침지형 변압기의 설계자와 사용자에게 변압기 오일의 구성과 특성을 이해하고 냉각 및 절연 효과를 적절하게 활용하는 것은 매우 의미가 있습니다. 이러한 이해는 전체 작동 수명 동안 변압기의 최고의 성능을 달성하는 데 매우 도움이 됩니다.
1. 냉각 매체로서의 절연유
철, 구리와 같은 기본 재료를 논의할 때 변압기 작동 중에 에너지 손실이 있다는 것이 제안되었습니다. 물론 철과 구리는 열의 형태로 에너지를 소비합니다. 열은 철심, 권선, 철심 프레임, 오일 탱크 또는 기타 예비 부품의 온도 상승을 유발할 수 있습니다. 열이 발생한 후 이를 제거하면 이 영역의 열은 평형에 도달합니다. 대부분의 변압기의 경우 온도 상승 한계는 절연지의 지지력에 따라 결정될 수 있습니다. 절연지의 허용 한계가 100도인 경우 온도 상승 한계는 100도 이내로 설정되어야 합니다. 효과적인 냉각이 중요합니다. 용량이 가장 작은 변압기를 제외하고 액체 냉각은 다른 모든 변압기에 가장 적합한 방법입니다.
대부분의 변압기에서 미네랄 오일은 철심과 권선에서 열을 흡수하고 그 열을 자체 냉각 또는 공랭식 외부 표면으로 전달하는(때로는 강제 오일 순환을 통해) 가장 효과적인 매체입니다. 오일의 열용량 또는 비열 용량과 열전도율은 열전도율에 상당한 영향을 미칩니다.
2. 절연 매체로서의 절연유
대부분의 전기 장비에는 서로 다른 전위를 갖는 수많은 구성 요소가 있으므로 서로 절연해야 합니다. 경제적으로 고려하려면 서로 다른 구성 요소 간의 격리를 최대한 최소화해야 하며, 이는 장비가 가능한 가장 높은 전계 강도에서 작동할 수 있어야 함을 의미합니다. 또한 변압기는 정격 전압보다 짧은 시간 동안 작동하거나 작동 및 낙뢰로 인한 일시적인 과전압을 견뎌야 하는 경우가 많습니다.
고체 단열재의 효율성에 있어 오일의 중요한 역할은 단열재를 둘러싼 층에 침투하여 침지되는 능력에도 반영됩니다. 종이 및 기타 섬유 기반 재료를 건조 및 진공 탈기한 후 담급니다.
침지 변압기 초기부터 전기 강도 테스트는 오랫동안 변압기의 전기 품질을 검사하는 유일한 표준이었습니다. 오늘날까지 훨씬 더 복잡한 테스트가 있었지만 전기 내력 테스트는 여전히 현장 테스트에 가장 간단하고 적합한 테스트로 간주됩니다.-
3. 점도 및 유동점
열은 복사, 전도, 대류의 세 가지 방식으로 확산될 수 있습니다. 이러한 각 방법은 철심 및 오일 침지 변압기 도체를 냉각하는 데 도움이 되지만 대류가 가장 중요한 방법입니다. 대류는 뜨거운 기름과 차가운 기름 사이의 밀도 차이에 의해 생성되는 자연 순환에 의존합니다. 대류의 발생은 분명히 오일의 점도에 따라 달라지므로 가장 중요한 것은 변압기 오일의 점도가 낮다는 것입니다. 때때로 대류는 펌프에 의해 강제되거나 지원되어야 하지만 이상적인 상황은 오일 자체가 최소한의 저항과 최대 대류를 생성하는 것입니다.
또한 점도가 낮으면 오일이 좁은 오일 채널에 침투하는 데 도움이 되고 권선의 오일 순환을 촉진하여 오일이 거의 통과하지 않는 영역에서 낮은 유속으로 인한 국부적 과열을 방지합니다.
초기 함침은 주로 오일의 가속을 통해 수행됩니다. 고전압 변압기의 전계 강도가 높은 영역에서는 얇은 오일이 여러 겹의 종이 절연체를 통과하기에 충분합니다.
대부분의 다른 액체와 마찬가지로 미네랄 오일의 점도는 반고체가 될 때까지 온도가 감소함에 따라 증가합니다.- 이 단계에서는 냉각 효율이 본질적으로 0입니다. 오일의 유동점은 오일이 흐를 수 있는 가장 낮은 온도입니다. 추운 지역에서 작동하는 변압기의 경우 가능한 가장 낮은 온도에서도 오일은 반고체 상태에 도달할 수 없으며 유동점이 더 낮아야 합니다.
매우 낮은 온도에서도 오일의 점도는 유동점보다 훨씬 높을 때 오일 흐름이 방해받지 않도록 보장해야 합니다. 변압기 오일에 대한 기술 규정에서는 온도가 정상 주변 온도 학위 값보다 현저히 낮을 때 오일의 최대 점도를 지정하는 경우가 많습니다.
4. 휘발성 및 인화점
일반적으로 변압기의 예상 수명은 최소 30년입니다. 수명 동안 증발로 인한 오일 손실을 항상 고려하지 않는 것이 이상적인 상황이며, 다량의 가벼운 성분이 방출되어 오일의 구성이 변경되는 것도 허용되지 않습니다. 따라서 석유의 변동성이 낮을 것으로 기대됩니다.
석유 제품이 전기 장비에 사용될 때마다 어느 정도 화재 및 폭발의 위험이 숨겨져 있음을 알 수 있습니다. 따라서 오일의 작동 온도는 인화점보다 훨씬 낮아야 합니다. 한편, 오일이 휘발성 가스로 오염된 경우, 가스의 양이 그다지 많지 않더라도 정상적인 작동 조건에서 오일을 가열하면 폭발의 위험이 여전히 존재합니다.
이러한 종류의 오염은 과거에도 실제로 발생했습니다. 작동 변압기의 오일이 배출되어 이전에 휘발성 용매로 채워져 있던 배럴이나 오일 탱크에 배치되었기 때문입니다.
특정 유형의 전기 결함으로 인해 오일의 큰 분자가 분해되어 휘발성 저분자량 탄화수소 또는 가연성 가스가 생성될 수도 있습니다.
5. 화학적 안정성
모든 석유계 오일은 대기 중 산소의 침입에 취약합니다. 침입 정도는 여러 요인에 따라 다르지만 변압기 오일도 예외는 아닙니다.
오일의 선택, 더 정확하게는 사용되는 오일의 성분과 산화를 조절하는 다양한 요인이 가장 효과적인 전략입니다. 산화에는 온도, 산소, 촉매의 세 가지 주요 요소가 있습니다.
오일은 분자량이 더 큰 탄화수소 분자로 구성되어 있어 더 가벼운 휘발성 물질로 쉽게 분해되며 분해 온도는 이러한 분해 과정을 가속화할 수 있습니다. 이상적인 상황은 정상 작동 온도 범위 내에서 열화가 없어야 하지만 고온에서는 고장이 발생하는 것을 피하기 어렵습니다.
6. 오일의 종류
18세기 후반부터 광유는 발전소에 사용되어 왔습니다. 변압기의 아버지로 불리는 세바스티안 페란테(Sebastian Ferrante)는 1891년에 이 오일의 가치를 인식했습니다. 이후 선택 및 적용 방법의 개선과 더욱 진보된 정제 기술의 채택을 통해 절연유의 특성이 어느 정도 향상되었습니다. 현재 미네랄 오일은 여전히 많은 전력 장비의 중요한 구성 요소입니다.
첫째, 석유의 출처와 생산을 이해하는 것이 중요합니다. 모든 유형의 미네랄 오일은 석유 원유에서 나오며, 이는 지하 식물이나 물 및 금속 탄화물이 부패하여 생성된 것으로 알려져 있습니다. 미국 재료 시험 협회(ASTM)는 미네랄 오일 D288을 다음과 같이 정의합니다. 미네랄 오일은 주로 탄화수소로 구성된 자연 발생 혼합물로 땅에서 액체 형태로 추출되거나 분리될 수 있습니다. 원유에는 일반적으로 물, 무기 물질, 가스 등의 다른 성분이 다양한 비율로 포함되어 있습니다. 이들 성분을 분리하는 것만으로는 원유 혼합물의 상태가 변하지 않습니다. 이러한 분리가 원유 혼합물의 구성에 상당한 영향을 미치는 경우, 생성된 제품은 더 이상 원유가 아닙니다. 원유는 전 세계에서 추출되며, 서로 다른 지리적 위치에서 추출되는 원유의 품질과 구성은 크게 다르지 않습니다. 이는 탄소와 수소 분자의 복잡한 혼합물이며 황과 질소의 비율이 적습니다. 탄화수소 분자에는 알칸, 시클로알칸, 방향족 탄화수소의 세 가지 유형이 있으며 각각 고유한 분자 구조를 가지고 있습니다. 두 종류의 원유는 함유된 탄화수소 화합물의 비율이나 추출된 제품의 양과 특성 측면에서 매우 유사할 수 없습니다.
가장 간단한 알칸은 메탄인데 이는 기체이지만 탄소 원자로 구성된 직쇄의 길이는 거의 무제한, 즉 주쇄 탄소 원자에 측쇄가 붙어 있는 분지쇄 알칸- 이성질체이며 그 분류에 제한이 없다. 그러나 이소부탄에는 가지가 있으며 둘 다 천연 가스의 형태로 나타납니다. 이 사실은 석유에 들어 있는 화합물 유형의 복잡성을 드러냅니다.
사이클로알케인은 6개의 탄소 원자를 가진 고리 구조를 가지고 있습니다. 원유에는 5원 또는 7원 고리를 가진 사이클로알칸도 있지만 6원 고리가 가장 일반적입니다. 방향족 탄화수소도 육각형 고리 구조이지만, 주요 차이점은 일부 탄소 원자가 그림에서 두 개의 선으로 표시된 이중 결합으로 연결되어 있다는 것입니다. 이는 일반적으로 반응성이 높은 방향족 탄화수소의 "불포화"입니다. 방향족 탄화수소에는 두 가지 유형이 있습니다. 하나는 고리가 하나만 있는 방향족 탄화수소 또는 단환식 방향족 탄화수소입니다. 또 다른 유형은 두 개 이상의 고리를 가진 방향족 탄화수소 또는 다환식 방향족 탄화수소로, 때로는 PAC라고도 합니다. 석유 기반 변압기 및 스위치 오일에서 방향족 탄화수소의 함량은 다양하지만 일반적으로 사이클로알칸이나 알칸의 함량보다 훨씬 낮습니다.
다양한 원유 분류 방법이 제안되었으며, 가장 일반적으로 사용되는 방법은 증류 잔류물을 기준으로 하는 것이며 파라핀 기반, 역청 기반, 혼합 또는 중간체, 시클로알킬의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 전 세계적으로 알려진 원유 구성은 약 7% 파라핀 기반 오일, 18%(사이클로 알킬 5% 포함) 역청 기반 오일, 75% 혼합 오일입니다.
7. 석유 정제
원유는 완제품을 생산하기 위해 일련의 물리적, 화학적 처리를 거쳐야 합니다. 일반적인 정유소는 일반적으로 특정 종류의 원유를 처리하여 정의된 일련의 완제품을 생산하도록 설계되었습니다. 최근에는 분해, 개질, 수소화 정제 공정의 발달로 석유산업이 발전해 이제는 원유 조성에 무관한 '맞춤형' 석유 완제품 생산이 가능해졌습니다. 따라서 원유 분류는 더 이상 최종 제품에 대해 동일한 의미를 갖지 않습니다.
다양한 종류의 정제된 석유 제품을 갖춘 정유소에서는 원유를 대기압에서 증류하여 끓는점이 낮은 부분을 생산하고, 이는 연료유와 용매로 추가로 정제됩니다. 잔류물은 진공 하에서 추가로 증류되어 전기 및 윤활유 생산을 위한 원료를 얻을 수 있습니다. 진공 증류 후 남은 잔재물은 원료의 품질과 제품의 요구 사항에 따라 연료, 아스팔트, 타르를 생산하는 데 사용될 수 있습니다.
진공 증류 단계의 증류물은 용매 정제, 황산 정제, 점토 여과, 수소화 처리, 재증류, 여과, 탈수 처리 등 하나 이상의 주요 공정을 통해 정제되어야 합니다. 품질 요구 사항을 충족하는 석유 생산을 전제로 가장 경제적인 정제 방법을 사용해야 하며, 이는 물론 정제소의 기존 공정 수준에 따라 달라집니다. 정제의 목적은 파라핀, 황, 질소산화물, 방향족 탄화수소 등을 제거하거나 감소시키는 것입니다.
원하는 점도를 얻으려면 얻은 다양한 분획을 적절하게 혼합해야 합니다. 분수가 하나뿐인 경우 다시 증류해야 합니다. 원칙적으로 용매 정제는 선택된 용매에서 파라핀, 황- 함유 화합물, 암모니아 함유 화합물 및 방향족 탄화수소와 같은 물질의 선택적 용해도에 따라 달라집니다. 황산 정제는 황산, 황{3}}함유 화합물 및 방향족 탄화수소의 화학적 조합입니다. 백토 필터는 남아 있는 극성 불순물을 제거합니다. 수소화 처리는 황-함유 화합물, 암모니아 함유 화합물 및 방향족 탄화수소를 감소시킵니다. 현재 점토 여과는 환경에 심각한 오염으로 간주됩니다. 이 정제 과정에서 처리해야 할 오염된 필터 물질이 대량으로 생성되기 때문입니다. 따라서 이 공정은 현재는 거의 사용되지 않지만 최고 품질의 전기절연유를 생산한다는 관점에서 볼 때 여전히 다른 공법과 비교할 수 없는 선호되는 공법이다.
수소화 처리는 새로 개발되어 널리 사용되는 정제 방법으로 온도, 압력, 촉매, 시간 및 기타 요인에 따라 제어됩니다. 온화한 수소화 처리는 일반적으로 "수소화 컨디셔닝"이라고 하며 하나 이상의 다른 공정 후에 수행될 수 있습니다. 황-함유 화합물과 질소-함유 화합물을 탄화수소로 변환하여 황과 질소를 제거할 수 있습니다. "수소화 정제"라고도 알려진 중수소화 처리를 사용하여 총 불포화 고리 화합물을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 고리 수가 가장 많은 화합물이 먼저 수소와 반응하면 방향족 탄화수소가 시클로알칸과 알칸으로 전환됩니다.
전기 절연유를 생산할 때 적절한 조건에서 전기적 특성, 산화 안정성 및 가스 흡수 성능에 특별한 주의를 기울여야 합니다(특히 전력 케이블의 경우 오일은 가스 흡수 성능이 좋아야 함). 이를 위해서는 매우 낮은 황 및 질소 함량과 적절한 방향족 탄화수소 함량이 필요합니다.
8. 오일 분류에 대한 보충 설명
원유를 구성하는 탄화수소 화합물의 함량과 복잡성은 앞서 소개되었습니다. 이러한 복잡성으로 인해 오일을 원산지에 따라 설명하고 분류하기가 어렵습니다. 한 가지 해결책은 적외선 분광학 기술을 기반으로 한 Brandes 시스템 방법을 사용하여 특정 탄화수소 화합물이 독립형 화합물인지 또는 분지형 탄화수소 화합물의 치환체인지에 관계없이 백분율로 표시하는 것입니다.
9. 절연유의 기술 지표
절연유의 성능에는 낮은 점도, 낮은 유동점, 높은 인화점, 우수한 화학적 안정성 및 높은 전기 강도가 포함됩니다. 덜 중요한 특성도 있지만, 그럼에도 불구하고 오일 제품을 선택할 때 해당 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 특성에는 높은 비열 용량, 높은 열 전도성, 우수한 충격 강도, 높거나 낮은 유전 상수, 높거나 낮은 가스 흡수 능력, 낮은 용해도, 낮은 밀도, 우수한 아크 소화 성능 및 무독성이 포함됩니다. 물론 위에서 언급한 다양한 특성 외에도 절연유는 가격이 저렴하고 구입이 용이해야 한다는 점도 요구됩니다.
어떤 단일 액체도 이러한 모든 특성을 가질 수 없으며 일부 요구 사항은 모순된다는 것은 명백합니다. 따라서 절충이 필요하며, 장비 설계 시 오일의 단점을 고려해야 합니다.
우리는 이러한 특성을 정의하는 방법과 EN60296:2004 표준에 따라 오일을 테스트하는 방법을 탐구해야 합니다. 영국과 세계 대부분의 국가에서는 여전히 이 표준을 사용합니다. 따라서 EN60296 표준은 영국 표준 B5148:1998과 비교되어야 합니다. 이는 주로 영국은 항상 항산화제가 없는 오일을 기꺼이 사용하는 반면, 세계 다른 국가에서는 산화제가 포함된 오일을 기꺼이 사용한다는 사실에 기초합니다. 이 유형의 오일은 영국에서는 거의 사용되지 않지만 전 세계 여러 국가에서 널리 사용됩니다. 따라서 이 섹션에서는 항산화제가 첨가된 오일에 대해 자세히 논의할 것입니다.
