변압기용 절연유

1. 배경

에스테르는 1880년대 후반에 오일로 채워진 변압기가 발명된 이후로 유전체 액체로 사용되었습니다. 최초의 단순 천연 에스테르 유전체는 화학적 성질 때문에 자유 호흡 장비와 양립할 수 없는 것으로 밝혀져 점차 광유로 대체되었습니다. 나중에 실리콘유가 등장하여 높은 화재 계수 대안을 제공했습니다. 그러나 실리콘유는 환경적 문제가 나타났습니다.

전력 전송 및 배전 산업에서는 광유 및 PCB에 대한 대체 가능한 대안으로써 환경 친화적인 절연 유체에 대한 관심과 필요성이 증가하고 있었습니다. 그러나 이러한 유체가 널리 사용되기 위해서는 안전하고 경제적이며 변압기의 긴 수명 동안 높은 수준의 전기적 성능을 제공한다는 것도 입증해야 했습니다. 실리콘 및 합성 에스테르 유전체는 거의 40년 동안 성공적으로 사용되어 왔으며 계속해서 인기를 얻고 있습니다. 지난 10년 동안 천연 에스테르 유전체의 사용은 친환경성이 대두되면서 다시 사용되었습니다.

 

 

2. 대체 절연유의 적용

대체 절연유는 이제 배전, 송전 및 견인용 변압기를 포함하는 다양한 변압기 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 현재 대체 절연유에 대한 데이터베이스가 빠르게 성장하고 있기 때문에 최종 사용자는 대체 절연유에 대한 더 많은 데이터를 사용할 수 있습니다.

 

2.1 광유

광유는 변압기 응용 분야에 가장 일반적으로 사용되는 절연 액체이며, 광유를 사용해온 수년간의 경험으로 인해 방대한 지식 데이터베이스가 축적되었습니다. 그러나 요즘은 환경 문제로 인해 광유의 사용에 추가 요구 사항이 적용됩니다.
신유 상태의 광유는 현재 IEC 60296 표준을 준수해야 하며, 사용 중인 광유의 평가는 IEC 60422 국제 표준에 의해 정의됩니다.

 

2.2 실리콘유

실리콘 기반 절연유는 1970년대 말부터 변압기 제조업체에서 주로 화재 안전성을 확보하기 위해, PCB 기반 액체의 대안으로 사용되었습니다.
매우 안정적이고 내화성이 있는 절연 유체인 실리콘유는 견인 변압기 및 일반적인 변압기의 정상 동작 온도보다 온도 상승이 높을 것으로 예상되는 점점 더 소형화되는 변압기에 널리 사용됩니다. 대부분의 경우 실리콘유는 고온 고체 절연물과 함께 사용됩니다. 실리콘 변압기 절연유는 내산화성이 우수한 것으로 알려져 있으며 분해 시 생성되는 물질이 많지 않고 슬러지를 형성하지 않으면서 작동할 수 있습니다. 그러나 실리콘유는 내생분해성으로 인해 친환경 특성이 좋지 않아 환경적으로 민감한 지역에서의 사용이 제한될 수 있으며 폐기에 문제가 있을 수 있습니다.

실리콘유는 내화성과 높은 열적 안정성 때문에 배전 변압기에도 사용됩니다. 그러나 점도가 높으면 유체의 열 전달 능력이 감소하기 때문에 냉각기나 펌프를 추가할 수 없는 변압기 응용 분야에서는 사용이 다소 제한됩니다.
일본에서 전력용 변압기 적용을 위한 저점도 실리콘 유체를 개발했다는 ​​점을 제외하고는 현재까지 실리콘유로 채워진 전력용 변압기는 없습니다.

신유 상태의 실리콘유는 IEC 60836 국제 표준을 준수하며, 유지보수 가이드는 IEC 60944로 제공됩니다.

 

2.3 합성 에스테르

합성 에스테르는 주로 배전 변압기 및 화재 안전성과 환경 보호가 주요 관심사인 변압기에 사용됩니다. 전력용 변압기와 견인 변압기 및 풍력 발전 단지와 같은 까다로운 조건이 필요한 변압기에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 특히 고온이 예상되는 변압기 응용 분야에 일반적으로 사용되며, 이와 관련하여 아라미드 페이퍼와 같은 고온 고체 절연물과 함께 사용할 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 주로 화재 안전성 및 친환경적 이유 뿐만 아니라 셀룰로스의 수분 흡수와 관련하여 보고된 합성 에스테르의 이점을 살리기 위해 전력용 변압기에 합성 에스테르 절연유를 사용하는 경우도 있습니다.
합성 에스테르는 최종 사용자가 더 높은 수준의 화재 안전성 및 환경 보호를 요구하는 경우, 기존 광유 변압기를 개조(retrofill)하는 데 광범위하게 사용되었습니다.
사용하지 않은 신유 상태의 합성 에스테르는 IEC 61099 국제 표준을 준수하며, 유지보수 가이드는 IEC 61203에 따라 제공됩니다.

 

2.4 천연 에스테르

1990년대 초부터 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 기업들은 변압기 절연유로 식물성 에스테르를 개발하기 시작했습니다. 이러한 천연 에스테르 절연유는 1999년부터 상업적으로 사용되었습니다.
오늘날 천연 에스테르는 배전 변압기에 널리 사용됩니다. 
보도 자료에 따르면 천연 에스테르 절연유는 최대 400MVA 및 500kV까지 전력이 공급되고 전 세계적으로 운전 중인 200개 이상의 전력용 변압기의 실제 운전경험과 함께 전력용 변압기에 적용되고 있는 것으로 나타났습니다.

IEEE Std. C57.147 – "변압기의 천연 에스테르 유체 적용 및 유지보수를 위한 IEEE 가이드"가 2008년에 출판되었습니다.

 

 

3. 국내 현황

현재 한국전력에서 운영중인 초고압 전력용 천연 에스테르 변압기는 2017년 일진전기에서 국내 최초로 납품한 것입니다.  2020년에는 LS 일렉트릭에서 천연 에스테르를 적용한 모듈형 변압기를 개발했습니다.

이렇듯 최근 친환경 탄소중립 정책 흐름에 따라, 에스테르계 유체를 적용하는 변압기 신제품을 개발하는 추세입니다.