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1 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

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5 국문요약 대부분의변압기들은절연과냉각을위해원유로부터축출한광유를사 용하여왔다. 하지만광유는환경적인문제와낮은인화, 발화점으로인해 화재나폭발의위험을가지고있다. 최근에연구되고있는식물성절연유는식물의씨로부터축출한식물유 로서높은생분해성으로환경적으로안전하며, 재의위험에서안전한절연유로주목받고있다. 높은발화점으로인해화 본연구에서는변압기의액체절연시스템에서광유를대체하기위한, 식 물성절연유의특성연구에목적이있다. 본연구에서두종의식물성절연유를사용한변압기두대, 광유(1종2 호) 를사용한변압기두대로개별변압기의특성에따라, 차이가나타나지않도록단상, 10KVA, 13.2KV 열화특성에 용량의네개의동일한 변압기를사용하였다. 세대의변압기는항온및냉각용챔버내에서 3 0 ~120 의열사이클을주었고, 한대의광유계변압기는 120 의일 정한온도로열화시켰다. 절연유채취는 42, 93, 143, 190, 240, 300 사이클에하였으며, 절연파 괴전압, 체적저항, 전산가, 수분함량, 점도, 유중가스분석을측정하였다. 열화특성을분석하기위해첫번째로열사이클을가한광유를사용한변 압기의절연유의분석항목과 압기의절연유의분석항목을비교하였으며, 120 의고온을유지한광유를사용한변 두번째로열사이클을가한 두종의식물유를사용한두대의변압기와광유를사용한변압기의절연 유의분석항목을비교하였다. 또한식물성절연유의취약점인높은어는점으로인해혹한지역에서정 전사태가발생할경우절연유의냉동에따른변압기절연에대한문제가 발생할수있다. 이에따라식물성절연유가냉동된변압기의충격시험을 하였다.

6 Abstract Most transformers use insulating and cooling fluids derived from petroleum crude oil, but mineral oil has some possibility of environmental pollution and fire with explosion. vegetable oil fluids extracted from seed has superior biodegradation and fire-resistant properties including an exceptionally high fire point enhancing fire safety. In this study, it is aimed at the practicality of substituting natural ester dielectric fluid for mineral oil in liquid insulation system of transformers. As a rise in coil winding temperature has a direct influence on transformer life time, it is important to evaluate the temperature rise of coil winding in vegetable oil in comparison with mineral oil. Four transformers for the test are designed with 10KVA, 13.2KV, one phase unit. The temperature are directly measured in insulating oil of these transformers with the two sorts of natural ester and mineral oil dielectric fluid respectively. Experiment for aging carry out two means. First means remained 120 that transformer of mineral oil were operated at 185% load. Second means is that insulating oils of two natural ester and mineral oil were aged by thermal cycles repeating from 30 to 120. For the heating, Transformers were operated at 185% load. For the cooling, cooling system was operated in the chamber. Samples were analyzed at 42, 63, 93, 143, 190, 240, 300cycles. Analysis contents are dielectric strength, total acid value. Mineral oils compared results of first means with results of second means. And compared two sort natural esters respectively with mineral oil in second means. natural ester freeze in cold weather because natural ester have Oil high freezing point. And this study had conduct shock wave test of freezen natural ester in transformer. - ii -

7 목차 국문요약 Abstract 제1장서론 1 제2장이론 식물성절연유 절연물의열화 절연유열화 절연지열화 주상변압기의과부하운전 주상변압기온도상승 변압기열전달및권선의냉각 절연물의열열화에의한수명평가 경년열화방정식 유입변압기의절연물수명이론 충격파전압 14 제3장실험장치및방법 실험장치 열화실험에사용한변압기 냉동변압기실험에사용한변압기 열화실험설비구성 19 - iii -

8 3.1.4 냉동변압기실험설비구성 실험방법 변압기열화방법 변압기온도상승방법 절연유채취시기 냉동변압기충격시험 27 제4장실험결과및고찰 열사이클열화와고온열화에따른광유의특성비교 열사이클열화에따른식물유와광유의열화특성비교 냉동변압기의충격시험 40 제5장결론 46 Reference - iv -

9 < 차례> 2.1 천연에스터화학구조 3 Fig 2.1 Chemical structure of natural ester 주상변압기온도차관계 9 Fig 2.2 Relation of temp difference for one-pole transformer 차권선의온도분포 10 Fig 2.3 Temp. distribution of secondary winding 수명기대곡선 13 Fig 2.4 Life Expectancy Curve.[12] 뇌충격파전압의정의 15 Fig 2.5 Definition of Shock Wave 실험설비 19 Fig 3.1 Facilities of experiment 실험변압기들 20 Fig 3.2 Transformers 냉동챔버내실험변압기 21 Fig 3.3 Transformer in Freezer Chamber 실험개요도 22 Fig 3.4 Synoptic experiment map 실험설비작동구성도 23 Fig 3.5 Configuration of Equipments 23 - v -

10 % 부하전압을인가한변압기절연유의온도그래프 Fig 3.6 Temperature of Insulating Oil % 부하전압을인가한변압기절연유의온도사이클 그래프 25 Fig 3.7 Temperature Cycle of Insulating Oil 냉동된식물성절연유( 국내D 사제품) 27 Fig 3.8 Frozen Vegetable Insulating Oil 변압기충격시험모습 28 Fig 3.9 Shocking Wave Test 열사이클열화와고온열화에따른광유의절연내력결과 그래프 29 Fig 4.1 Dielectric strength of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature 열사이클열화와고온열화에따른광유의체적저항결과 그래프 29 Fig 4.2 Volume Resistivity of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature 열사이클열화와고온열화에따른광유의전산가결과그 래프 30 Fig 4.3 Total Acid Value of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature 열사이클열화와고온열화에따른광유의수분함량결과 - vi -

11 그래프 30 Fig 4.4 Water Content of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature 열사이클열화에따른식물유와광유의절연내력결과 그래프 32 Fig 4.5 Dielectric strength of Mineral oil and Vegetable oil by Thermal Cycles 열사이클열화에따른식물유와광유의체적저항결과 그래프 32 Fig 4.6 Volume Resistivity of Mineral oil and Vegetable oil by Thermal Cycles 열사이클열화에따른식물유와광유의전산가결과그 래프 34 Fig 4.7 Total Acid Value of Mineral oil and Vegetable oil by Thermal Cycles 열사이클열화에따른식물유와광유의수분함량결과 그래프 34 Fig 4.8 Water Content of Mineral oil and Vegetable oil by Thermal Cycles 열사이클열화에따른식물유와광유의점도결과그래 프 36 Fig 4.9 Viscosity of Mineral oil and Vegetable oil by Thermal Cycles 36 - vii -

12 4.10 열사이클열화에따른 CO 2 /CO 결과그래프 37 Fig 4.10 CO 2 /CO ratio of Mineral oil and Vegetable oil 열사이클열화에따른 240사이클에서의 Key gases의 비율결과 38 Fig 4.11 Relative proportion of Key gases of Mineral oil and vegetable oil 열사이클열화에따른 300사이클에서의 Key gases의 비율결과 38 Fig 4.12 Relative proportion of Key gases of Mineral oil and vegetable oil % 절단파충격시험결과 40 Fig % Chop Shock Wave % 전파충격시험결과 41 Fig % Full Shock Wave % 절단파충격시험결과 42 Fig % Chop Shock Wave % 전파충격시험결과 43 Fig % Full Shock Wave 절연지가탄화된모습 44 Fig 4.17 Carbonization of Insulating Paper 권선이단락된모습 44 Fig 4.18 Short of coil 44 - viii -

13 < 표차례> 표 2.1광유와식물유의특성비교 4 Table 2.1 Comparison of mineral oil with vegetable oil 4 표 3.1 실험에사용한변압기 16 Table 3.1 transformers of experiment 16 표 3.2 변압기시험성적서 17 Table 3.2 Specification of Transformer 17 표 3.3 변압기시험결과 18 Table 3.3 Transformer Test Report 18 - ix -

14 제1장서론 국내배전용변압기는권선온도및유온상승이 55 와 65 인두종류 의것이사용되고있으며, 셀룰로오스절연지(cellulose paper) 로권선층 간을절연하고광유를절연및냉매로사용한유입자냉식구조이다. 이 러한절연구조는백년이상지속되고있으며, 광유에함침된셀룰로오스 절연지의경년변화에대한실험은상당히많이이루어져왔다[1]. 그리 고축적된실험데이터와경험을통해최적의변압기설계를이룰수있 었으며, 광유변압기와관련된국제기준이잘정리되어있어보다쉽게 신뢰성있는변압기설계가가능하다. 또한정제기술의발전에힘입어광유를대체할우수한특성을갖는새로 운절연유가개발되고있다. 80 년대중반에는전기적특성, 열전도율, 열 화특성이우수한실리콘, 합성에스터(synthetic ester) 등과같은합성 절연유가개발되었지만광유에비해가격이비싸특수한변압기에만사용 하고있다. 광유도과거에비해전기적특성이많이개선되었지만수분에 민감하고, 인화성이높고, 외부유출시환경적영향이큰단점을가지고 있다 [2]. 최근개발되는전력기기는환경기후협약에따른규약의대응으로경제 성의향상, 소형화에대한요구의증가와더불어인체및자연친화성을 고려한사회환경을고려해야된다는의식이높아지고있다. 과거주류를 이루고있는절연유의경우난연성및절연성을향상시키기위한목적으 로첨가된 PCB(polycholorinated biohenyls) 성분의인체유해성및환 경오염문제로 1970 년대이후전면금지되었다[3]. 그이후이를대체 하기위한각종절연유가개발되어일부사용되고있으나이역시환경오 염및화재발생가능성이높아이를극복하기위해 1990 년대말, 미국 ABB, Cooper 등의기관에서전력기기용친환경식물성절연유를개발하 였다. 식물성절연유는온도특성및절연성능이좋고화학적으로안정하 여독성이없고생분해성이좋다. 이로인하여기존절연유는식물성절 연유로대체하는경향이높아지고이에따른식물성절연유의열화진단 연구가진행되어야한다. 기존변압기에사용되는절연유의사고원인을 살펴보면전기적, 열적스트레스, 기타환경등에의하여절연유와절연 - 1 -

15 지사이에절연열화가발생, 진행되어절연파괴로이르게되어 1차측권 선단락이주요원인으로나타나고있다. 이것은절연재료의수명이변압 기의직접적인영향을미치는것이라할수있다. 그러므로식물성절연 유의상태점검및수명진단을위해열열화에따른절연유의상호작용 에대한기본연구가필요하다. 따라서본연구에서는식물성절연유의 실제적용을위한열화특성을연구하기위해식물성절연유를사용한실제 변압기를가속열화시켜열화에따른전기/ 화학적특성을비교/ 분석하였 으며, 또한식물성절연유의절연특성연구를하였다

16 제2장이론 2.1 식물성절연유 식물성절연유는전기기기의절연과냉각을위해사용되는광유대체 절연유로서식물씨앗에서추출한천연에스터성분의절연유로서생분해 성도가높고독성이없어친환경적이다. 또한인화점및발화점이높아 광유에비해화재의위험성이적은난연성절연유로분류된다. 1990년대 중반부터변압기절연유로식물유가사용되었으며, 미국 C사의 Envirotemp FR3 절연유, C사의 Biotrans 1000과유전특성을개선 한 Biotrans 5000 절연유가많이사용되고있으며 ABB사의 BIOTEMP 도일부사용되고있다. 보통식물성절연유는 98.5% 이상의 식물성오일에특성개선을위한 1.5% 이하의첨가물을함유하고있다. 식물유를구성하는천연에스터기의기본화학적구조는 2.1 과같다. CH 2 CH 2 CH 2 O C R O O C R' O O C R'' O 2.1 천연에스터화학구조 Fig 2.1 Chemical structure of natural ester 식물유의화학적인성분은트리그리세라이드 (triglyceride; long-chain fatty acid ester molecules) 의혼합물로서극성이있고, 불포화상태이 고, 쉽게수소결합을형성한다. 광유는사이클릭나프탄 (cyclic naphthene), 알칸 (branched alkane), 방향족분자 (aromatic molecule) - 3 -

17 등으로구성된다. 이같은결합은상대적으로낮은끓는점을가지며, 성분 들은무극성이고, 친수성을갖고있다. 따라서식물유와광유사이의기 본적인화학구조차이로인해열화및냉각작용에있어서다른특성을 보인다. 표 2.1 은식물유와광유의특성을비교한데이터이며, 각특성에 서장점및단점이있다. 표 2.1광유와식물유의특성비교 Table 2.1 Comparison of mineral oil with vegetable oil Contents Viscosity 광유 (1종2 호) FR3 Biotran Fire Point Dielectric Breakdown (2.5mmgap) (2.0mmgap) (2.5mmgap) Pure Point 표 2.1 에서와같이식물유는점도가높아냉각에영향을줄수있으며, 낮은온도에서쉽게응고되어유동성이떨어지기때문에혹한지역에서 사용되는변압기에적용하기위해서는다른냉각설계가필요하다. 외국의생산자와환경보호기구인 EPA (Environmental Protection Agency) 가공동으로운전중인식물유변압기의샘플링검사데이터에의 하면현장에서약 5년동안운전된변압기에서발취한식물유의전기전 도도가초기기준보다다소높게나타났지만기본적인특성변화는없는 것으로나타났다[4]. 이것은식물유가광유대체절연유로변압기에적용 가능성을보여주는결과이다. 인화점과발화점은 ASTM D3487 에서권장하는방법으로측정하며, 광 유의인하점 147, 발화점 165 와비교하면식물유는 2배이상의값을 나타낸다. 이값은난연유로알려진 R-Temp 나실리콘절연유에보다 높은값으로변압기폭발에의한화재의위험성을줄일수있다 [5]. 일반적으로광유의경우대기중의수분을흡수하게되면가수분해가 - 4 -

18 일어나거나전기적특성이저하된다. 국내배전급변압기는대용량의전력용변압기와같이수분접촉을제한하는질소봉입이나제습장치가없고완전밀폐형구조가아니기때문에공기중에있는수분에노출될가능성이높다. 특히식물유는광유에비해수분에대한친화력이크기때문에보다많은수분을흡수하는특성을나타낸다 [6,7]. 2.2 절연물의열화 절연유열화 절연유는높은온도에서구성분자간의결합이파괴되어열화되는데, 이러한열적열화를일으키는요인으로과부하운전, 부분방전과아크방전 이있다. 배전용변압기의경우운전중일시적인과부하현상은피할수 없기때문에과부하에의한절연물과열에의한열화발생가능성은높다. 또한권선층간에이물질이나보이드와같이불균일한전계분포가형성되 면부분방전이발생되게된다. 부분방전은각원자나분자가주위의산소 와반응하는산화열화를촉진하고, 아크방전은순간적으로발생한열이 높기때문에열해중합의열화과정을거친다. 부분방전이나아크방전에의해유중에국부과열이존재하면열분해에의 한가스가발생하는데유중의가연성가스의발생속도는온도상승에따라 기하급수적으로증가한다. 이때발생하는가스중에서 1000 이상의고 온에서는 H 2 와 C 2 H 2 가주성분이지만, 1000 이하의경우 C3H 4, C 2 H 4, CH 2 등이대부분이다 [8]. 광유계절연유는비점이 250~400 정도이고, 절연유가열화하면다양 한생성물이발생하는데절연유의끓는점인 400 이상에서열분해가일 어나기시작하고, 온도가상승됨에따라이러한분해가증가한다. 이때 주로발생하는가스는절연유에대한용해도가큰 CH 4, C 2H 6, C 2H 4, C 2 H 2, C 3 H 6 등의저분자탄화수소와수소가스가주로방출된다. 고체절 연물이없는경우에는아크가발생하여도절연유에서 CO 2, CO 가스는 거의방출되지않지만, 고체절연물이함께존재하는경우경우에는수순 - 5 -

19 한열분해에의해 CO 2 가스가주로생성되고약간의 CO 가스가방출된 다 [8]. 이와같이절연유가열화될경우가연성분해가스가발생되어변압기 내부에서아크고장발생시폭발의원인이될수있고, 절연유의전기적 특성이저하되므로변압기에있어서온도상승을억제하는것이매우중 요하다. 식물유의열화특성및열화생성물에대한연구결과는아직발표되지 않았다. 광유와기본적인화학결합구조가다르기때문에열분해되는온 도는광유에비해높게나타나지만, 구성원소가광유와유사하기때문에 열분해생성물은광유와유사하게나타날것으로추측된다. 그러나화학 구조차이에의해기존광유에서나타나는열화특성들이식물유에대해 서는다른형태로나타날수있다 절연지열화 변압기층간절연에사용되는셀룰로오스재질의절연지가고온에노출 되거나절연유내에서화학적작용을받을경우분자를구성하는사슬의 일부가깨지게된다. 이와같은절연지열화는고유의기계적강도저하 를가져와운전중진동의영향으로쉽게손상되고층간단락고장발생의 원인이된다. 절연지는기본적으로셀룰로오스분자구조를갖는데고분자사슬을형 성하기위해글리코사이딕결합 (glycosidic bond) 으로서로연결된다수 의 anhydro -D-glucopyranose 로구성되었다. 이와같이긴사슬이서 로병렬로연결되어절연지를구성하는섬유소를만든다. 따라서절연지 의인장강도는셀룰로오스기본적인결합과사슬간의수소결합력이결정 한다. 고유한분자사슬의수와사슬간수소결합의정도가절연지의중합도와 인장강도를나타낸다. 또한절연지에수분된수분은셀룰로오스분자간 수소결합을파괴하고절연지구조를불안정하게하여절연지성능을저하 시키게된다. 운전중인변압기에서셀룰로오스절연지가받는열화는주로변압기손 - 6 -

20 실에의해발생되는열이주요한원인이된다. 열에의해셀룰로오스분 자를구성하고있는글루코스링(Glucose rings) 이 CO, CO 2 및 H 2 O 등 으로분해되어절연유를오염시키며, 이들중수분은절연유의특성과절 연내력을저하시킨다. 그래서이들부산물의양을분석하여변압기열화 상태를진단하는기법들이개발되고있다 [9]. 절연지가유중에서사용되기때문에단순한열적영향만으로열화상태 를평가하지않아야하며, 변압기에사용되는절연유, 에너멀동선, 규소 강판등과같은구성물의상호작용으로열화가진행되는것을고려하여 변압기구조와유사한상태에서열화를평가하고있다. 이러한열화메커 니즘을고려하여변압기절연물의열열화특성평가는항상절연유및 기타구성물과함께유침된상태에서평가하여야한다. 2.3 주상변압기의과부하운전 주상변압기온도상승 주상변압기에전압이인가되고전류가흐르면철심및권선이발열하게 되며이발열량이절연유를매개체로전도, 방사, 대류의 3가지유형으로 이동하게되며발열량이방열량보다큰동안은온도가상승하지만양자가 평형을유지하게되면온도는일정하게유지되며이때의외기온도와변압 기온도와의차이를변압기온도상승이라고하며보통주상변압기의경우 는전도보다대류가가장중요한역할을한다. 전도에의한열의전달은온도차에비례하고열고유저항에반비례한다. 오도차 는다음과같은식으로표현된다 [10]. (2-1) 여기서 : 열전달율 : 열이전달하는거리 : 열이전달하는면적 : 통과열손실 - 7 -

21 열전달율 의크기는물질에따라대단히큰차이가있고동, 알루미늄, 철등의금속류는큰값이나, 기름, 종이, Pressboard등은금속류에비해 대단히적고공기는기름의 1/10 정도이다. 방사는주위의온도이상으로온도가올라간물체의모든열에너지는파 동의모양으로열전달이생긴다. Stefan-Boilerman 의법칙을이용한방사계산은다음과같다. (2-2) 여기서 : 실효단위표면적당발열량 : 표면의비반사율 : 온도상승 (deg) : 주위의온도 대류는유입자냉식변압기의냉각에가장중요한요소로서유체중에발열고체가있는경우, 그물체표면에접하고있는유체는열전도에의해따뜻하고비중이가벼워지므로, 온도가상승함에따라주위의찬유체가교류하여그표면에유입하여, 무거운액체와치환하면서연속적인열교류가생긴다. 대류의관한경험식은다음과같다. 여기서 : 손실, Watt/in 2 (2-3) : 정수 (1.4 X 10-3 ~ 2.42) : 온도상승, (deg) : 냉각면의형상이나위치에의해서변하는지수치이며, 1.0~1.25 의범위에있다 변압기열전달및권선의냉각 주상변압기의냉각은권선및철심에서발생한열이우선절연유에전 - 8 -

22 달( 내부냉각) 되고절연유에전달된열은자연대류에의하여방열기에도 달하여공기로방산하게된다. 2.2는주상변압기의권선과 Tank 벽과냉각공기간의온도관계를 대략표시한것이다. 권선과절연유와의온도차는설계자가임으로선택하여설계할수있으 나 이것을크게하면절연유와공기와의온도차를적게하기위한방열 기가많아지게되며또한상대적으로권선을크게하여야하기때문에경 제적으로양자의균형을고려해야한다. 보통자냉식의경우 10~15 가 된다. 열이절연유로부터외함벽을통과하여공기에전달되는관계로각부에는 온도강하가생긴다. 공기의열전달율은절연유에비해대단히낮기때문 에결국온도강하가대부분은공기측에존재한다. 외함벽내에서발생하는온도강하는보통무시할정도로적다. 권선의온도분포는반경방향에관해서는 2.3과같이중앙부가가 장높고열은반경방향에좌우로갈라져흘러서축방향에는거의열이 이동이없다. 축방향의온도분포를생각하면권선부터열을흡수한절연 유의온도가권선에따라하부부터상부로차례로높아지기때문에권선 의온도도높이에따라서서히높게된다. 다만권선상부면에서방열 효과가있기에권선상단보다약간내려진부분에최고온도가발생한다 [10]. 0.T 온도상승 권 선 12 탱 크 이하 2.2 주상변압기온도차관계 Fig 2.2 Relation of temp. difference for one-pole transformer - 9 -

23 권선의온도는보통저항법으로측정하기때문에평균온도밖에구할수없다. 주상변압기의정상상태에있어서절연유에대한권선의온도상승은아래의식과같다. (2-4) 여기서 : 절연유평균온도에대한권선의온도상승 : 권선의단위냉각표면적당의손실 : 열관통율 2.3 2차권선의온도분포 Fig 2.3 Temp. distribution of secondary winding 권선내의냉각덕트의단면적이적당하지않으면어떤부분의유량부족, 유류의편재를발생시켜온도분포의불균형및국부가열이발생되어위험하다. 권선내이의유류분포는현재권선모형을이용한연구등에의해잘파악되고있어온도상승의추정도보다정확히되고있다. 유류의이동은권선의구조에의해서현저하게다르지만일반적으로성층권선은냉각효과가좋고원판권선은다소떨어진다

24 2.4 절연물의열열화에의한수명평가 변압기의절연수명평가에관한문제는끊임없이다루어져왔다. 그러나 배전용전력용변압기들과독자적인연구분야로취급받은역사는그리 길지않다. 최근의연구결과에따르면기존의절연성능의수명판정엔주 목할만한수정이가해져야한다는것이다. 절연열화와수명의감퇴는 온도, 습도, 산소함유량과의시간함수라할수있다. 기존의절연유보존 시스템에서절연성능의감퇴에대한습도와산소의기여도는최소화할수 있으나, 온도는통제변수로취급되고있다. 대부분의기기에서내부의온 도분포는불균일하게되는데, 일반적으로온도가가장높은부분에서가 장큰절연성능의저하가일어나게된다[11]. 그러므로열화현상에관한 연구는보통가장높은온도에서발생할수있는효과를고려해야만한 다. 변압기절연성능의감퇴를야기하는매우많은인자들이온도에영향 을미치기때문에, 통제된환경하에서조차도변압기의절연수명을정확 하게예측하는것은불가능하다 경년열화방정식 시간과온도에대한절연성능감퇴의관계는아레니우스반응도이론 (Arrhenius reaction rate theory) 을적용하면다음과같은수식으로나타낼수있다 [12]. (2-5) 여기서 : 권선최고점온도 : 상수, : 상수 식 (2-5) 은변압기절연물의단위절연수명식이다. 권선최고온도점에 대한단위변압기절연수명과관련이있는것으로써이러한식은배전용 변압기와전력용변압기모두적용이가능한데, 그이유는두변압기가같

25 은셀룰로오스도체절연을사용하여제작되기때문이다. 이곡선의사용 은온도를격리시켜, 이론적인다양한효과로서열수명에영향을끼친 다. 절연지의경우평균중합도가일정값으로저하하는데필요한시간과 절대온도의역수에는직선관계가확인되었는데아레니우스함수형식을 근사하여식 (2-6) 을얻을수있다. (2-6) 여기서 는절대온도이며 시간가열할때시간 를온도 에서의수명 시간 로나눈값 을수명소비율 라한다. 온도 에서의지속시간수명소비율 (2-7) 유입변압기의절연물수명이론 오늘날변압기의수명은내부온도상승으로인한절연수명손실로간주 되는것이전통적이며, 최선의정보로인식되고있다. 절연수명에끼치는 온도의영향은지속적으로연구되있으며, 새로운데이터들은향후이안 내서를교정함에있어영향을미칠것이다. 위에서사용된전통적이라는 단어는하나의과부하사이클이전체의상태보다크지않을때, 기대수명 의손실을의미하며아레니우스반응도이론 (Arrhenius reaction rate theory) 을바탕으로절연지의수명예측곡선은아래식(2-8) 과같이주어 지며2.4 에나타내었다. (2-8) 여기서 : 예측수명, : 권선최고점온도( )

26 수명기대곡선 Fig 2.4 Life Expectancy Curve.[12] 변압기절연성능의악화를야기시키는온도와시간의누적효과에대한철저한검증이확립되지않았기때문에통제된상태에서조차변압기의수명에대해정량적인수치로예측하는것은불가능하며, 더구나매우다양한전력공급조건하에선더욱그러하다. 절연지는절연성능악화는일반적으로기계적인강도와절연강도의감소로써그특성을기술할수있으나, 이러한특성은절연지의평균중합도와깊은관련이있으며때론절연물이열에의해탄화된상태임에도불구

27 하고전기적, 기계적스트레스에충분히견딜수있는절연성능을유지하기도한다. 이러한상태의변압기는어떠한외부의영향도받지않는다면수개월또는수년동안전력공급이가능할수도있다. 반면심각한과부하나단락에의한비정상적인도체의이동은기계적으로약해진절연물의턴간또는층간결함을발생시킬수있다. 2.5 충격파전압 자연현상으로발생되는낙뢰가고전압설비에떨어지거나유도되어영 향을미치는경우, 또는송전선로에서단락사고및지락사고가발생하거 나전로를차단및투입하는경우에는이상전압이발생하여고전압설비 에가해지게된다. 따라서, 고전압설비는이러한이상전압을피하거나 견딜수있도록설계되어야하며, 신뢰도를판단할수있다. 이상전압은대체적으로충격파로서나타나며, (lightning impulse 또는 이이상전압에대한시험으로설비의 낙뢰에의한뇌충격파 lightning surge) 와전로의개폐및사고로인한 개폐충격파(switching impulse 또는 switching surge) 로나누어고려할 수있다. 먼저뇌충격파는보통 1MV 이상의전압으로 100kA 정도이상의전류 를갖고있으며고전압설비에서먼곳에떨어진낙뢰라할지라도전로를 따라진행파(travelling wave) 로서전파되어설비에사고가파급된다. 따 라서뇌충격파에대한대책으로서보호시스템을구축하거나서어지어 레스터(surge arrester) 를설치하게된다. 이때의전압상승률은상승되 는전류의기울기에비례하며대략 100kA/µs 정도이다[13]. 고전압설비에대해뇌충격파전압시험을수행할때에는표준뇌충격파 파형을이용하여시험하는경우가대부분이다. 2.5은뇌충격파전압 의파형을정의한것으로충격파의파두가매우짧기때문에다음과같이 고려하고있다. 즉전압상승구간에서최대값(crest value) V cr 의 30% 와 90% 즉 0.3V cr 과 0.9V cr 로되는점을직선으로이어, 가로( 시간) 축을지 나는점을새로운원점으로고려하여 규약원점 O' 로정의한다. 그리고,

28 규약원점으로부터최대값 1.0V cr 과 0.3V cr -0.9V cr 직선이교차하는점까 지의시간을파두 (wave front) T 1 으로, 규약원점으로부터최대값을지나 전압이 50% 로작아진 0.5V cr 까지의시간을파미 (wave tail) T 2 로정의한 다. 이렇게정의된 T 1 과 T 2 를이용하여뇌충격파전압의파형형태를 나타내게된다. 즉 T 1 /T 2 또는 T 1 T 2 로표현한다. 표준뇌충격파전압은 1.2/50µs 이며 T 1 = 1.2µs ± 30%, T 2 = 50µs ± 20% 정도의오차를허용하고있다. 원래의원점을이용하지않고 0.3V cr 을이 용하여규약원점을정의하는이유는전압발생초기에는너무빠른시간이 므로측정에한계가있으며, 표유용량(stray capacitance) 과회로상의 인덕턴스로인해파형이진동되므로원점을규정하기어렵기때문이다. 그리고뇌충격파전압은파두에서고전압설비에문제를일으키므로파미 를 0.5V cr 까지두지않고최대값을지나면전압을차단하여시험의용이 성을향상시키는경우가있으며이러한파형을재단파(chopped wave) 라 한다. 그리고파두에서의전압상승률이사고에미치는영향이크기때문 에경우에따라서는 을급준파라한다 [14]. 1µs보다짧은파두로서시험하게되며이러한파형 V 1.0(V cr) 0.9 파미 0.5 파두 0.3 O O' 규약원점 T F T t 2.5 뇌충격파전압의정의 Fig 2.5 Definition of Shock Wave

29 제3장실험장치및방법 3.1 실험장치 열화실험에사용한변압기 표 3.1과같은단상 13.2kV / 220V 10kVA의유입식변압기 4대를만 들어열사이클열화시키고, 그절연유를전기적, 기계적, 화학적분석을 하였다. 실험에사용한식물유는미국 C사의식물유1, 국내 D사의식물유2와광 유계절연유 1종 2 호이다. 기존의광유계유입식변압기의연구결과를토대로, 변압기열화에따른 수명의핵심적자료가되어분석해야할전기적, 화학적분석방법을결 정하였다. 표 3.1 실험에사용한변압기 Table 3.1 transformers of experiment 변압기구분사용절연유용량열화방법 #1 VOCTC 식물유1 : 미국C사제품 열사이클 #2 VODTC 식물유2 : 국내D사제품 1 차전압 : 13.2kV 열사이클 #3 MO12TC 광유 : 1종2호 2 차전압 : 220V 용량 : 10kVA 열사이클 #4 MO12HT 광유 : 1종2호 일정온도의고온열열화 VO ; vegitagle oil, MO ; Mineral oil C ; 미국C 사제품, D ; 국내D사제품 TC ; Thermal cycle, HT ; High Temperature 개별변압기의특성에따라, 표 열화특성에차이가나타나지않도록다음 3.2 와같은네개의동일한변압기를사용하였다

30 표 3.2 변압기시험성적서 Table 3.2 Specification of Transformer 항목 변압기 #1 VOCTC #2 VODTC #3 MO12TC #4 MO12HT 상수 주파수 60Hz 60Hz 60Hz 60Hz 용량 10kVA 10kVA 10kVA 10kVA 전 비 압 1 차 (R) (R) (R) (R) 차 230V/0V 230V/0V 230V/0V 230V/0V 무 하 부 무부하전류 (A/%) 무부하손 (W) 0.18/ / / / 부 손 하 임피던스전압 (V/%) 부하손 (W) 385/ / / / 전압변동률 ( 역율1.0 일때)(%) 효율 ( 역율1.0 일때)(%) 정격부하유상부온도상승값 실험에서는 120 의온도상승을위해실험용변압기의임피던스전압 385/2.92(V/%) 의 185% 인 712V 를인가하였다

31 3.1.2 냉동변압기실험에사용한변압기 냉동실험에사용한변압기는열화실험에사용한변압기와동일한변압기 로변압기시험성적서의시험결과는표 3.3 과같다. 표3.3 변압기시험결과 Table 3.3 Transformer Test Report 시험항목 결과 유온도상승 양호 절연저항 (M Ω) P-S P-E S-E 양호 절연내전압시험1분 P-SE: -KV S-E: 3KV 양호 유도시험 정격전압의 (2.0) 배 420Hz 18초간 양호 충격시험 1 차: 전파 (125)KV 절단파 (145)KV 양호 2 차: 전파 ( - )KV 절단파 ( - )KV -- 절연유내압 30KV 이상 / 2.5mm Gap 40 누유시험 0.36kg /cm 2 24hours -- 변압기냉동실험을위하여식물성절연유( 국내D 사제품) 를채운변압기를 식물성절연유의어는점 -25 를감안하여 -30 를냉동상태를유지하 는냉동챔버에서식물성절연유를냉동시켰다

32 3.1.3 열화실험설비구성 3.1과같이항온및냉각용챔버내에서 3 대의변압기(#1 VOCTC, #2 VODTC, #3 MO12TC) 를 30 ~120 로열사이클열화시켰으며, 한대의변압기(#4 MO12HT) 는 120 의일정온도로열화시켰다. Ch # 1 VOCTC # 2 VODTC # 3 MO12TC # 4 MO 실험설비 Fig 3.1 Facilities of experiment

33 3.2 실험변압기 Fig 3.2 Transformers 3.2는챔버내에설치한열사이클실험을위한실험용변압기 3 대(#1 VOCTC, #2 VODTC, #3 MO12TC) 와옥외에설치한승압용변압기와온 도를일정하게유지하는실험용변압기(#4 MO12HT) 사진이다. 옥외에설 치한승압용변압기에서옥외의실험용변압기와챔버내실험용변압기3대 에과전압을인가한다

34 3.1.4 냉동변압기실험설비구성 3.3는 -30 를유지하는냉동챔버(2m 2m 2m) 의냉동챔버에서 식물성절연유( 국내D 사제품) 를채운실험변압기가냉동되고있는모습이 다. 3.3 냉동챔버내실험변압기 Fig 3.3 Transformer in Freezer Chamber

35 3.2 실험방법 변압기열화방법 식물성절연유를사용한변압기두대, 광유(1종2 호) 를사용한변압기두 대로총네대의변압기를만들어, 아래과같이세대의변압기(#1 VOCTC, #2 VODTC, #3 MO12TC) 는 30 ~120 의열사이클을주고 한대의광유계변압기(#4 MO12HT) 는 120 의일정한온도로열화시 켰다. 절연유채취는 42, 93, 143, 190, 240, 300 사이클에하였으며, 절연파 괴전압, 체적저항, 전산가, 수분함량, 점도, 유중가스분석을측정하였다. # 1 VOCTC ( ) Temperature Time (h) # 2 VODTC ( ) Temperature Time (h) 절연유전기 / 화학적분석비교 #3 MO12TC #4 MO12HT ( ) ( ) Temperature Temperature Time (h) Time (h) 절연유전기 / 화학적분석비교 3.4 실험개요도 Fig 3.4 Synoptic experiment map

36 AC 220V Voltage regulator 220V입력 0~220V출력 10kVA 변압기 220V입력 2kV출력 10kVA 온오프콘트롤 실험용변압기 #4( 광유1종2 호) 단상 13200V/220V 10kVA 실험용변압기 #1( 미국C 사식물유) 단상 13200V/220V 10kVA 실험용변압기 #2( 국내D 사식물유) 단상 13200V/220V 10kVA 실험용변압기 #3( 광유1종2 호) 단상 13200V/220V 10kVA 3.5 실험설비작동구성도 Fig 3.5 Configuration of Equipments

37 3.2.2 변압기온도상승방법 변압기절연유를 120 로상승시키기위해시험변압기(#1 VOCTC, #2 VODTC, #3 MO12TC, #4 MO12HT) 의 2차측을단락시키고전압을인 가하였다. 변압기절연유의 120 포화온도를얻기위해정격부하손의 1.85 배를인가하였다 % 부하전압을인가한변압기절연유의온도그래프 Fig 3.6 Temperature of Insulating Oil 3.6 는옥외실험용변압기(#4 MO12HT) 에 185% 부하전압을인가 하였을때절연유의온도그래프이다. 옥외실험용변압기의경우약 120 의포화온도에도달하는데약 13시 간이걸렸다. 185% 과부하전압을준챔버내변압기절연유는 30 에서 120 온도가 상승하는데약 7.5 시간이필요하였으며, 120 에서 30 온도가하강하 는데약 9.5 시간이필요하였다. 총한번의열사이클을나타나는데약 17 시간이필요하였다

38 % 부하전압을인가한변압기절연유의온도사이클그래프 Fig 3.7 Temperature Cycle of Insulating Oil 3.7 은챔버내부변압기(#1 VOCTC, #2 VODTC, #3 MO12TC) 에 185% 부하전압을인가하였을때절연유의온도그래프이다. 그래프를보면옥외의변압기가 120 에도달하는데약 13시간이걸린 거에비해챔버내변압기는약 7.5 시간이걸렸다. 이러한차이는밀폐된챔버내에서의공기의순환이원활하지못하여챔 버내변압기가더빨리 120 에도달하였기때문이다

39 3.2.3 절연유채취시기 절연유의채취시기는열사이클을준챔버내변압기들 (#1 VOCTC, #2 VODTC, #3 MO12TC) 을기준으로채취하였다. 절연유채취는열사이클이 채취하였다. 42, 93, 143, 190, 240, 300사이클일때 절연유는챔버내변압기( #1 VOCTC, #2 VODTC, #3 MO12TC) 의온 도사이클을기준으로옥외변압기(#4 MO12HT) 의절연유를동시에채 취하였다. 절연유는황갈색시약병에채취하였으며, 채취한절연유의수분영향을 최소화하기위해옥외변압기의온도가상온의온도까지떨어졌을때채취 하였다. 또한황갈색시약병에마개부분을테프론테이프로처리하여채취된절 연유에수분흡수를최소화하였다

40 3.2.4 냉동변압기충격시험 식물성절연유가냉동된실험변압기를충격시험하였다. 냉동변압기를냉 동상태를유지한상태에서시험장까지이동하기위해운반용냉동챔버 (1.2m 1.2m 1.2m) 에드라이아이스를채워변압기의냉동상태를유지한 상태에서이동하였으며, 3.8과같이시험장소에서변압기의식물성 절연유가냉동된상태를유지하였다. 3.8 냉동된식물성절연유( 국내D 사제품) Fig 3.8 Frozen Vegetable Insulating Oil

41 3.9는고전압시험장에 Impulse Voltage Test기로냉동된변압기에 충격파를인가하기위해변압기의일차측에결합하였으며, 변압기의이 상유무판별을위한전류파형측정을위해접지선을결합한모습이다. 3.9 변압기충격시험모습 Fig 3.9 Shocking Wave Test

42 제4장실험결과및고찰 4.1 열사이클열화와고온열화에따른광유의특성비교 절연내력 Dielectric Strength (2.5mm KV) MO12TC MO12HT (Cycles) 4.1 열사이클열화와고온열화에따른광유의절연내력결과그래프 Fig 4.1 Dielectric strength of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature 체적저항 7.00E E+13 Volume Resistivity (Ω.Cm) 5.00E E E E E+13 MO12TC(80 ) MO12HT(80 ) 6.00E (Cycles) 4.2 열사이클열화와고온열화에따른광유의체적저항결과그래프 Fig 4.2 Volume Resistivity of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature

43 전산가 Total Acid Value (mg KOH/g) (Cycles) MO12TC MO12HT 4.3 열사이클열화와고온열화에따른광유의전산가결과그래프 Fig 4.3 Total Acid Value of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature 수분함량 Water Content (ppm) (Cycles) MO12TC MO12HT 4.4 열사이클열화와고온열화에따른광유의수분함량결과그래프 Fig 4.4 Water Content of Mineral oil by Thermal Cycles and High Temperature 절연내력은 KS C IEC 에의해측정하였으며, 체적저항은 KS C 2101 에의해측정하였다. 4.1, 4.2의절연내력결과와체적저항결과그래프를보면열사이 클에의한절연내력의감소정도는고온열화에비해 93사이클에서큰것 을알수있었으며 93사이클에서 300사이클까지적은감소율로계속적인

44 감소를보이고있다. 열사이클열화의광유는 42사이클에서급격한감소 를나타냈으며, 고온열화의광유는 143사이클에서급격한감소를나타내 었다. 전산가란절연유 1g속에함유되는전체산성성분을중화시키는데에 필요한수산화칼륨의 mg 수를말하며, 전산가실험은 KS C 2101에의 해측정하였다. 4.3의전산가결과는 42사이클에서 300사이클까지열사이클열화에 의한전산가의증가가고온열화에비해더컸다. 산가의증가는절연유의 Colloid 성분을증가시켜유중의수분미세입자를떠오르게하고권선을 단락시켜유중의미세입자를떠오르게하여권선을단락시키거나절연을 저하한다[15,16]. 위에결과로볼때 Peak부하시유온도상승에의한 고온열화에비해변압기의부하변화에따른권선과열수축팽창에따른 기계적 Stress 에의한열화가큼을알수있다. 4.4의수분함량의결과는열사이클열화의광유와고온열화의광유 가비슷한수준의증가를나타내다 240사이클과 300사이클에서열사이 클열화의광유가고온열화의광유에비해큰증가를나타내었다

45 4.2 열사이클열화에따른식물유와광유의열화특성비교 절연내력 Dielectric Strength (2.5mm KV) (Cycles) VOCTC VODTC MO12TC 4.5 열사이클열화에따른식물유와광유의절연내력결과그래프 Fig 4.5 Dielectric strength of Mineral oil and Vegetable oil by Thermal Cycles 체적저항 7.00E E+13 Volume Resistivity (Ω.Cm) 5.00E E E E E+13 VOCTC(80 ) VODTC(80 ) MO12TC(80 ) 6.00E (Cycles) Fig 4.6 Volume Resistivity of Mineral oil and Vegetable oil Cycles 절연내력분석결과는4.5에나타난것처럼열사이클열화가진행되 면서식물유와광유모두절연내력이감소하는경향을보이고있으며 93 사이클에서는식물유 2종에비해광유의절연내력감소폭이더커지고

46 있으나 300사이클까지절연내력결과를보면변화가거의없음을확인할 수있었다. 식물유의경우 143사이클이후부터절연내력의저하가둔화 됨을확인할수있었다. 4.6의체적저항의결과를보면광유의경우초기값에비해 42 사이 클에서급격한감소를보이고있으며사이클이진행되면서식물유와비슷 한수준의체적저항값을나타내고있다. 이결과로볼때광유의초기체 적저항값이식물유에비해월등히높지만열화에따른체적저항값의급 속한감소를나타내었음을확인할수있었다

47 전산가 Total Acid Value (mg KOH/g) VOCTC VODTC MO12TC (Cycles) 4.7 열사이클열화에따른식물유와광유의전산가결과그래프 Fig 4.7 Total Acid Value of Mineral oil and Vegetable oil Cycles 수분함량 Water Content (ppm) (Cycles) VOCTC VODTC MO12TC 4.8 열사이클열화에따른식물유와광유의수분함량결과그래프 Fig 4.8 Water Content of Mineral oil and Vegetable oil Cycles 전산가분석결과는4.7에나타난것처럼식물유는열사이클열화가 진행하면서 143 사이클에서급격한증가를확인할수있었다. 광유의경 우 300 사이클까지전산가의변화가거의없었으며, 식물유의경우광유 에비해 143사이클에서약9 배의증가를보였고, 300사이클까지꾸준한 증가가있음을확인할수있었다. 수분함량분석결과는4.8에나타난것처럼열사이클열화가진행되

48 면서식물유의경우 42사이클에서급격하게증가하였으며또한 93사이 클에서측정한결과를보았을때식물유의수분함량은 42사이클에서측 정한결과와비슷한수준을유지하였으며, 300사이클까지점차적으로 증가하였다. 광유의경우 300사이클까지점차적으로수분함량이증가하 는것을알수있다. 식물유와광유의수분함량을비교하였을때광유에비해식물유는약 5.5 배이상의수분함량을나타내고있다. 위의결과를종합해볼때식물유의화학적인성분은트리글리세라이드 (triglycerides; long-chain fatty acid ester molecules) 혼합물로서극성 이있고불포화상태이고쉽게수소와결합을형성한다.[17] 이러한식물 유의화학적인특성은광유에비해공기중의수분을흡수하여광유에비 해열화에따른수분과전산가의더많은증가를나타낸다. 그러나열화의진행에따라식물유의경우광유와달리수분과전산가의 증가에비해 확인할수있었다. 더높은절연내력을나타내고있음을실험데이터를통해 그원인은식물유의경우광유의일반적인값보다높은산가를생기게 하는소량의자유지방산을포함하여식물유가열화됨에따라수분과반 응하여긴사슬의지방산을생성하지만긴사슬의지방산은광유에서발 견되는짧은사슬의유기산에비해부식성이없기때문이다. 또한절연유 의절연내력은상온수분포화량에약50% 시작한다.[17] 위의실험결과를보았을때 정도도달하였을때저하되기 300사이클에서의식물유와광유의수분함량 을식물유와광유의상온수분포화량50% 에대한비율로계산을하였을 때식물유의경우약60% 광유의경우약83% 로식물유가광유에비해 낮은값을나타내었다. 이에따라식물유의경우광유에비해절대적인수분함량은약 5.5배이 상의증가를보였으나식물유의경우광유에비해상온수분포화량 50% 의값이더적었으며이는열화에따른식물유의절연내력감소가광유에 비해더적은것을설명할수있다

49 점도 (40 ) Viscosity (cst) (Cycles) VOCTC(40 ) VODTC(40 ) MO12TC(40 ) (a) 점도 (100 ) Viscosity (cst) (Cy cles) V OCTC(100 ) V ODTC(100 ) MO12TC(100 ) (b) 4.9 열사이클열화에따른식물유와광유의점도결과그래프 Fig 4.9 Viscosity of Mineral oil and Vegetable oil by Thermal Cycles 점도는 KS M2014 에의해측정하였으며, 4.9를보면 40,10 0 에서초기의식물유의높은점도가열사이클열화가진행되어도 일정하게유지되고있다. 광유에비해약 4~5배높은식물유의초 기의점도는변압기운전시과부하에의한권선의핫스팟 (hottest-spot) 부분의과열온도의열방산에문제점이될수있으나 위의결과를볼때열화에따라식물유의점도의증가에따른문제점

50 은발생하지않을것으로예상되어진다. CO2/CO CO2/CO (Ratio) VOCTC VODTC MO12TC ( 절연유 ) CO2/CO at 190Cycles CO2/CO at 240Cycles CO2/CO at 300Cycles 4.10 열사이클열화에따른 240사이클에서의 CO 2 /CO 결과그래프 Fig 4.10 CO 2/CO ratio of Mineral oil and Vegetable oil 4.10은열사이클열화에따른 190, 240, 300사이클에서의 CO 2 /CO 결과그래프이다. IEEE Std C57.104에따르면 CO 2 /CO의비는셀룰로오 스절연지의열분해지수로사용되며이지수의 7이상은정상으로판별하 며 CO 2 /CO비를확실한지표로사용하기위해 CO 2 와CO의값은각각 5000(ppm), 500(ppm) 을초과하여야한다. CO값의증가에따라 CO 2 /CO 비는감소하며이것은셀룰로오스절연물의열화에따른이상의가능성이 있음을암시한다[18]. 실험에사용한절연유들은 190사이클에서도아직 CO 2 /CO비가 7 이하로떨어지지않았으며, CO 2 와CO의각각의값또한 5000(ppm), 500(ppm) 을초과하지못하였다. 하지만 240사이클과 300사 이클에서 CO 2 와CO의값이각각 5000(ppm), 500(ppm) 을초과하였으 며,CO 2 /CO비또한 7 이하로나타났다. 두식물성절연유의 CO 2 /CO와광유 의CO 2 /CO비가 240사이클에서부터 7이하의값을나타내는것을볼때 식물유와광유를사용한변압기들의셀룰로오스절연물의열분해가진행하 였음을예상할수있다

51 Relative proportion of key gases at 240Cycles Relative proportion (%) CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 Gas VOCTC VODTC MO12TC 4.11 열사이클열화에따른 240사이클에서의 Key gases의비율결과 Fig.4.11 Relative proportion of Key gases of Mineral oil and Vegetable oil Relative proportion of key gases at 300Cycles Relative proportion (%) CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 Gas VOCTC VODTC MO12TC 4.12 열사이클열화에따른 300사이클에서의 Key gases의비율결과 Fig.4.12 Relative proportion of Key gases of Mineral oil and Vegetable oil IEEE Std C57.104에따르면유중가스해석법으로 Key gas 분석방법이 있다. Key gases는변압기의상태를파악할수있는 CO, H 2, CH 4, C 2 H 6, C 2 H 4, C 2 H 2 와같은중요가스들이다. Key gases들의상대적점유 율과 Key gases 중가장점유율이높은가스를주도가스(Principal Gas) 라하며, 이러한주도가스(Principal Gas) 와 Key gases의상대적인점유 율에따라절연유열분해, 절연지열분해, 부분방전, 아크방전의변압기의 4 가지결함상태를진단할수있다.[18] 4.11과4.12는 240 사이 클과 300사이클에서 Key gases의상대적인점유율을나타내며점유율이

52 가장높은주도가스(Principal Gas) 는식물유두종과광유모두 CO이었 다. CO 가주도가스(Principal Gas) 인경우변압기의셀룰로오스절연물의 상당한양이열분해되었음을알수있다. 또한변압기의유침구조 (Oil-impregnated structure) 와관련된결함이발생하였을때 CH 4, C 2 H 6 와같은 Hydrocarbon 가스가추가적인점유율을나타낸다.[16] 광 유에서는 Hydrocarbon 가스가상당한점유율을나타내는것을볼때광 유를사용한변압기의유침구조(Oil-impregnated structure) 에서의결함 또한예상할수있다

53 4.3 냉동변압기의충격시험 식물성절연유가냉동된냉동변압기에충격시험은시험성적서에서의변 압기충격시험의절단파파고치전압의 50%, 100% 의파고치전압에 [µs] 전압파를인가하여시험하였고, 전파의경우는시험성적서에 서의변압기충격시험의전파파고치전압의 [µs] 전압파를인가하여시험하였다[19]. 50%, 100% 의파고치전압에 % 절단파충격시험결과 Fig % Chop Shock Wave 4.13의 50% 절단파( 파고치전압: 72.5KV, [µs]) 를 인가한 충격시험결과에서식물성절연유가냉동된냉동변압기의 권선절연에이상없이양호함을알수있다

54 % 전파충격시험결과 Fig % Full Shock Wave 4.14의 50% 전파( 파고치전압: 62.1KV, [µs]) 를인가한충격 시험결과에서식물성절연유가냉동된냉동변압기의권선절연에이상없 이양호함을알수있다

55 (a) (b) % 절단파충격시험결과 Fig % Chop Shock Wave 4.15의 100% 절단파( 파고치전압: 142.4KV, [µs]) 를인가한 2 번의충격시험결과에서식물성절연유가냉동된냉동변압기의권선절연 에이상없이양호함을알수있다

56 (a) (b) % 전파충격시험결과 Fig % Full Shock Wave 4.16의 100% 전파( 파고치전압: 142.4KV, [µs]) 를인가한 2번 의충격시험결과에서4.15a의결과를보면변압기의 1차측에인가 된 100% 전파의결과파형이파고치전압은 123KV를나타내며 19[µs] 에 서전압이급격히떨어지는파형이나타났으며, 권선에서의전류가측정

57 범위를 벗어날 정도로 무한대로 커지고 있음을 확인 할 수 있었다. 4.15b는 2번째로 100%전파를 인가한 충격시험의 결과로 식물성절연유가 냉동된 냉동변압기의 권선절연에 이상이 발생하였음을 또 다시 한번 확인 할 수 있었다 절연지가 탄화된 모습 Fig 4.17 Carbonization of Insulating Paper 4.18 권선이 단락된 모습 Fig 4.18 Short of Coil

58 4.17과4.18는충격시험을한변압기의내부권선의모습으로 에서보듯이절연지가탄화되었으며변압기의 1차권선이단락되었 다. 위와같은결과는식물성절연유가냉동되는과정에서변압기의권선 구조에변형이생겼거나, 식물성절연유가냉동되면서권선과절연유사이 의공극에의한부분방전이발생하였음을추측할수있다. 이에따라극 한지역에서변압기의작동이정지되어절연유가냉동되었을경우, 특히 식물성절연유와같이어는점이높은절연유의경우는시험결과에보듯이 뇌에의한변압기의절연이취약함을알수있다. 그에따라절연유가냉 동된변압기의절연설계에대한연구가필요하다

59 제5장결론 전력사업에있어서안정적인전력공급을위해변압기가겪을수있는열 화연구를위해일반적으로절연유를고온상태로유지하는열화방법과차 별화된실제변압기를이용하여실제변압기에서발생하는부하변동에따른 열사이클열화방법과과부하에따른고온열화방법으로열화된절연유의 전기적/ 화학적분석을통해변압기에더치명적인열화의원인이무엇인 가를본실험을통해규명하였으며, 친환경성이점차부각되고있기때문 에신규로개발되는전력기기는친환경적으로설계되어야함에따라본 연구에서는생분해도가높아환경친화적이고, 인화점및발화점이높아 화재의위험도가낮은식물성절연유를기존변압기의광유대체로사용 하기위해식물성절연유의전기적, 열적열화특성을실험으로규명하였 다. 또한식물성절연유의취약점인높은어는점으로인해혹한지역에서 정전사태에서발생할수있는절연유의냉동에따른변압기절연에대한 문제점을식물성절연유가냉동된변압기의충격시험을통해규명하였다. 그결과를아래와같이세가지로정리한다. 1. 광유의열사이클열화와고온열화에따른열화비교실험에서열사 이클열화는일정고온을유지한고온열화에비해절연내력, 체적저항, 전산가, 수분함량의결과에서보듯이더많은열화가진전되었다. 이러한 원인은고온에의한권선및절연물에대한열화에비해열사이클열화 에서의권선및절연물의열적열화와열수축팽창에의한기계적열화가 절연유의열화를더촉진시켰음을확인할수있었다. 이에따라일정한 고온에의해변압기에서발생하는열화경향분석데이터에추가하여일반 적인주상용변압기에서발생하는부하변동에따른열사이클열화에대한 열화경향분석데이터의확보가필요함을본연구는보여준다. 2. 열사이클열화에따른식물유와광유의열화비교실험에서식물유의경우광유에비해전산가증가폭이급격히증가하였으나절연내력의감

60 소율은광유에비해매우작았다. 이러한결과는식물유에서생성되는긴사슬의지방산이기존에사용되고있는광유에서생성되는짧은사슬의지방산에비해부식성이없으며이러한지방산의형태와특성의차이는식물유에서의전산가의증가가광유에서의전산가의증가에비해절연유의절연내력저하에미치는영향이적음을설명할수있다. 전산가의증가에따른절연내력의감소율은식물유의열화에따른전산가증가와절연내력의감소율과많은차이가발생함을실험을통해확인할수있었으며, 이러한결과는기존에광유를이용한열화시험에서제안한주상용변압기의수명평가를위한절연유및고체절연물의기계적특성방법에서의기준과별도의식물유를사용한주상용변압기만을위한열화에따른수명평가기준을제시할수있는충분한데이터의확보가필요함을본연구는보여준다. 3. 식물성절연유가냉동된변압기충격시험에서정상액체상태의식물성 절연유의변압기에비해충격시험에서취약한점을확인할수있었다. 이 러한결과의원인은식물성절연유가냉동되는과정에서변압기의권선구 조에변형이생겼거나, 식물성절연유가냉동되면서권선과절연유사이의 공극에의한부분방전이발생하였음을추측할수있다. 이에따라극한지 역에서정전과같은변압기의작동이정지되었을경우식물성절연유와 같이어는점이높은절연유의경우는뇌에의한변압기의절연이취약함 을알수있다. 이에따라, 식물성절연유의실제적인적용을위해서절 연유의냉동에따른변압기의절연설계에대한연구가필요함을본연구 는보여준다

61 Reference [1] William H. Bartley, "Life Cycle Management of Utility Transformer Assets", HSB report, Oct. 10~11, 2002 [2] 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, 1999 [3] 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, pp1132~1139, 2001 [4] U.S. Environmental Protection Agency, "Environmental Technology Verification Report", EPA 600/R-02/042, May 2002 [5] ASTM D6871 "Standard Specification for natural(vegetable Oil)Ester Fluid Used in Electrical Apparatus", ASTM International [6] Rapp, K.J. Mcshane, C.P. Luksich, J, "Interaction mechanisms of natural ester dielectric fluid and Kraft Paper", Dielectric Liquids, ICDL IEEE International Conference on pp.393~396, June. 26~July 1, 2005(6) [7] McShane, C.P., "Vegetable-oil-based dielectric coolants", Industry Applications Magazine, IEEE, Volume 8, Issue 3, pp.34~41, 2002(17) [8] Jun Zhang, Guangning Wu, Jinlu Sheng, Lijun Zhou, "An On-line Condition Assessment and Diagnosis System for Traction Transformers Based on Dissolved Hydrogen Analysis", IEEE/DEIS, pp101~104, 2004 (4) [9] R.M.Morais, W.A.Mannheimer, M.Carballeria, J.C.Noualhaguet, "Furfural Analysis for Assessing Degradation of Thermally Upgraded Papers in Transformer Insulation", IEEE Trans. Dielec. and Elect. Insul., Vol. 6, No. 2, pp159~163, April 1999 (3) [10] 동명사, 유도기기, 박문호, pp.202~204, [11] IEEE Std. C57.100, "IEEE Standard Test Procedure for

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63 감사의글 오늘의작은결실을하나님께감사드리고, 이논문이완성되기까지많은좌절과어려움이있었지만, 저를옆에서지켜보며끊임없이힘을주신많은분들게이글을통해감사의마음을전해드리고자합 니다. 먼저저를믿어주시고지도하여주신허창수교수님께깊은감사를드리며, 님의진심어린말씀하나하나새겨가며최선을다해살아가곘습니다. 또한, 학문과삶에대한교수 바쁘신가운데제 학위논문의심사를맡아주신이복희교수님, 이천교수님께감사드리며, 앞으로도많은지도와편달을 바랍니다. 그외전기공학과모든교수님들께도감사의뜻을전해드립니다. 아울러대학원생활중많은격려와도움을주신이기택, 서유진, 황청호, 김남렬, 이상엽, 이태 호, 연복희, 송정용, 권오상외에너지변환연구실선배님들께감사드리고, 그동안고락을같이해오 며많은도움을준중일이형, 주일이형, 선묵이형, 명섭, 병택, 정주, 진석, 진성, 순호, 동관, 예나에게뜨거운마음을전합니다. 오늘까지한없는사랑과헌신적인봉사로보살펴주신아버지그리고지금은병환으로병원에입원해 계신어머니의빠른쾌유를바라며고개숙여감사드리고, 앞으로효도할것을약속합니다