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실리콘 변압기 오일의 응용

1. 소개

이러한 응용분야에서 실리콘의 사용은 전력선용 실리콘 절연체뿐만 아니라, 폴리에틸렌 절연 지하 고전압 케이블의 단부에 있는 케이블 단부 종단 또는 실리콘 고무 연결부와 많이 관련되어 있다.

실리콘의 주요 장점은 소수성뿐만 아니라 낮은 조립 및 유지 보수 비용을 갖게 하는 높은 전기 저항, 환경적 분해 및 전기 노화 등에 대한 저항이다.

2. 실리콘 케이블 종단

현대의 재료는 선조립을 허용하고, 따라서 용융된 주조 재료의 사용 또는 건설현장에서, 조립 중에 실수와 관련된 문제를 피할 수 있다. 오늘날 케이블 부속품은 완전히 공급 업체에 의해 내장되어 판매된다. 일반적으로 서로 다른 절연 실리콘 고무로 만들어진 고무 단자로 구성되어 있다.

실리콘은 두 가지 유형의 디자인을 허용한다:

– PE 링이 배치 전까지 공간 유지기의 역할을 하는 푸쉬온(push-on) 기술은 35에서 50 Shore A 사이의 경도 실리콘 고무를 사용한다.

– 25에서 35 Shore A 단열 사이 경도의 더 부드러운 실리콘 고무를 사용하는 냉각 압착 기법은 종단과 케이블 사이에 화학 결합이 없이 이루어지며, 이는 모든 포획된 공기를 몰아내는 실리콘 종단의 탄성 특성에 의존한다 (특히 높은 전기장과 케이블 끝 가장자리에서). 실리콘의 높은 가스 투과성은 내재된 모든 공기를 밖으로 확산시켜 나가게 하여 공기가 없는 조인트를 만든다.

이러한 실리콘 고무 케이블 종단 단부는 높은 일관성 실리콘 고무(high consistency rubber, HCR)을 사용하는 고무 사출 주형 또는 두 부분 액체 실리콘 고무(liquid silicone rubber, LSR)을 사용하는 액체 사출 주형에 의해 제조된다. 실리콘은 높은 유전체 강도 때문에 전체적으로 전기 절연을 제공한다. 고온, UV 및 오존에 대한 강한 저항 외에도, 이들은 소수성 때문에 표면 절연 장애가 잘 촉진되지 않는다. 하지만 더 중요한 것은, 특별한 실리콘 제형은 연결 단부 내의 전기장을 부드럽게 하고 장기간의 성능을 보장하기 위하여 개발되어 왔다. 이는 전기 유체 실리콘 고무 또는 더 현대적이고 작은 부속물에서는 중간 전기 유전율을 가진 실리콘 고무로 만들어진 형상 변류기(shaped deflector)를 사용하여 합성 케이블 종단에서 달성된다.

방사선에 의한 침식에 대한 실리콘의 저항성 때문에 케이블 종단에 잘 사용된다. 실리콘은 UV-가시 광선을 흡수하지 않기 때문에, 그들은 초킹(chalking) 또는 갈라짐하는 경향이 없다. 이러한 현상은 유기계 재료에서 일반적이고, 먼지 및 습기의 흡착과 관련되어 있고, 절연 특성의 현저한 감소로 이어질 수 있다.

소위 “트랙킹(tracking)”으로 불리는, 실리콘 저항은 유기계 절연 재료에서 보다 더 높다. 트랙킹은 강한 표면 전기 누출 및 방전 하에서 도전성 표면 경로의 형성이다. 유기 재료에서, 이는 불행하게도 높은 전도율을 보여 탄소계 분해 산물의 형성을 야기한다. 실리콘을 가지고는, 잘못 설계 또는 조립되더라도, 분해는 비전도성 실리카 형성을 야기하므로 실리콘은 전기 부식 저항의 높은 요구 수준을 충족한다.

3. 실리콘 절연체

또 다른 주요 속성은 특히 전선 및 지지 구조 사이에 설치된 전기 절연체 또는 장치에 대한 소수성이다. 실리콘 탄성중합체로 이루어지는 절연체에 물은 방울로 남아 있기 때문에 실리콘 탄성중합체 표면의 낮은 표면 에너지의 연속적인 필름을 형성하지 않는다. 이는 절연체에 표면 전류를 감소시킨다. 표면 소수성은 저 분자량, 실리콘 탄성중합체의 혼합물내의 미 반응의 폴리디메틸실록산 종(species)의 존재 때문에 표면 방전 또는 공기 오염의 증착 이후에도 유지된다. 이들 종은 외부 표면으로 이동할 수 있고 낮은 표면 에너지 또는 소수성을 유지할 수 있다. 그러므로 실리콘 탄성중합체로 만들어진 절연체는 조금의 세정 또는 유지 보수가 필요하고 장시간에 걸쳐 사용될 수 있다.

유전체(dielectric) 유액을 선택할 때, 적용 분야에 따른 몇 가지 기준들이 있다. 광유같은 유체에 비해 실리콘 유체가 갖는 가장 큰 장점 중 하나는 더 높은 열 안정성, 인화점 및 연소점 등이다. 이는 가연성이 중요한 관심사인 건물 내부 또는 근처에 위치하고 있는 변압기에 사용되는 유체에 중요하다. 실리콘 변압기 오일은 과도한 증기압을 생성, 파괴 또는 부식성 부산물 생성 등이 없이, 통상의 변압기 정상 작동 온도보다 매우 높은 온도에 노출될 수 있다.

실리콘은 화학적으로 불활성이며, 양호한 산화 내성을 가지고 있고, 변압기 작동 온도에서 기존의 절연 재료와 호환된다.

실리콘 유체 분해에는 두 가지 방식이 있다: 열 분해 및 산화, 이 온도에서 더 긴 중합체 사슬이 서서히 더 휘발성인 사이클릴 실리콘 물질을 형성하기 위해 분해되기 시작한다. 실리콘 유체의 산화는 175 °C (342 ° F) 이상의 온도에서(산소의 존재하에) 매우 느리게 일어난다. 이것이 산화될 때, 실리콘 유체는 중합되고, 점차적으로 젤(gel)화가 될 때까지 점도가 증가한다. 이 과정은 불쾌한 산 또는 슬러지의 형성없이 일어난다. 또한, 긴 사슬 실리콘 분자의 유전 특성은 신선한 실리콘 유체의 유전 특성과 유사하다.

열 및 산화 분해가 일어나는 온도는 65 °C 상승 변압기에서 예상되는 핫 스팟(hot spot) 온도를 훨씬 초과할 수 있다. 밀봉 변압기의 제한된 산소 대기에서, 실리콘 변압기 유체는 다른 변압기 유체의 표준 상승 이상인 온도 상승에 이용될 수 있다.

실리콘 변압기 유체는 65 °C 상승 변압기의 유용한 수명내에는 심각한 정도로 분해될 것으로 예상되지 않는다.

고온 능력을 가지는 솔로드(solod) 절연 재료와 함께, 실리콘 유체를 사용하는 절연 시스템은 크게 개선된 열 성능 및 긴 절연 수명(예로, 방향족 폴리에스테르 아미드 /이미드, 노멕스(Nomex) 종이, 유리 재료 등과 혼합된 실리콘 유체로 이루어진 절연 시스템)을 보여준다.

순수 실리콘 유체는 25도 측정 점도에서 100 % 선형 폴리디메칠 실록산 유체 (CAS # 63148-62-9)이다. 여기에는 같은 유동점(pour-point) 진정제 또는 열 안정제와 같은 첨가물을 포함하지 않는다. 또한, 여기에는 염소 또는 다른 할로겐을 포함하지 않는다. 점도 5cSt 이상의 순수한 실리콘 유체는 화학적으로 불활성, 비휘발성, 열안정성, 우수한 내산화성 등을 가지고 있고, 기존의 절연 재료와 호환 가능하다. 재질 호환성 및 열 안정성은 밀접하게 관련되어 있다. 많은 수의 재료는 실리콘 변압기 오일과의 호환성 테스트를 거쳤다. 다음은 시험 물질의 목록이며 STO-50 실리콘 변압기 오일에 적합한 것으로 밝혀졌다.**)

실리콘 변압기 오일과 호환되는 변압기 재료:

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*) Silicone in Medium to High Voltage Electrical Applications , E. Gerlach, Dow Corning GmbH, Wiesbaden (Germany),2002
**) www.clearcoproducts.com