방법으로 진공펌프를 이용하여 기포를 제거하였으며, 바니쉬의 경화를 위해 진공건조오븐의 105℃에서 10시간 동안 건조시킨 후 가속 열화 셀에 즉시 넣어 실험을 수행하였다.
절연지의 열화특성을 평가하고 분석하기 위해 실제 변압기를 둥가화한 소형 시험용 열화셀이 사용되었으며, 밀폐된 용기 내에서 절연물을 장시간 고온으로 열화시키면서 평가하였다.
절연지의 절연내력을 측정하기 위해 절연파괴전압 시험기 (MEGGER FOSTER此 OTS 60 AF/S)를 사용하였다. 이 시험기는 유함침 상태에서 절연파괴 전압을 측정하는 방법으로 KS C IEC 60544-2 전기용 셀룰로오스 페이퍼 시험방법에 따라 측정하였다.
측정온도는 변압기 운전조건을 감안하여 상용주파수에서 20-140C 구간의 온도에서 수행하였으며, 비유전율과 유전정접(tan 6)을 측정하였다. 그림 4(a)와 그림 4(b)는 바니쉬 함침유무에 따른 절연지의 열적 열화 후 비유전율 변화를 각각 측정한 것이다.

대상 데이터

시험 셀 내부의 시료는 주상변압기 50kVA 급에서 사용되고 있는 구성 자재와 동일한 비율로 하여 구성하였다. 변압기 내부에는 절연지, 절연유, 에너멜 동선, 규소강판 외에도 프레임을 구성하는 철재와 권선을 지지해주기 위한 목재(또는 절연판), 2차동선 등이 사용되고 있으나, 본 실험에서는 절연지 및 절연유 열화에 가장 크게 영향을 주는 동선과 규소강판을 동일한 비율로 넣어 실험하였다.

이론/모형

바니쉬 함침 유무에 따른 절연지의 유전특성을 분석하기 위해 유전열 분석기(Novo Control社, broad band dielectric spectrometer)를 사용하였다. 절연지 시료는 절연유에 함침하여 진공펌프를 이용해 기포를 충분히 제거한 후 측정을 수행하였으며, 측정조건은 변압기 운전조건을 감안하여 상용주파수에서 20T4이: 구간의 온도에서 수행하였으며, 비유전율과 유전정접(tan6)을 측정하였다.
이 시험기는 유함침 상태에서 절연파괴 전압을 측정하는 방법으로 KS C IEC 60544-2 전기용 셀룰로오스 페이퍼 시험방법에 따라 측정하였다.
절연지의 열화에 의해 발생되는 수분량을 분석하고자, 시험셀 내에서 열화된 절연지의 수분 함유량을 측정하였으며, 통상적으로 사용되고 있는 전기량 적정 방법 (Karl Fisher Titration Method)을 이용하였다.

성능/효과

(1) 바니쉬 함침 절연지의 경우, 미함침 절연지에 비해 수분함유량이 적은 것을 확인하였다.
(2) 절연지의 절연파괴강도는 열화시간이 길어짐에 따라 큰 변화는 없었으나 바니쉬 함침시 절연파괴 강도가 향상되었음을 확인하였다.
(3) 바니쉬 함침 절연지의 비유전율과 유전정접(tan 5)은미함침 절연지에 비해 높게 나타났으며, 열화 시간이 길어질수록 더욱 크게 나타났다.
유전정접(tan6)을 측정한 결과이다. 그림에서 알 수 있듯이 대체적으로 열화시간이 증가함에 따라 (tan6) 역시 증가하는 경향을 보였으며, 바니쉬 함침처리를 한 절 연지의 유전정접(tan6)이 보다 높게 나타났음을 확인할 수 있었다.
그림에서 알 수 있듯이 열화된 크래프트지의 경우 일정 온도 이상부터 비유전율이 급격히 증가함을 알 수 있었으며, 바니쉬 함침 절연지의 경우 열화에 따른 비유전율 중가가 더욱 크게 나타났다.
대체로 절연지의 비유전율은 열화시간에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 어느 정도의 비례관계가 확인되었다. 그림에서 알 수 있듯이 열화된 크래프트지의 경우 일정 온도 이상부터 비유전율이 급격히 증가함을 알 수 있었으며, 바니쉬 함침 절연지의 경우 열화에 따른 비유전율 중가가 더욱 크게 나타났다.
또한 바니쉬 함침 절연지보다 바니쉬 미함침 절연지의 수분함유량이 큰 것으로 나타났다. 바니쉬 처리를 한 절연지의 경우, 수분함유량이 낮게 나타난 것은 바니쉬 코팅으로 인해 셀룰로스의 다공질에 막을 형성하여, 수분흡수 특성이 저하되었기 때문일 것으로 판단된다.
변화는 없는 것으로 판단된다. 또한 바니쉬 함침처리를 실시한 절연지의 절연파괴강도가 다소 높게 나타는데 이는 절연 바니쉬의 특성상 절연지의 전기적 특성 향상이 있음을 알 수 있다.

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