KR101157893B1 - 변압기용 식물성 절연유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생분해성이 우수하여 친환경적인 변압기용 식물성 절연유 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생분해성이 우수하여 친환경적인 식물성 기름과 저분자 알코올을 혼합한 후 여기에 알카리 촉매를 첨가하여 반응시켜 제조한 변압기용 식물성 절연유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

변압기용 식물성 절연유의 제조방법{Vegetable insulating oil composition for transformer and the method for producing thereof}

본 발명은 생분해성이 우수하여 친환경적인 변압기용 식물성 절연유 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생분해성이 우수하여 친환경적인 식물성 기름과 저분자 알코올을 혼합한 후 여기에 알카리 촉매를 첨가하여 반응시켜 제조한 변압기용 식물성 절연유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 개발되는 전력기기에 대하여 경제성 향상 및 소형화에 대한 요구가 증가되고 있으며, 한편으로 인체 및 자연 친화성을 고려한 사회 환경을 고려해야 된다는 의식이 높아지고 있다.

기존에 변압기 오일로 사용되어 왔던 광유(mineral oil) 등은 PCB(Poly Cholrinated Biphenyl)와 같은 유독성 물질을 생성하기 때문에 인체 유해성 및 환경오염 등에서 매우 심각한 문제를 수반하였다.

현재 미국, 일본 등을 비록한 선진국의 경우 최근 변압기의 우수한 성능 뿐 아니라 인체와 자연환경에 해가 없는 친환경적인 식물성 기름 변압기를 개발하고 있다.

한편, 오일 변압기의 의존도가 높고 인구 밀집 지역에 위치한 주상용 오일 변압기가 많은 우리나라 환경의 경우 성능이 우수하면서 친환경성을 갖는 절연오일을 적용한 선진형 변압기가 필요하며, 이를 위하여 환경 친화적인 식물성 절연유의 개발이 시급한 실정이다.

이러한 배경 하에 통상 광유를 대체하는 새로운 절연유로서 재생산이 가능하고 생분해성이 높아 친환경적인 종자(種子)를 사용하여 고유전율을 갖는 식물유 유도체 에스테르 절연유를 통한 환경보전형 식물유 변압기 개발의 필요성이 부각되고 있다.

이에 본 발명자들은 식물성 기름을 저분자 알코올과 혼합하여 제조한 에스테르유가 광유와 비슷한 점도 수준을 유지하면서 생분해성 및 환경친화성이 우수함을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 생분해성이 우수하여 친환경적인 변압기용 식물성 절연유 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는

1) 식물성 기름, 저분자 알코올 및 알칼리 촉매를 혼합하여 에스테르화시키는 단계;

2) 상기 1)의 반응 혼합물을 상분리시키는 단계; 및

3) 상기 2)의 상분리 물질 중 상층부인 에스테르층을 회수하여 중화시킨 후 탈수시키는 단계;

를 포함하는 변압기용 식물성 절연유의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 상기 방법을 통해 제조된 변압기용 식물성 절연유 및 이를 포함하는 변압기를 제공한다.

본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유는 식물성 기름을 기초로 하여 여러 가지 촉매 하에서 저분자 알코올과 반응시켜 식물성 절연유인 에스테르를 제조함으로써, 점도가 낮기 때문에 연료로 사용 시 막힘이 덜하고, 열안정성 및 유동성을 높일 수 있었다.

도 1은 본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유를 제조하는 과정을 보여주는 모식도이다.

본 발명은 생분해성이 높아 친환경적인 변압기용 식물성 절연유에 관한 것이다. 본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유는 알카리 촉매 하에 식물성 기름과 저분자 알코올을 반응시키는 에스테르화 과정을 거쳐 생산할 수 있다. 이때, 에스테르화 과정을 거친 식물성 기름은 에스테르와 글리세롤로 전환되어 상 분리되며, 에스테르만을 분리하여 증류시켜 사용한다.

본 발명에 의한 방법으로 생산된 에스테르는 일반적인 식물유에 비하여 점도가 현저히 낮고, 열안정성 및 유동성이 높은 것이 특징이다. 또한 이를 변압기에 적용할 경우 변압기 내부에서 온도특성과 절연성능이 좋고, 화학적으로 안정하며 변압기 외부에서 독성이 없어 생분해성이 좋다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유의 제조방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다:

1) 식물성 기름, 저분자 알코올 및 알칼리 촉매를 혼합하여 에스테르화시키는 단계;

2) 상기 1)의 반응 혼합물을 상분리시키는 단계; 및

3) 상기 2)의 상분리 물질 중 상층부인 에스테르층을 회수하여 중화시킨 후 탈수시키는 단계.

먼저, 알카리 촉매 하에서 식물성 기름과 저분자 알코올을 혼합하여 에스테르화 반응을 진행시킨다. 이때, 반응온도는 50～150℃이며, 반응시간은 3～5시간 동안 교반하여 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 에스테르화 반응은 하기 반응식 1과 같이 수행될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

[반응식 1]

상기 반응식 1에서 R_{1 ,} R₂, R₃는 독립적으로 수소 또는 다음의 한정을 갖는, 하나 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 임의로 포함하고 있는 C₁-C₂₈ 알킬기를 나타낸다.

상기 1) 단계에서 사용하는 식물성 기름은 올레인산 함량이 30～55%이고 유동점이 -15℃ 보다 높은 식물유로서, 예를 들면, 올리브유, 코코넛유, 팜유, 고성, 옥수수유, 월넛유, 아마인유, 면유, 해바라기씨유, 참깨유, 아몬드 오일, 유채씨유, 종유, 톨유(tall oil) 및 대두유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있으며, 바람직하게는 유채씨유, 종유, 톨유 또는 대두유를 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 식물성 기름은 그 자체로 사용될 수도 있지만, 보다 바람직하게는 상기 식물성 기름에, 전체 기름 부피에 대하여 증류 범위가 300 ～ 325℃이고 유동점이 -40℃ 이하인 알킬 나프탈렌 4～20 부피% 및 산화 안정제 0.1 부피% 이하를 혼합한 형태로 사용될 수 있다. 이때, 상기 알킬 나프탈렌은 나프타(naphtha)를 원료로 하고 백금 촉매를 이용하여 알킬 나프탈렌으로 전환시킨 것으로서 탄소수 16 내지 24개의 혼합물이며, 예를 들면, 메틸사이클로헥실 나프탈렌, 프로필이소부틸 나프탈렌 또는 디메틸이소부틸 나프탈렌 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 또한 산화 안정제는 통상적으로 절연유 제조 시 사용되는 것을 당업자가 용이하게 선택하여 사용할 수 있으며, 예를 들면, 디-부틸하이드록실톨루엔(BHT: di-butyl hydroxyl toluene)을 사용하는 것이 일반적이나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 식물성 기름은 유전자 조작을 거치지 않은 유채유를 사용하며, 상기 유채유는 올레인산 함량이 30～55%이고 유동점이 -15℃ 보다 높으며, 조성물의 약 80～95 부피%를 차지한다. 일반적으로 유채유의 유동점은 -15 내지 -13℃이다.

또한 상기 식물성 기름과 에스테르 반응을 거치기 위하여 소정 비율로 혼합되는 저분자 알코올은 메탄올 또는 에탄올을 사용할 수 있다. 이때, 상기 식물성 기름과 저분자 알코올은 다양한 비율로 혼합이 가능하며, 바람직하게는 식물성 기름과 저분자 알코올의 혼합 비율이 중량 대비 1:3 내지 1:9 정도가 좋다. 본 발명의 일 실시예 에서는 유채유 0.3 몰과 메탄올 2.0 몰을 혼합하여 반응시켰으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기 에스테르화 반응 속도를 증진시키기 위하여 첨가되는 알칼리 촉매로는 나트륨하이드록사이드, 나트륨메톡사이드 및 소듐에톡사이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 그 함량은 식물성 기름 중량 기준으로 하여 0.5% 만큼 첨가되는 것으로 한다. 보통 첨가되는 촉매는 상기 식물성 기름의 중량에 대하여 0.2～1.0% 만큼 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 에스테르화 반응이 끝난 후 교반을 중단하면 상기 반응 혼합물은 에스테르층(상층부)과 글리세린층(하층부)으로 상분리된다. 이때, 상분리를 통해 얻어진 에스테르층 물질에는 미량의 알코올과 수분이 포함되어 있을 수 있다. 따라서, 상분리된 에스테르층을 증류시켜 잔존하는 알코올과 수분을 제거함으로써 점성이 작은 식물성 절연유를 제조할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 변압기용 식물성 절연유 및 이를 포함하는 변압기에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니고, 당업계에서 통상적으로 주지된 변형, 치환 및 삽입 등을 수행할 수 있으며, 이에 대한 것도 본 발명의 범위에 포함된다.

[실시예 1～5] 변압기용 식물성 절연유 제조

하기 화학식 1로 표현되는 식물성 기름인 유채유를 사용하였다.

상기 혼합물 0.3 몰에 메탄올 2.0 몰을 혼합하고 여기에 알칼리 촉매인 나트륨하이드록사이드를 식물성 기름 중량 기준으로 하여 하기 표 1에 기재된 비율로 첨가하였다. 이 반응 혼합물은 60℃에서 3시간 동안 600 rpm의 일정한 교반속도로 반응시간 및 촉매의 종류를 변화시키면서 에스테르반응을 실시하였다. 반응이 끝난 후 교반을 중단하면 상부는 에스테르층 하부는 글리세롤 층으로 상분리가 일어난다. 반응 혼합물을 상온으로 냉각하고 상층부의 에스테르층를 회수하여 중화시킨 후 탈수과정을 거쳐 실시예 1～5의 변압기용 식물성 절연유를 제조하였다.

구분	촉매투입비율(중량%)
실시예 1	0.2
실시예 2	0.4
실시예 3	0.6
실시예 4	0.8
실시예 5	1.0

상기 실시예 1～5에서 합성한 식물성 절연유의 주요 성능 기준치 여부와 그중 최적화된 식물성 절연유를 선정하고자 촉매의 투입비율(중량부)에 따라 주요성능평가를 비교하였다.

[시험예 1] 인화점 측정

상기 실시예 1～5에서 제조한 변압기용 식물성 절연유의 인화점을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

시험물질	미네랄 오일	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
인화점(℃)	145	309	310	312	314	317

상기 표 2의 결과에서, 본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유는 광유(미네랄 오일)에 비하여 인화점의 온도차가 최대 50% 이상임을 확인할 수 있었다. 또한, 촉매의 양이 증가할수록 인하점이 높아지는 것을 확인하였다.

[시험예 2] 절연파괴전압 성능 평가

상기 실시예 1～5에서 제조한 변압기용 식물성 절연유의 절연파괴전압 성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 절연력이 크다는 것은 고전압에 대한 오일의 저항력이 크다는 의미이며, 이는 전압을 가했을 때 오일의 절연성이 파괴되지 않는 특성을 나타내는 것으로서 식물성 절연유에서 중요한 성질 중에 하나이다.

시험물질	미네랄 오일	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
절연파괴전압 (Ω.cm)	2.2	65.3	67.2	63	70.4	70.1

상기 표 3의 결과에서, 광유(미네랄 오일)는 2.2 Ω.cm으로 매우 낮은 절연파괴전압을 나타낸 반면, 본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유는 촉매의 양이 증가함에 따라서 절연파괴전압도 증가하는 것으로 확인되었으며, 광유에 비해 약 32배 정도 증가하였다.

[시험예 3] 미량 수분 함량 측정

상기 실시예 1～5에서 제조한 변압기용 식물성 절연유의 미량수분 함량을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 이때, 절연유에 수분이 유입되었을 경우 비중 차이에 의해 수분은 절연유 하부로 모이게 되나 절연유 온도가 상승할 경우 수분은 절연유와 혼합되어 절연유의 특성을 저하시킨다. 국외 사례에서 일반적인 변압기 수분관리 기준은 30 ppm으로 정하고 있으며, 운전 중에 수분 함량이 60 ppm을 초과할 경우 "이상(異常)"으로 판정한다. 일반적으로 광유의 수분 포화도는 30 ppm 이하이다.

시험물질	미네랄 오일	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
미량수분(ppm)	11.2	24	25	25	26	26

상기 표 4의 결과에서, 본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유는 광유(미네랄 오일)에 비해 미량수분의 함량이 다소 높게 나타나기는 하였으나, 변압기 수분관리 기준인 30 ppm 미만으로 나타나 광유를 대체하는 절연유로서 사용이 가능함을 확인할 수 있었다.

[시험예 4] 점도 평가

상기 실시예 1～5에서 제조한 변압기용 식물성 절연유의 점도를 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 이때, 절연유의 점도는 온도 함수이며, 온도가 증가할 경우 점도는 감소한다.

시험물질		미네랄 오일	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
점도	40℃	9.2	34	34	36	36	36
	100℃	6.3	7	7	7	7	7

상기 표 5의 결과에서, 본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유와 광유(미네랄 오일)의 점도는 40℃에서는 그 차이가 크게 나타났지만, 100℃에서는 두 물질이 동등한 수준의 점도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 상기 결과를 토대로 하여 본 발명에 의한 변압기용 식물성 절연유가 유독성 물질을 생성하지 않으면서 인화점 및 절연파괴전압이 높고, 미량 수분 함량이 기준치를 벗어나지 않으면서 광유와 동등 수준의 점도를 유지할 수 있어 기존의 광유를 대체할 수 있음을 확인하였다.

Claims (10)

1) 식물성 기름, 저분자 알코올 및 알칼리 촉매를 혼합하여 에스테르화시키는 단계; 2) 상기 1)의 반응 혼합물을 상분리시키는 단계; 3) 상기 2)의 상분리 물질 중 상층부인 에스테르층을 회수하여 중화시킨 후 탈수시키는 단계를 포함하는 변압기용 식물성 절연유의 제조방법에 있어서,
상기 식물성 기름은 올리브유, 코코넛유, 팜유, 고성, 옥수수유, 월넛유, 아마인유, 면유, 해바라기씨유, 참깨유, 아몬드 오일, 유채씨유, 종유, 톨유(tall oil) 및 대두유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용하되, 상기 식물성 기름은 식물성 기름 전체 부피에 대하여 알킬 나프탈렌 4～20 부피% 및 산화안정제 0.1 부피%가 더 혼합된 형태가 사용되며,
상기 저분자 알코올은 메탄올 또는 에탄올을 사용하고,
상기 식물성 기름과 저분자 알코올은 1:3 내지 1:9의 중량비로 혼합되며,
상기 알칼리 촉매는 전체 조성물 총 중량에 대하여 0.8～ 1.0 중량%로 혼합되고,
상기 1) 단계의 에스테르화 반응은 50～150℃에서 3～5시간 동안 이루어지는 것인 변압기용 식물성 절연유의 제조방법.

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