절연유

절연유, 변압기유, 변압기 오일(transformer oil)은 고온에서 안정적이며 전기 절연성이 뛰어난 오일이다. 오일이 채워진 습식 변압기,^[1] 일부 유형의 고전압 축전기, 형광 램프 안정기, 그리고 일부 유형의 고전압 스위치 및 회로 차단기에 사용된다. 이 오일은 절연, 코로나 방전 및 아크 방전 억제, 그리고 냉각제 역할을 한다.

대부분의 경우 절연유는 광물유를 기반으로 하지만, 다양한 공학적 또는 환경적 특성을 가진 대체 제형이 점점 인기를 얻고 있다.

기능 및 특성

전면과 측면에 공기 대류 냉각 열교환기가 있는 오일 변압기

절연유의 주요 기능은 변압기를 절연하고 냉각하는 것이다. 따라서 높은 절연 내력, 열전도율 및 화학적 안정성을 가져야 하며, 장기간 고온에 유지될 때 이러한 특성을 유지해야 한다.^[2] 일반적으로 인화점은 140 °C (284 °F)보다 높고, 유동점은 −40 °C (−40 °F)보다 낮으며, 절연파괴는 28 kV_RMS보다 높은 곳에서 발생한다.^[3] 대형 전력 변압기의 냉각을 개선하기 위해 오일이 채워진 탱크에는 오일이 자연 대류에 의해 순환하는 외부 라디에이터가 있을 수 있다. 수천 킬로볼트암페어 용량의 전력 변압기에는 냉각 팬, 오일 펌프, 심지어 오일-물 열교환기도 있을 수 있다.^[4]

전력 변압기는 절연유가 도입되기 전에 변압기 내부에 수증기가 완전히 없도록 전기 자체 가열, 진공 적용 또는 둘 다를 사용하여 장시간 건조 과정을 거친다. 이는 코로나 형성 및 부하 시 후속 절연파괴를 방지하는 데 도움이 된다.

콘서베이터 오일 저장소를 가진 유입 변압기에는 부흐홀츠 계전기와 같은 가스 감지 계전기가 있을 수 있다. 이 안전 장치들은 코로나 방전, 과열 또는 내부 아크 방전으로 인해 변압기 내부에 가스가 축적되는 것을 감지한다. 가스가 천천히 축적되거나 압력이 급격히 상승할 경우, 이 장치들은 보호 회로 차단기를 작동시켜 변압기에서 전력을 차단할 수 있다. 콘서베이터가 없는 변압기에는 일반적으로 부흐홀츠 계전기와 유사한 기능을 수행하는 급압 계전기가 장착되어 있다.

광물유 대체품

광물유는 절연유로서 일반적으로 효과적이지만, 일부 단점이 있는데, 그중 하나는 일부 대체품에 비해 인화점이 상대적으로 낮다는 것이다. 변압기에서 광물유가 누출되면 화재가 발생할 수 있다. 화재 규범은 종종 건물 내 변압기가 덜 가연성 액체를 사용하거나 액체가 전혀 없는 건식 변압기를 사용하도록 요구한다. 광물유는 또한 환경 오염 물질이며, 소량의 물에도 절연 특성이 빠르게 저하된다. 이러한 이유로 변압기는 오일 외부로 물이 들어오지 않도록 잘 설계되어 있다.

펜타에리스리톨 테트라 지방산 합성 및 천연 에스터는 특히 높은 발화점 (300 °C (572 °F) 이상)으로 인해 실내와 같이 화재 위험이 높은 응용 분야에서 점점 더 일반적인 광물유 대체품으로 부상하고 있다.^[5] 이들은 생분해성이지만 광물유보다 비싸다. 천연 에스터는 광물유의 500시간에 비해 120°C 산소 포화 테스트에서 약 48시간으로 산화 안정성이 낮으므로 밀폐형 변압기에 사용된다.

열 팽창 및 수축으로 인해 대형 변압기에는 밀봉이 중요하다. 중대형 전력 변압기는 일반적으로 콘서베이터를 가지며, 천연 에스터를 사용하여 산소 유입을 줄이고 천연 에스터가 광물유에 비해 더 빠른 산화를 겪는 것을 방지하기 위해 고무 백을 사용한다. 실리콘 또는 플루오로카본 기반 오일도 덜 가연성이지만 에스터보다 비싸다.

식물성 기름을 사용하는 380kV 변압기^[6]

현재까지 500kV 변압기까지 콩기름 또는 유채유 기반 제형을 사용하는 식물성 제형 변압기가 300만 대 이상 서비스 중이다. 그러나 코코넛기름 기반 제형은 추운 기후나 230kV 이상의 전압에는 적합하지 않다.^[7] 연구자들은 변압기 사용을 위한 나노유체도 조사하고 있는데, 이는 오일의 안정성 및 열적, 전기적 특성을 개선하기 위한 첨가제로 사용될 것이다.^[8]

폴리염화 바이페닐 (PCBs)

폴리염화 바이페닐(PCB)은 1세기 전에 처음 만들어진 합성 유전체로, 바람직한 특성 때문에 널리 사용되었다.^[9] 폴리염화 바이페닐은 과거에는 절연 내력이 높고 불연성이라는 이유로 절연유로 사용되었다. 불행히도, 이들은 독성이 있고, 생체 축적성이며, 전혀 생분해되지 않고, 안전하게 처리하기 어렵다. 연소될 경우 염소화 다이옥신 및 염소화 디벤조퓨란과 같은 훨씬 더 독성이 강한 생성물을 형성한다.

1970년대부터 PCB 축적 및 부산물의 독성에 대한 우려로 인해 많은 국가에서 PCB 생산 및 새로운 용도가 금지되었다. 예를 들어, 미국에서는 유해 물질 통제법에 따라 1979년에 PCB 생산이 금지되었다.^[10] 많은 국가에서는 PCB 오염 장비를 회수하고 안전하게 파괴하기 위한 중요한 프로그램을 운영하고 있다. PCB 오염 절연유를 회수하는 데 사용될 수 있는 한 가지 방법은 PCB 제거 시스템(PCB 탈염소 시스템이라고도 함)을 적용하는 것이다.

PCB 제거 시스템은 알칼리 분산을 사용하여 화학 반응에서 다른 분자로부터 염소 원자를 제거한다. 이는 PCB 없는 절연유와 PCB 없는 슬러지를 형성한다. 그런 다음 두 가지는 원심 분리기를 통해 분리할 수 있다. 슬러지는 일반적인 비-PCB 산업 폐기물로 처리할 수 있다. 처리된 절연유는 완전히 복원되어 필요한 표준을 충족하며, 감지 가능한 PCB 함량이 없다. 따라서 변압기의 절연 유체로 다시 사용될 수 있다.^[11]

PCB와 광물유는 모든 비율로 혼합될 수 있으며, 때로는 동일한 장비(드럼, 펌프, 호스 등)가 두 가지 유형의 액체에 사용되었기 때문에 절연유의 PCB 오염은 계속해서 우려 사항이다. 예를 들어, 현재 규정에 따르면 5 ppm을 초과하는 PCB 농도는 캘리포니아에서 오일을 유해 폐기물로 분류하게 할 수 있다.^[12]

테스트 및 오일 품질

절연유는 변압기 작동 중에 전기적 및 기계적 스트레스를 받는다. 또한 높은 작동 온도에 의해 촉진되는 권선 및 기타 고체 절연체와의 화학적 상호 작용으로 인한 오염이 발생한다. 절연유의 원래 화학적 특성은 점차 변하여 오랜 시간이 지나면 의도된 목적에 부적합해진다.^[13] 대형 변압기 및 전기 장치의 오일은 전기적 및 화학적 특성이 적합한지 확인하기 위해 주기적으로 테스트된다. 때로는 오일 상태를 여과 및 처리로 개선할 수 있다. 테스트는 다음과 같이 나눌 수 있다.

1. 용존 가스 분석
2. 퓨란 분석
3. PCB 분석
4. 일반 전기 및 물리적 테스트:
   • 색상 및 외관
   • 항복 전압
   • 수분 함량
   • 산도 (중화 값)
   • 유전 손실 계수
   • 비저항
   • 침전물 및 슬러지
   • 인화점
   • 유동점
   • 밀도
   • 동점도

이러한 테스트를 수행하는 세부 사항은 국제전기기술위원회, ASTM 인터내셔널, 국제 표준, 영국 표준에서 발표한 표준에 나와 있으며, 어떤 방법으로든 테스트를 수행할 수 있다. 퓨란 및 DGA 테스트는 절연유의 품질을 결정하기 위한 것이 아니라, 변압기를 완전히 분해하지 않고는 감지할 수 없는 변압기의 내부 권선 또는 종이 절연체의 이상을 감지하기 위한 것이다. 이러한 테스트에 대한 권장 간격은 다음과 같다.

• 일반 및 물리적 테스트 - 2년마다
• 용존 가스 분석 - 매년
• 퓨란 테스트 - 변압기가 최소 5년 동안 작동 중인 경우 2년마다 한 번.

현장 테스트

 이 부분의 본문은 절연유 시험입니다.

일부 절연유 시험은 휴대용 테스트 장치를 사용하여 현장에서 수행할 수 있다. 용존 가스와 같은 다른 테스트는 일반적으로 샘플을 실험실로 보내야 한다. 전자 온라인 용존 가스 감지기는 중요하거나 고장 난 변압기에 연결하여 가스 생성 경향을 지속적으로 모니터링할 수 있다.

유전 오일의 절연 특성을 결정하기 위해 테스트 중인 장치에서 오일 샘플을 채취하고 다음 테스트 순서에 따라 현장에서 항복 전압을 측정한다.

• 용기 안에 2.5mm의 일반적인 간격을 가진 표준 준수 테스트 전극 두 개가 절연유에 둘러싸여 있다.
• 테스트 중에는 전극에 테스트 전압이 인가된다. 테스트 전압은 예를 들어 2kV/s의 일정한 슬루율로 항복 전압까지 지속적으로 증가한다.
• 항복은 아크에서 발생하여 테스트 전압의 붕괴를 초래한다.
• 아크가 점화된 직후 테스트 전압은 자동으로 차단된다.
• 초고속 차단은 매우 중요하다. 왜냐하면 항복 중에 오일에 유입되어 오일을 태우는 에너지는 탄화로 인한 추가 오염을 가능한 한 낮게 유지하기 위해 제한되어야 하기 때문이다.
• 제곱평균제곱근 값의 테스트 전압은 항복 순간에 측정되며 항복 전압으로 보고된다.
• 테스트가 완료된 후 절연유는 자동으로 교반되고 테스트 순서는 반복적으로 수행된다.
• 결과 항복 전압은 개별 측정값의 평균값으로 계산된다.

같이 보기

• 열 전달 오일