변압기용 실리콘 오일 사용

공냉식 건식, 주조형 및 액체 봉입형 변압기 등을 포함해서 선택할 수 있는 여러 변압기 오일의 종류가 있다. 액체 봉입형 변압기는 광유, 염화 탄화수소 또는 실리콘 오일을 함유할 수 있다. 사용 분야의 요구에 따라, 각 종류는 뚜렷한 장점을 제공한다. 그러나 단점도 가지고 있다. 기술 및 운영에서 받아들일 수 있는 타협점을 결정하고, 특정 사용분야에 미칠 장기적인 효과를 추정하는 것이 중요하다.

액체 봉입형 변압기는 9년 전에 개발되었다. 오늘날, 많은 사용자들이 특히 네트워크와 중형 및 대형 전력 변압기와 같은 까다로운 사용 분야에서는, 건식 변압기에 비해 이 디자인을 계속 선호한다. 액체 방식의 선호에는 다음과 같은 몇 가지 중요한 이유가 있 다:

• 고체는 달리, 액체는 보온뿐만 아니라 냉각도 잘 된다. 그 결과 우리는 동급의 건조형 또는 주조형 종류보다 소형인 액체 봉입형 변압기를 선택할 수 있다.
• 액체 봉입형 변압기는 합리적인 비용으로 높은 효율과 높은 BIL을 제공한다. 비슷한 전기적 성능을 건조형 또는 주조수지형 변압기에서 얻을 수 있지만 보통 추가 비용이 발생할 수 있다.

액체 봉입형 변압기의 높은 유전(dielectric) 강도는 더 많은 설계 유연성을 제공한다. 결과적으로 하나의 특정한 부하 요구를 충족시키기 위한 설계를 최적화하여 작업 비용을 줄일 수 있다.

액체 시스템은 코어(core) 및 코일 조립체로부터 열을 제거하는 우수한 능력에 따른 이점를 가지고 있다. 이것은 더 긴 절연 수명뿐만 아니라, 더 큰 과부하 용량을 부여하고 유지보수 및 운영에 있어서 이에 해당하는 만큼의 비용을 절감한다. 모든 사용가능한 액체 중에서 실리콘이 가장 높은 열안정성을 가지고 있기 때문에, 실리콘으로 채워진 변압기가 특히 그렇다. 각 단자에서의 에너지 손실로 인한 장기 비용은 구매 변압기의 자본 비용을 초과할 수 있다. 그러므로, 손실의 속도를 평가하고 부하 및 서비스 조건에 대한 최적의 디자인을 선택하는 것이 매우 중요하다.

실리콘 변압기 유체(오일)은 70년대 중반에 도입되었고, 화재 안전성 그리고/또는 전통적 변압기 오일에 대한 친환경적 대안을 요구하는 위치나 환경이 위험한 곳에서 사용되는 변압기에서 널리 사용되고 있다.

이러한 유체는 전형적인 55/65°C 상승 변압기 이상의 온도에서 작동하도록 설계된 변압기에 사용된다. 비록 실리콘 유체 변압기의 사양과 사용 설명에 관한 정보는 변했지만, “실리콘 변압기 유체’로 일반적으로 알려진 물리적 성질에서 제품은 25년의 역사 동안 변경되지 않았다.

유체가 직접 필요하거나 수리나 기존의 단자에 보충을 위해 필요할 때 변압기 제조사에게 유용한 실리콘 유체에 대한 사양으로는 IEC 836과 ASTM D 4652 등이 있다. 이 기준은 유전체 적용분야에 적합한 유체의 물리적, 전기적 특성을 모두 포함한다. 순수 실리콘 오일 50cSt의 특성은 STO-50과 매우 유사하지만, PSF-50cSt는 전기 변압기에 사용하기 위해 필요한 전기적 특성을 충족하지 못한다.
ASTM 표준은 150 °C에서의 처음 24 시간 내에 손실될 수 있는 휘발성 물질의 최대 수준도 설정한다.

이 시험(ASTM D 4559)은 고온 적용에 중요한 휘발 성분 및 분해 저항성 등 두 가지를 측정한다. 이는 유체의 장기 성능도 표시한다. 제조 과정동안 부적절하게 박탈되었거나 잔류 중합 촉매제가 중화 또는 제거되지 않은 경우에는, 이런 유체는 이 시험을 통과하지 못할 것이다.

실리콘 유체 충전 변압기는 일반적으로 위의 사양을 충족하도록 설계된 변압기로 사양이 맞춰져 있다. 국제 전기 규약이 충족되어야 하는 경우에는, 이 기기는 공장 출하시 상호 승인(Factory Mutual Approval) 또는 UL 즉 보험업자 연구소 분류 요구 사항(Underwriters Laboratory Classification requirement) 등에 따라 만들어질 수 있다. 이러한 표준은 이제 모두 더 무거운 탱크와 일반 ANSI 표준 이상의 보호를 포함하는 변압기 건설에 물리적 변화를 필요로 한다.

실리콘 사양으로 지정되지 않고 더 넓은 의미의 ‘인화성이 적은’으로 요청이 되면, 주문자는 고 분자량 탄화수소, 에스테르 또는 식물성 오일 기반 유체를 가진 기기를 수신할 수 있다. 이 두 가지가 300°C를 초과하는 발화점을 가지지만 점화된 경우에는 상당히 다른 발화 특성을 갖는다.

2. 석유계 오일에 비교한 실리콘 변압기 오일의 장점 *)

안전성 문제를 고려할 때 실리콘 변압기 오일은 중요한 장점을 제공한다. 이러한 장점은 다음과 같다:

• 높은 인화점 및 발화점 – 건물에 가까운 위치 또는 국가 규범 지침에따라 실내에 설치될 수 있다
• 자기 소화성 – 화재 가능성 우려가 있는 곳에 안전한 작업 환경을 제공한다
• 낮은 열방출율, 연기 발생 및 유독성 – 화재시 자체 소멸 및 낮은 열 방출에 따른 최소의 피해.
• 비석유 기반, 비생체 축적 및 비수용성 – 따라서 청소를 위해 석유에 해당하는 요건에 구애 받지 않을 수 있다.
• 우수한 환경친화 제품 수명주기를 지닌 비위험 물질 – 규제에 쉽게 적응할 수 있고, 특히 변압기내에서 생분해가 일어나지 않고, 부식성 또는 산의 원인 물질을 포함하고 있지 않는다.
• 동반되는 환경 위험없이 PCB와 동일한 성능
• 비독성계(화장품 등급 및 식품 첨가물) 오일
• 식품 가공 설비 및 수로 근처에서 사용될 수 있다.
• 대부분의 다른 변압기 유체 및 건설 재료와 호환성이 높다.
• 폴리디메틸실록산 염기는 비용매성이며 화학적으로 불활성이다.
• 슬러지 생성 또는 분해되지 않음
• 감소된 유지보수로 긴 변압기 수명

실리콘 변압기 오일은 화재 안전성이 있고, 친환경적이며, 상대 제품에 비해 낮은 운영 비용을 제공하는 변압기 시스템을 가능하게 한다.

실리콘계 변압기 유체는 주로 디메틸실록산 중합체로 이루어지는 합성 변압기 오일이며, 광유계 변압기 오일과는 매우 다른 제조 공정 과정을 따른다.

3. 원료

실리콘 기반의 유체가 미국과 해외에서 모두 생산되지만, 공개적으로 이용 가능한 유일한 자료는 유럽뿐이다. 유럽의 자료는 제품의 주성분인 순환실록산을 모델링하기 위해 사용된다.

4. 제조업체

디메틸실록산의 생산은 디클로로메탄 및 규소를 이용한 디메틸클로로실란의 생산과 함께 시작한다. 디메틸클로로실란은 디메틸실렌디올(dimethylsilanediol)을 생성하기 위한 가수 분해 반응을 거치며 다른 가수 분해 반응을 거쳐 순환 실록산으로 응결된다.

유체의 평균 밀도는 0.9565 kg/L로 간주된다.

5.운반 **)

트럭을 이용한 운송은 변압기 오일 생산 공장에서 실리콘 생산지로의 운송에서 대표적인 운송 수단이다:

6. 사용

변압기에 사용되는 오일의 양은 변압기의 크기에 따라 달라진다. 상대적으로 작은 크기(1000 kV•A)의 변압기는 냉각을 위해 약1.89 m3(500 gal)의 유체를 필요로 하는 것으로 가정된다. 변압기 오일의 사용 수명은 약 30 년인 변압기의 수명만큼 지속된다고 가정한다. 용존 가스 분석 검사에서 필요성이 요구될 때 오일을 재조정하는 데 필요한 전력은 모델링에 포함되어 있다.

재조정은 5년마다 발생하는 것으로 가정한다.

7. 수명 종료 ***)

30 년의 수명 기간 동안 실리콘계 변압기 오일의 주기적 재조정을 통해, 오일은 그 중 절반은 다시 재조정 및 다른 변압기에 재사용 되기에 양호한 조건이 된다. 나머지 절반은 다른 실리콘 기반의 제품으로 생산되기 위한 구조 조정을 위해 제조업체로 다시 전송된다.

일반적으로 유지관리가 잘 되는 제품이고 다른 응용분야에서 사용될 수 있기 때문에, 변압기 오일에 대한 수명 종료에는 폐기물 처리가 포함되지 않는다. 따라서, 제품 어떤 것도 매립되는 것으로 가정되지 않는다.

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*) www.clearcomproducts/PDMS
**) Dimethylsilanediol and cyclic siloxane production,Carette, Pouchol (RP Silicones), Techniques de l’ingénieur, vol. A 3475, p.3.
***)Life Cycle Data,National Renewable Energy Laboratory (NREL): U.S