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식물성 절연유를 사용한 변압기 개발한국전력공사 전력연구원_이병성 선임연구원(042)865-5911 / leebs@kepri.re.kr개요전력사업에 있어서 안정적인 전력공급과 친환경성이 점차 부각되고 있기 때문에 새로 개발되는 전력기기는 친환경적으로 설계되어야 한다. 최근에 관심 받고 있는 식물성 절연유는 생분해도가 높아 환경친화적이고 인화점 및 발화점이 높아 화재 위험도가 낮으므로, 기존 변압기의 절연유인 광유를 대체하여 사용하려는 연구가 진행 중에 있다. 북미 지역에서는 식물유를 사용한 변압기를 사용하긴 했지만, 전력회사 배전선로에 사용되는 수량은 극히 적다. 특히 500㎸A 이하 용량을 갖는 배전용 변압기의 경우 크기나 중량 제한이 있으므로 광유 대체 절연유로 식물유를 사용했을 때 고려되어야 할 설계 개념상의 차이 정립이 필요하다. 식물유는 점도가 높아 냉각에 영향을 줄 수 있으며 낮은 온도에서 쉽게 응고되어 유동성이 떨어지기 때문에, 혹한 지역에서 사용되는 변압기에 적용하기 위해서는 새로운 설계가 필요하다. 따라서 여기에서는 배전급 변압기에서 식물유를 적용할 경우 고려되어야 할 사항에 대해 연구한 내용을 기술하고자 한다. 1. 열화 전후의 절연유 점도 변화변압기에 사용되는 절연유는 점도가 낮고 열전도율이 높을수록 좋지만, 장기적으로 운전 중 발생한 열적 스트레스에 의해 열화되어 초기의 우수한 절연 특성이 저하되지 않아야 한다. 가속 열화시험 장치로 열화시킨 광유와 실리콘유, 식물성 절연유의 점도 변화 측정 결과를 <그림 1>에 나타냈다. 일반적으로 점도는 온도가 높을수록 점도가 낮아지는 특성을 보이며, 광유에 비해 식물유의 점도는 약 3배 정도 높게 나타났다. 40℃에서 식물유와 실리콘유의 점도 차이는 거의 없었지만, 온도가 증가함에 따라 식물유의 점도 감소폭이 실리콘유에 비해 커졌다. 실리콘유는 권선온도 상승이 95℃인 변압기에서 H종 고온 절연지와 함께 사용되고 있는데, 이는 변압기 손실이나 절연지 열화를 줄이기 위해 냉각구조의 설계가 중요하다는 것을 의미한다. 또한 열화가 진행됨에 따라 절연유의 점도는 증가했으며, 식물유의 점도 증가율도 타 절연유에 비해 크게 나타났다.
 ⒜ 열화 전  ⒝ 열화 후 [그림 1] 온도에 따른 절연유 점도 변화 비교2. 전기적 특성 변화 측정변압기에 사용되는 절연유는 열적 스트레스에 의해 전기적 특성이 저하된다. 전기적 특성 변화는 주로 절연파괴 전압을 측정하여 판단한다. <그림 2>는 동일 조건의 열화 셀에서 식물유와 광유의 열화 시간에 따른 절연유의 절연내력 변화를 비교한 것이다. 절연유 내에 히터를 삽입하여 130℃의 온도에서 연속적으로 열화시켰다. 광유와 식물유의 초기 절연내력은 비슷한 수준이었으나 열화 시간이 진행됨에 따라 식물유에 비해 광유의 절연내력 저하가 커짐을 알 수 있다. 이것은 절연유가 열분해되어 탄화생성물이 증가하였기 때문이다. 변압기 절연유에 카본입자(Carbon Particles)가 존재할 경우 전기적 스트레스가 반복됨에 따라 카본입자가 응집되고 절연내력이 상당히 감소하게 된다. 50℃ 이상의 높은 온도에서는 카본입자의 정도에 따라 절연내력 저하가 커진다고 알려져 있다. 여기서 두 종류의 절연유는 열화시간에 따라 고유저항(Specific Resistance)이 감소하였으며, 유전손실(tanδ)은 증가하는 특성을 보였지만 유전율 변화는 크지 않았다.
 [그림 2] 열화 조건에 따른 절연내력 변화3. 식물유 및 광유에서 열화된 절연지 특성 비교 결과⑴ 열화 절연지의 인장강도 특성<그림 3>은 열화 셀에서 식물유 및 광유에 함침된 셀룰로오스 절연지 인장강도의 변화를 나타낸 것이다. 절연지는 열화 시간에 따라 인장강도가 감소되는데, 동일한 열화조건에서 비교했을 경우 광유에 비해 식물유에서 열화된 절연지의 인장강도 감소가 적었다. 또한 절연지가 받는 열적 스트레스가 클 경우 인장강도 저하가 뚜렷하게 나타났다. 그림에서 알 수 있듯이 광유 130℃에서 열화된 절연지와 식물유 140℃에서 열화된 절연지의 인장강도 저하 특성은 유사하게 나타났다. 이로써 광유가 식물유에 비해 절연지 열화에 많은 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 이런 결과로 인해 식물유 제조사에서는 식물유를 사용할 경우 변압기 운전 온도를 높일 수 있는 장점이 있다고 주장하고 있다.
 [그림 3] 열화 조건에 따른 셀룰로오스 절연지의 인장강도 변화⑵ 열화 절연지의 절연내력 변화<그림 4>는 광유 및 식물유 열화 셀에서 동일한 열화 조건으로 열화시킨 절연지(두께 0.18㎜)의 절연파괴 전압을 측정한 것이다. 광유 및 식물유에 유침된 두께 0.18㎜의 신품 절연지가 13~15㎸ 정도의 절연파괴 전압 값을 보인 것과 비교했을 때, 열화에 따른 절연내력 변화는 적게 나타난다. 절연지는 열에 노출될 경우 열분해에 의해 기계적 강도는 급격히 저하되지만, 절연내력 변화 또한 적다. 따라서 단순히 변압기 과부하에 의해 절연파괴로 이어지는 것이 아니라 변압기 진동에 의해 절연지 손상에 의해 전기적 특성이 저하됨을 알 수 있다.
 [그림 4] 광유, 식물유에서 열화된 셀룰로오스 절연지 절연내력(145℃에서 60일)⑶ 타 절연물에 미치는 영향기본적인 특성 값을 고려하면 식물유가 광유보다 변압기 절연유로 적합하다는 것을 알 수 있다. 광유에 비해 절연내력 낮고 유전손실이 다소 큰 것이 단점으로 지적되나, 유전율이 절연지와 유사하여 절연설계 측면에서 유리하다. 또한 광유에 비해 산화가 쉬게 일어나며 점도가 높아 냉각에 영향을 줄 수 있지만, 장기적으로는 열적 열화에 대한 특성이 우수한 것으로 나타난다. 이런 특성을 적절히 반영해 변압기를 설계할 경우 광유 변압기보다 우수한 특성을 갖게 할 수 있다. 절연지 열화 후 인장강도, 중합도(DP) 및 퓨란 함유량(Puranic Content) 분석 결과에 따르면 식물성 절연유가 광유에 비해 셀룰로오스 절연지의 열화를 느리게 한다는 것이 일반적인 의견이다. 한편 가속 열화시험에 의하면, 식물성 절연유가 절연지뿐만 아니라 에나멜 코팅 동선의 열화에도 광유보다 유리한 것으로 나타났다. 동일한 조건과 온도에서 광유는 식물유에 비해 에나멜 동선의 열화를 촉진하는 것으로 나타났으며, 식물성 절연유는 열분해에 의한 슬러지(Sludging)나 코킹(Coking)의 형성이 적은 것으로 나타났다. 그러므로 내부에 접점이 있는 변압기에 사용할 경우 장기 신뢰성을 높을 수 있을 것으로 기대되고 있다. 4. 권선온도 및 유온도 상승
 ⒜ 절연유 온도 상승 ⒝ 권선온도 상승 [그림 5] 광유 및 식물유 변압기의 온도 상승 비교 배전용 변압기에 식물유 사용 가능성을 시험하기 위해 300㎸A급 지상변압기 2대를 제작하여 온도 상승 시험을 했다. 제조 당시에 변압기 권선 내부에 온도 측정용 센서를 삽입했으며, 선행 시험결과를 반영하여 센서의 위치는 권선의 최고온도 부분으로 했다. 광유와 식물유에서 권선온도 상승을 비교한 결과, 동일한 변압기에서 식물유 변압기의 권선온도 상승이 3~4℃ 정도 높은 것으로 나타났다. <그림 5>는 광유 및 식물유에서 변압기의 부하에 따른 온도 상승값을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 이것은 해당 부하에서 온도 포화가 됐을 때 측정한 값으로, 식물유가 광유에 비해 열전도율이 낮고 점도가 높아 평균 권선온도 및 유온 상승이 높게 나타났음을 알 수 있다. 또한 <그림 5> ⒜와 같이 식물유에서 권선온도 상승은 부하 증가에 따라 광유와 일정 온도 차이로 증가하는 특성을 보였지만, 유온 상승은 <그림 5> ⒝와 같이 부하가 높을수록 광유에 비해 증가되는 폭이 큰것으로 나타났다. 이는 상대적으로 높은 점도가 이러한 대류작용에 영향을 주었기 때문이다.
 [그림 6] 부하율에 따른 절연유 온도 변화<그림 6>은 광유 및 식물유에서 부하에 따른 변압기 상부(유면에서 50㎜ 하부) 절연유 온도변화를 나타낸 그래프다. 각 부하에서 온도 포화상태가 되었을 때 측정한 것으로 열대류가 원활하지 못한 식물유의 경우가 온도가 더 높았다.5. 권선 내부의 온도 변화
 ⒜ 냉각 덕트가 없는 Coil Leg부  ⒝ 냉각 덕트가 있는 Coil Leg부 [그림 7] 130% 부하 인가 시 온도 상승 특성<그림 7>은 무부하 상태에서 순간적으로 130%로 부하를 증가시켰을 때, 변압기 권선의 각 위치에 설치된 센서에서 측정된 온도 변화를 실시간으로 기록한 것이다. 일반적으로 18시간 정도가 되어야 온도가 포화되지만, 과부하 운전시간은 대부분 2시간 이내이므로 2시간 동안 측정한 데이터만 수록했다. 권선 과열점에서 온도변화는 순간적인 과부하로 인해 초기에는 급격히 증가하다가 절연유의 유동성이 증가함에 따라 온도상승이 완만해짐을 알 수 있다. 동일한 부하 조건에서 광유와 식물유 과열점 온도 상승을 비교하면, 식물유는 점도가 높고 열전도도가 낮아 상대적으로 열방산이 원활하지 못하여 과열점에서 발생된 열을 방사하는 데에 광유보다 많은 시간이 소요된다. 따라서 기존 변압기에서 광유 대신 식물유를 주입하여 사용할 경우, 과열점 온도가 최대 20℃ 정도 상승하게 되어 절연지 열화를 촉진시킬 수 있기 때문에 설계변경 없이 적용하는 것은 적절치 못하다. <표 1>은 130% 부하조건에서 각 위치별 권선 내부 온도편차를 나타낸 것이다. 여기서 ‘Position 1’은 권선과 코어가 만나는 부분이며 ‘Position 2’는 유덕트가 있는 코일단부, ‘Position 3’은 두 개의 권선이 마주하는 부분이다. 동일 위치에서 부하 증가에 따라 거의 선형적으로 온도가 증가했는데, 식물유가 광유에 비해 온도 증가율이 큰것으로 나타났다. 또한 부하가 클수록 두 종류의 절연유 간 온도편차가 크게 나타났다. 따라서 식물유를 적용한 변압기 권선 설계에는 광유와 다른 온도 상승곡선을 적용해야 함을 알 수 있다.
[표 1] 광유와 식물유 변압기의 최고 온도차(부하율 130 %) 6. 방열기 열방산 특성지상변압기 방열기는 내함의 뒷면과 측면에 설치되어 내부의 절연유가 함유하고 있는 열량을 대기 중으로 방출하는 역할을 하고 있다. 보통 300㎸A급 이상의 경우 뒷면에 4매씩 3곳에 설치됐으며, 좌우 측면에는 각각 4매씩 1곳에 설치됐다. 후면 중앙에 있는 방열기 표면 상부와 하부의 온도를 실측하여 열방사 능력을 비교한 결과를 <표 2>에 나타냈다. 방열판 상부와 하부의 온도편차는 부하가 높을수록 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 후면보다 측면에 설치된 방열기의 온도가 더 높게 나타났다. 또한 식물유의 경우 광유에 비해 상하부 온도편차가 크게 나타났다. 이것은 광유에 비해 높은 점도가 대류에 의한 열전달에 영향을 주었기 때문이다. 역시 측면부의 온도 상승과 편차가 큰 것은 상대적으로 열방산이 원활하지 못하기 때문이며 방열기 형태, 매수 및 크기 선정 시 고려하여야 할 사항이다. 결론식물유 제조사를 중심으로 식물유의 기본 특성 시험 데이터가 많이 소개되고 있으며, 비록 가격이 비싸지만 변압기에 사용하였을 때 광유에 비해 장기적으로 장점이 많은 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 아직까지 국외 전력회사에서 확대 사용을 결정하지 못하고 있는 것은 장기 신뢰성에 대한 불안이 완전히 해소되지 않았기 때문이다.다양한 가속 열화시험을 통해 식물유의 열적 열화 특성을 평가하고, 실 변압기에서 권선 내부 열 특성을 해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. ① 식물성 절연유는 광유에 비해 약 3배 정도 높은 점도와 25% 정도 낮은 열전도율을 가지며, 이것이 자연대류 순환을 제한하여 변압기 과열점 온도를 상승시키는 주요 원인으로 작용할 수 있다.② 가속열화 시험 결과에서 식물유의 열화 특성이 광유에 비해 우수한 것으로 나타났다. 절연지와 식물유의 유전율 차이가 적어 전기적 스트레스 집중을 해소할 수 있었으며, 식물유는 광유에 비해 열분해에 의한 타 절연물(절연지, 에나멜 동선)에 주는 영향이 적었다.③ 동일한 조건에서 열화 시 광유에 비해 식물유의 탄화생성물이 20% 정도에 불과하므로, 탭 절환기와 같은 접점부분에서의 과열을 줄일 수 있을 것이다. ④ 동일한 설계를 적용하였을 때 광유에 비해 식물유 적용 시 과열점 온도가 100% 부하 이상에서 약 20℃ 정도 높아져 절연지의 열화를 가속시킬 수 있다. 따라서 식물유 변압기 권선 설계에는 과열점 온도를 낮추기 위해 유로 단면적을 증가시켜야 한다. ⑤ 국내에서 제조되는 변압기와 같이 바니시 함침처리 권선은 절연유의 자연대류 작용을 제한하여 권선온도 및 과열점 온도를 높이는 결과를가져올 수 있기 때문에 최적의 함침공정 개발에 대한 연구가 필요하다.향후 전망전력사업에서 환경의 중요성이 점차 커지고 있으므로, 화재나 폭발의 위험성이 적고 유출 시 환경에 대한 유해성이 적은 식물성 절연유 사용량이 증가할 것으로 예상된다. 장기신뢰성에 대한 검증이 계속되고 있으므로 전력회사에서도 채택하여 사용할 것이다. 국내에서 식물성 절연유 개발이 완료되어, 이를 사용한 배전급 지상변압기의 시범사용도 확정되어 조만간 실선로에 사용될 것이다. 절연유 유출에 따른 환경오염이 우려되는 지역이나 폭발에 의한 화재 파급의 위험이 높은 지역에 우선적으로 적용할 예정이다. 또한 전력용 변압기에 광유를 대체하여 식물유 적용성을 검토하는 연구가 시작되고 있으므로 향후 활용 전망이 밝다. ·이병성(李丙成) 공학박사, 1995년 한국전력공사 전력연구원 입사, 2008년 현재 한국전력공사 전력연구원 배전연구소 선임연구원- 관심분야 : 배전설비 진단, 변압기 분석- 연구실적(논문 포함)·폴리머애자 경년열화 실증 연구(3년) 보고서(2007.08)·지중배전용 변압기 신뢰도 향상에 관한 연구(3년) 보고서(2006.04)·주상변압기 단락특성 개선에 관한 연구(3년) 보고서(2000.10~2002.12)·배전기자재 수명예측 기준제정 연구(3년) 보고서(1997.11~2000.11)·`배전용 변압기의 부하운전에 의한 온도 및 유전특성 분석’, 한국조명전기설비학회 논문지(2007.01) 외 60 여 편 참고 문헌1) C.P. McShane, G.A. Gauger, J. Luksich, “Fire Resistant Natural Ester Dielectric Fluid and Novel Insulation System for Its Use”, IEEE/PES Transmission & Distribution Conference, April 12~16, 19992) C. Patrick McShane, “Relative Properties of the New Combustion -resist Vegetable-oil-based Dielectric Coolant for Distribution and Power Transformers”, IEEE T&A Vol.37 No.4, pp.1132~1139, 2001 3) U.S. Environmental Protection Agency, “Environmental Technology Verification Report”, EPA 600/R-02/042, May 20024) ASTM D6871, “Standard Specification for Natural(Vegetable Oil) Ester Fluids Used in Electrical Apparatus” 20035) Rapp, K.J. McShane, C.P. Luksich, J, “Interaction mechanisms of natural ester dielectric fluid and Kraft paper”, Dielectric Liquids, 2005. ICDL 2005. 2005 IEEE International Conference on pp.393~396, June. 26~July 1, 20056) McShane, C.P., “Vegetable-oil-based dielectric coolants”, Industry Applications Magazine, IEEE, Volume 8, Issue 3, pp.34~41, 2002
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