■ 전기절연유의 용도에 따른 분류
1) 변압기유,차단기유
변압기유는 주상변압기와 같은 소형변압기에서 발전소에서 볼 수 있는 고전압 대용량변압기에 사용되는 오일로 사용중 항상 40’C - 90’C의 온도로 유지하고 있으며 (실제로는 평균 60’C정도의 온도를 유지함.) 전압이 600 Volt에서 수십만Volt (330,000 Volt)까지 올라가게된다.
절연성능은 오일의 본질보다는 불순물이나 협잡물에 의해 영향을 받는 경우가 많으므로 취급에 주의가 요구된다.개폐를 하는 오일스위치 등의 안에서 절연역할을 하는 오일로 변압기유와 같은 성능이 요구된다.
2) 콘텐서유, 케이블유
전력용 고압대용량 콘덴서나 케이블은 유조정탱크를 비치하고 유압을 가하여 내부를 전기절연유로 보충하여 빈틈이 생기지 않도록 구조로 되어 있는데 여기에 사용하는 전기절연유는 저온특성이 우수하고 사용온도에서 대류에 의한 순환냉각을 잘할 수 있도록 저점도의 오일이 요구된다.유전정접이 작고 하전시 안정성이 우수한 오일이 바람직하다.Cable오일의 경우, 유전손실을 최소로 제거하기 위해 유전율,유전정접이 적은 것이 요구되고 있으며 Condenser의 경우 그 설계에 있어서 유전율이 큰 것이 바람직하다.Condenser Cabel에 사용되는 절연유는 강한 전기적인 Stress를 받아 중함 또는 축합반응과 같은 화학반응이 일어난다. 그결과 Gas가 발생되고 희귀하게는 Wax를 생성시키기도 한다.
방향족 탄화수소는 이렇게 발생된 Gas를 흡수하지만 정제도가 높거나 Paraffinic함량이 높은 유제에 있어서는 Gas를 흡수할 수 없기 때문에 공진이 생겨서 이부분에서 전기적 Stress가 강하게 가해지게 되어 국부파괴를 초래하여 사고가 일어나게 되는 수도 있다.콘덴서유의 가장 중요한 특성중의 하나는 내코로나성으로서 모델콘덴서를 제작하여 평가하기 전에 탁상시험으로서 일본에서 개발된 가시가스시험이 주목되고 있다. 이 시험은 콘덴서의 전극단을 본 따 소자에 고전압을 걸어 방전에 의한 기포가 발생할 때의 전압을 측정하는 것으로 비교적 간편하고 또한 실용성능 역시 좋기 때문에 IEC, CIGRE에서도 검토되고 있다.
■ 전기절연유의 요구특성 (변압기유)
전기절연유에 요구되는 일반적인 특성들로는 다음과 같은 것들이 있을 수 있다.
- 전기적 특성이 양호할 것 (절연파괴전압, 유전정접, 체적저항률)
- 냉각작용이 클 것. (대류에 의한 열전달이 용이하도록 충분히 낮은 점도)
- 산화 및 열안정성이 우수할 것
- 우수한 저온유동성
- 고전계하에서 안정할 것 (내코로나성) - 가스흡습성
- 인화의 위험성이 적을 것 (화재방지를 위한 높은 인화점)
- 내부식성이 없을 것 (화학적으로 중성이고 부식성 황화합물이 없어야 함.)
- 전기적 특성이 양호할 것
- 냉각작용이 클 것
- 산화 및 열 안정성이 우수할 것
- 우수한 저온유동성
- 고전계하에서 안정할 것
- 화재위험성이 적을 것
- 내부식성이 없을 것
1) 전기적특성
사용하지 않은 오일에 대한 전기특성을 평가하는 항목으로는 절연파괴전압, 유전정접, 체적저항률이 있다.
(1) 절연파괴전압
절연체에 걸리는 전압의 크기가 어느 정도 이상에 달했을 때, 그 물질이 절연성을 잃고 비교적 큰 전류를 통하게 되는 현상을 절연파괴라 하는데 이때의 전압을 절연파괴전압이라 한다.
(2) 유전정접
절연유와 같은 유도체는 전기적으로 중화상태를 유지하고 있으나 여기에 전류를 가하면 유전분극현상이 일어난다. 교류전류에서는 분극의 형성에는 시간이 걸려서 유전손실이 생겨서 이로인한 에너지가 열에너지로 소비되기 때문에 전력손실이 생긴다. 이 전력손실의 대소를 나타내는 지수가 유전정접인데 손실값을 tanб로 나타낸다.
유전정접은 전기절연유의 정제도,수분이나 먼지등의 혼입, 오일의 노화도,주파수,온도등에 의하여 좌우되고 수분의 증가와 더불어 tanб는 거의 직선적으로 저하된다. 일반적으로 유전정접이 낮을수록 우수한 전기절연유로써 평가를 받는다.
(3) 체적저항률
전기절연유에 직류전압을 가하면 미량의 전류가 유중에 흐른다. 이 미 량의 전류를 단위체적당으로 표시하여 기지의 기존저항과 비교하여 Ωcm으로 표시한 것이 체적저항률이다. 체적저항률은 수분,먼지의 영향을 받기 쉽고 특히 수분이 30 ppm이상 존재하면 급격히 저하된다. 체적저항률이 높을수록 우수한 전기절연유이다.
2) 냉각작용
전류가 유체중을 흐를 때 저항에 의한 발열이 생긴다. 이 발열이 절연유의 온도상승을 일으켜 절연유의 노화나 고장의 원인이 되므로 전기절연유는 사용장소에서 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각작용이 필요하다. 일반적으로 변압기에는 방열판을 제외한 냉각장치가 없기 때문에 자연대류현상이 원활히 일어나게 하기 위해 저점도 오일을 사용하게 된다. 일반적으로 판매되고 있는 광유계 절연유의 경우 점도가 40’C를 기준으로 7 ~ 9 cSt를 유지하고 있으며 점도지수가 90이상인 제품은 없는 것으로 알려져 있다.
3) 산화안정성
전기절연유의 사용온도범위는 40 - 90 ‘C라고 알려져있고 통상적인 온도는 60’C부근이지만 국부적으로 100’C이상의 고온이 될 수 있으므로 산화안정성이 고려되어야 한다.
소비자들은 산화안정성이 오일의 수명과 직접적인 관계가 있다고 보고 있으나 산화방지제의 첨가에 의해 향상될 수도 있다. 산화안정성에는 방향족탄화수소량이 관계가 있으며, n-d-M 환분석에서 Ca %가 보통 10 - 15 %일때 가장 적합하다고 한다. 이 최적 방향족성분량을 초과하여 과정제한 오일은 산화안정성시험에서 산가의 증가가 크고, 반대로 저정제한 오일의 경우 산화보다는 슬러지의 성분이 뚜렷하게 증가하는 경향이 있다. 중형이상의 변압기에서는 절연유와 공기가 서로 접촉되지 않도록 박막콘덴서방식 또는 질소봉입방식이 오래전부터 채용되어 왔기 때문에 약 25년정도 사용한 절연유의 전산가가도 0.1 mgKOH/g에 불과하기 때문에 비교적 온화한 조건의 산화안정성 시험이 이루어지고 있다.
광유의 정제도를 높여 산화특성을 좋게한 절연유가 변압기에서의 실기시험에 있어서도 양호한 결과를 나타내는 것으로 보고되고 있다.
4) 고전계하의 안정성 - Gas흡습성
고전계하에서의 컨덴서유나 케이블유는 가스를 발생하기 쉽다. 이 가스의 90% 전후가 수소가스이고, 그 밖에도 메탄,에탄,아세틸렌등이 혼합되어 있다.
전계하에서 Naphthenic Hydrocarbon 및 Aromatic Hydrocarbon의 경우 비교적 분해가스의 발생이 적고 안정하지만 Paraffinic Hydrocarbon의 경우 많은 분해가스가 발생된다. 즉, Gassing Tendency (ASTM D 2300)으로 시험했을 때 Aromatic Hydrocarbon이 많이 포함되어 있는 Oil의 경우 수소가스를 흡수하는 즉 (-)값을 나타내지만 Paraffinic Hydrocarbon Content가 많은 경우 (+)값을 나타내게 된다.
또한, 방향족탄화수소는 안정할 뿐만 아니라 수소가스가 공존하게 되면 이것을 흡수하는데 과정제에 의해 이러한 특성이 상실되게 되면 내코로나성이 저하되게 된다.
일반적으로 파라핀계 Base를 절연유로 사용할 때에는 가스발생형이 되어 가스흡습성이 떨어지는 것으로 알려져있다. 그래서 필요에 따라서 첨가제를 투입하거나 가스흡습성이 큰 Alkylbenzene과 혼합하여 사용되고 있는 예들도 있다. 현재 내코로나성이 양호한 오일로는 방향족탄화수소 이외에 알킬벤젠, 알킬나프탈렌등의 합성유가 있다.
5) 저온성
저온 유동성 규격은 온도가 낮은 영역에서 작업성을 고려하고 저온에서도 절연유의 대류현상에 의해 냉각작용이 일어나도록 KS에서는 유동점을 - 30’C로 규정하고 있는데 미국과 같이 광대한 지역에서 사용되는 절연유를 규정하고 있는 ASTM에서는 - 40’C이하로 정하고 있다. 일반적으로 Paraffinic Base Oil의 경우 Naphthenic Base에 비해 저온유동성이 떨어지기 때문에 절연유로 사용되지 못하고 있었던 원인중에 하나이다.
6) 유동대전현상
유동대전은 유전정접과 유사한 현상인데 서로 상이한 상을 가지는 면에서 일어나는 계면동전현상을 유동대전이라 한다. 즉, 유동대전현상은 절연유와 절연지사이에서 주로 일어나는 현상을 말한다.
절연유와 절연지사이에 음이온과 양이온이 동수라면 어떠한 문제도 없지만 어떠한 원인에 의해 양이온과 음이온이 동수가 되지 않을 때 잉여 이온이 정전기로 관측되는데 이렇게 유동을 수바나하여 일어나는 정전기대전을 유동대전이라고 한다. 유중의 미량성분(유황화합물,질소화합물,수분,등)이 대전하기 쉬운 것으로 생각되어 지고 있다.
절연유의 대전을 제거하는 방법으로는 동불활성화제인 벤조트리아졸 또는 열안정성이 좋은 알킬벤젠의 혼합이 유효한 것으로 보고되고 있다. 이것은 절연유의 열화를 방지하고 유중의 이온성물질의 증대를 제어하므로서 대전제어에 기여하는 것으로 생각되어진다.
절연유와 절연지와의 유동대전에서 절연유가 정히 대전하는 것은 절연지주의 수산기, 알데히드기, 카르복실기등의 극성기가 유중의 음이온을 흡착하기 때문이며 벤조트라아졸은 고립전자대를 갖는 질소원자에 의해 절연지에 흡착되고 또한 여분의 질소원자를 개입시켜 유중의 +이온을 흡착하는데에 따라 대전방지에 기여하는 것으로 생각된다.
7) 기타
전기절연유는 증발량이 적고 인화점이 높은 것과 부식성이 적은 것이 요구된다.
절연유는 유입전기기기속에서 각종 금속과 접촉하는 상태로 사용되기 때문에 오일중에 들어 있는 황화합물이 어러한 금속 특히 동,은과 반응하여 표면을 변색시키며 이러한 정도를 측정하는 것을 부식성 유화이라고 하는데 절연유의 경우 부식성 유황이 포함되어서는 안된다.
■ 물성시험
1) 비중 (Specific Gravity)
비중은 파라핀계 < 나프텐계 < 방향족의 순으로 커지는 특성을 가지고 있는데 비중이 낮을 수록 자연대류를 촉진하기 때문에 절연유에 있어서는 비중이 낮은 오일이 적합한 것으로 알려져 있다.
2) 인화점
인화점은 절연유를 대기상태에서 가열하여 증기압이 연소 하한계농도에 다달하였을 때의 온도를 말한다.
변압기에서 절연유와 연관된 사고중에 대부분이 화재이기 때문에 인화점이 높은 절연유가 선호되고 있다.
3) 증발량
일정한 온도와 시간에서 기름의 증기압을 발열중량으로 규정한 것이다.
변압기내에서 절연유의 손실은 증발현상에 의한 것이기 때문에 증발량이 적은 오일이 적합한 것으로 알려져 있다.
4) 표면장력
표면장력은 함침성과 유중의 불순물 측정에 이용된다.
5) 비열, 열전도도, 열팽창계수
비열 및 열전도도는 유입전기기의 열노화에 따른 수명저하를 방지하기 위한 방열에 관한 설계에 필요한 특성치이며 절연유는 대체적으로 공기에 비하여 비열 및 열전도도가 20 - 40 배 정도 크므로 이 자체가 냉각매체가 된다.
또한 열팽창율은 유입전기기의 온도에 따른 내부압의 변화를 흡수하여 기기의 수명저하를 방지하는 기구의 설계에 필요한 특성이다.
6) 동점도
파라핀계 절연유는 점도지수가 높고, 알킬벤젠등은 점도지수가 낮다.
점도가 낮은 오일이 자연대류에 의한 냉각성능이 우수하기 때문에 동점도가 낮은 오일이 변압기에 사용되는 오일로 적합한 것으로 알려져 있으며 40’C점도를 기준으로 Max. 9 cSt이하인 제품이 주로 사용되고 있다.
7) 유동점 및 운점
유동점과 운점은 절연유를 저온에서 취급할 겨웅의 기준의 하나로서 절연유중에 용해되어 있는 왁스분이 온도를 떨어뜨림으로 인하여 결정화되어 유동성을 잃을 때의 온도이며 운점은 왁스분이 처음으로 결정화되기 시작하는 온도이다.
국내 KS기주에는 유동점만이 명시되어 있으나 한전에서는 운전과 유동점을 동시에 규격화하고 있다. 유동점은 유동점강하제에 의해 낮추어질 수 있기 때문에 운점을 규격화하여 유동점강하제의 사용을 규제하기 위해서 이다. 한전에서 운점을 - 25’C이하로 규정하고 있다.
■ 광유계 절연유의 제조공정
■ 제조공정
1) 일반적인 전기절연유 제조공정
원유 (Crude Oil) → 감압증류 → 용제추출 → 수소화정제 → Clay 처리 → 탈수/탈기처리 → 완제품
2) Paraffine계 전기절연유 제조공정 - 동남석유
원유 (Crude Oil) → 감압증류 → 용제추출 → 수소화정제 → Dewaxing → Clay 처리 → 혼합 →
탈수/탈기처리 → 완제품
■ Clay 처리
- 일반적으로 저온 활성점토를 1.5 - 3.0 wt% 사용하여 약 60 ℃ 로 처리한다. 기유의 변색이 있을 경우에는 상품가치의 관점에서 백토를 늘리고 색상을 개량함.
■ 탈수처리
- 알루미늄 추출 (Aluminium Percolator) 방식과 진공정유기 방식이 있는데, 알루미늄 추출방식에서는 알우미나의 흡수능력에 한계가 있기 때문에 탈수처리전의 오일에 수분이 많이 함유되어 있으면 알우미나의 교환주기가 짧아지는 단점이 있음.
- 진공정유기 방식도 탈수처리전의 수분함량에 영향을 받지만 습기가 많은 하절기에도 알루미늄 추출방식에 비해 수분제거에 효과가 있으며, 절연유에 있어서 미향의 수분이라도 성능에 매우 중요한 영향을 미치기 때문에 탈수처리는 매우 중요한 공정임.
1) 알루미늄 추출 (Aluminium Percolator) 방식
- 절연유를 알루미나가 충진된 탑에 보내 알루미나의 흡수작용을 이용하여 탈수를 함. 기계장치 조작상의 어려움은 없으나 알루미나의 흡수능력에 한계가 있기 때문에 탈수 성적이 나빠지면 알루미나를 교환해야 함.
2) 진공정유기 방식
- 절연유를 탈기조에 보내어 오일중의 수분을 응집하여 진공에서 증발시킴으로서 탈기와 탈수를 하는 방식임. 조작은 복잡하지만 탈수능력이 안정된 장점이 있음.
|
함유수분, ppm |
절연파괴전압, KV |
체적저항율 |
유전정접 |
|
9 |
>60 |
5.0× 10^15 |
0.006 |
|
13.9 |
>60 |
4.0× 10^15 |
0.0056 |
|
15.5 |
>60 |
4.0× 10^15 |
0.011 |
|
19.1 |
>60 |
3.5× 10^15 |
0.0234 |
|
20.1 |
>60 |
3.0× 10^15 |
0.0261 |
|
20.4 |
>60 |
3.5× 10^15 |
0.025 |
|
25.5 |
>60 |
3.0× 10^15 |
0.0408 |
|
29.2 |
>60 |
3.5× 10^15 |
0.0574 |
|
36 |
47 |
1.0× 10^15 |
0.0595 |
|
38.6 |
37 |
7.0× 10^14 |
0.0634 |
|
42.6 |
35 |
4.0× 10^14 |
0.071 |
|
43.6 |
29 |
3.1× 10^14 |
0.0745 |
|
46 |
30 |
2.0× 10^14 |
0.0818 |
|
46.2 |
30 |
3.0× 10^14 |
0.0815 |
■ 절연유의 보수관리
사용유의 관리를 위해 절연파괴전압, 수분. 전산가가 관리가 일반적으로 행해지고 있으나 이것만으로는 변압기 내부의 미약한 이상현상 (부분과열,부분방전, 아크방전 등)을 검출해내는데 불가능하므로 유중 가스분석법이 이상진단의 일반적인 방법으로 행해지고 있다. 이것은 변압기 내부의 이상현상에 수반하여 발열의 영향을 받아 절연유,절연지등이 열분해하여 미량의 수소,메탄,에탄,일산화탄소등이 발생하기 때문이다. 발생된 GAS를 통해 이상이 일어난 부분을 진단해낸다. 한전연구소와 한전의 각 변전소 및 발전소에서는 유중 가스분석을 통해 변압기의 이상유무를 진단하고 있는데 국내 변압기에서 가장 많이 검출되는 가스는 CO, CO2로써 이들은 대부분 국내에서 사용하는 셀룰로스계 절연지로부터 발생하고 절연유제의 변화에 의한 차이는 미미하다.
■ 전기기계의 동향
전력수요의 증대와 전원의 원격지, 대용량화에 따라서 Ultra High Voltage화가 이루어질 것으로 보고 있다.
1) 유동대전
유동대전현상이란 광유계 절연유를 송유시 발생하는 정전기현상으로 다음 두가지 원인에 의해서 일어난다. 첫째는 변압기의 절연성능의 향상(절연재료의 품질향상,건조처리의 고도화 등)에 따른 절연유가 절연지 위를 흐름에 따라 발생하는 정전기(절연유가 +로 대전한다.)가 흘러 버리지 않고 축적되기 쉽게 된 때문이며, 둘째는 변압기 내부의 송전속도의 증가 (변압기의 소형, 경량화를 위해)에 따라 정전기 발생량이 증가하기 때문이다. 이러한 현상을 줄이기 위해 오일의 속도를 30cm/sec이하로 유지하는 대책이 세워지고 있으며 대전하지 않는 전기절연유가 개발되고 있다.
2) 난연성 절연유
최근에 도시의 고밀화로 인한 옥배변전소,지하변전소의 건설이 많아지면서 배전용변압기에 대해서 장기간의 신뢰성은 물론 만일의 경우 방화측면에서 난연성이 요구되고 있으며 이에 따라서 난연성 절연유의 수요가 증대되고 있다.
관련글 링크
