KR101384267B1 - 식물성 전기절연유 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압에서의 절연성능이 우수하고 특히 수소기체 흡수성이 우수하여 부분방전(Partial Discharge)에 대한 내구성이 뛰어난 캐패시터용 식물성 절연유 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 식물성 절연유 조성물은 올레인산 함량이 30∼55%이고 유동점이 -15℃보다 높은 식물유에, 증류 범위가 300∼325℃이고 유동점이 -40℃ 이하인 알킬 나프탈렌 4∼20 부피% 및 산화 안정제가 0.1 부피% 이하로 포함된 것으로서, 저온 유동성과 수소기체 흡수성이 우수해서 캐패시터의 함침유로 적용한 경우 부분 방전이 낮고 장기적인 캐패시터의 안정성을 확보할 수 있게 된다.

식물성 절연유, 해바라기유, 캐패시터, 유동점, 나프탈렌

Description

식물성 전기절연유 조성물{Vegetable insulating oil composition}

본 발명은 고압에서의 절연성능이 우수하고 특히 수소기체 흡수성이 우수하여 부분방전(Partial Discharge)에 대한 내구성이 뛰어난 캐패시터용 식물성 절연유 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 영하 20℃ 내지 영상 90℃까지의 넓은 온도 범위에서 전력용 또는 기기용 금속 증착 필름 캐패시터(Metalized Film Capacitor)의 함침유로 사용되는 식물성 절연유에 관한 것으로 장기 신뢰성을 높이기 위해 수소기체 흡수성을 개선시키는 첨가물을 혼합한 절연유에 관한 것이다.

식물성 절연유는 누유(漏油) 시 자연계에서 생분해되는 특성으로 광유에 비해 낮은 전기적 안정성에도 불구하고 변압기나 캐피시터의 함침유(含浸油)로 사용되고 있으며 보다 넓은 온도 범위에서 장기적 안정성을 확보하기 위한 연구가 이루어지고 있다. 종래의 연구에서 볼 때, WO1997/022977에서는 저온에서의 유동성을 높이기 위해 유전자 조작을 통해 불포화지방산인 올레인산의 함량을 높인 유채유를 사용한 절연유를 발명하였고 US 7,048,875에서는 인위적으로 올레인산 함량을 높인 식물성 절연유에 대해 설명하고 있다. 그러나 유전자 조작을 통해 조성이 조절된 유채유는 식용유로도 사용되어 가격이 높은 단점이 있다.

식물유로부터 유동성이 우수한 절연유를 얻는 또 다른 방법으로는 지방산 글리세린 에스터 형태의 식물유를 교차에스테르화 (Trans-esterification) 반응에 의해 글리세린의 전부 또는 일부를 다른 1차 알코올로 바꾸는 방법이 있는데 한국 특허 공고 제1994-0003803호의 예가 있다. 이러한 방법들을 통해 유동점을 개선하는 것은 가능하나 이들을 변압기나 캐패시터와 같은 전기 기기에 적용하여 그 기기들의 장기적인 안정성을 확보하기 위해서는 수소기체 흡수성을 개선시켜야 한다. 식물성 절연유의 수소기체 흡수성을 높이기 위한 방법으로 여러 가지 첨가제들이 사용되고 있는데 한국 공개특허 제2007-0015103호에서는 광유계 올레핀을 혼합하고 있다. 이 밖에도 상용화되어 사용되고 있는 식물성 절연유 중에서는 알킬벤젠을 혼합하여 수소기체 흡수성을 높이는 경우도 있다. 그러나 이들 조성의 수소기체 흡수성은 그리 높지 않아 그 전기 기기들의 장기 신뢰성 시험에서 내구성을 겨우 만족시키는 수준이다. 따라서 수소기체 흡수성을 현저히 개선하여 부분 방전(Partial Discharge)에 대한 내구성을 확보함으로써 캐패시터와 같은 전기 기기의 최대 수명시간을 연장시키기 위한 요구가 크다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 캐패시터와 같은 전기 기기의 함침유로 적용시킬 경우의 장기적인 안정성을 확보하는데 요구되는 수소기체 흡수성을 개선시키기 위하여, 유채유 등의 식물유에 대한 올레인산 함량을 유전자 조작을 통해 인위적으로 높이지 아니하고도저온 유동 성이 우수하고 수소기체 흡수성이 우수하도록 첨가제를 배합한 식물성 절연유 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명에 따른 식물성 절연유 조성물은 올레인산 함량이 30∼55%이고 유동점이 영하15℃보다 높은 식물유에, 절연유 조성물 전체를 기준으로 증류 범위가 300∼325℃이고 유동점이 -40℃ 이하인 알킬 나프탈렌 4∼20 부피% 및 산화 안정제 0∼0.1 부피%가 포함되어 있다.

본 발병에 따른 식물성 절연유는 저온 유동성과 수소기체 흡수성이 우수해서 캐패시터의 함침유로 적용한 경우 부분 방전이 낮고 장기적인 캐패시터의 안정성을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 유채유나 해바라기유와 같은 식물유를 기본 조성으로 이용하여 전기 절연유로 사용할 수 있도록 구성한 조성물로서, 올레인산 함량이 30∼55%이고 유동점이 영하15℃보다 높은 식물유에, 증류 범위가 300∼325℃이고 유동점이 -40℃ 이하인 알킬 나프탈렌 4∼20 부피% 및 산화 안정제가 0.1 부피% 이하로 포함되는 것을 특징으로 한다. 상기 식물유는 유전자 조작을 거치지 않은 유채유 및/또는 해바라기유를 사용하며, 상기 유채유 및/또는 해바라기유는 올레인산 함량이 30∼55%이고 유동점이 영하15℃보다 높으며, 조성물의 약 80~95 부피%를 차지한다. 일 반적으로 유채유의 유동점은 -15∼-13℃이고 해바라기유의 유동점은 영상 7~9℃이다.

이들 식물유의 조성은 메탄올을 이용해 에스테르화(esterification) 시켜 분석하는데, 두 유분 모두 유전자 조작을 거치지 않은 종자의 경우 올레인산의 함량이 55%를 넘지 않는다. 본 발명과 같이 식물유와 상기 식물유의 전기적 특성을 개선하기 위해 첨가물이 혼합된 식물성 절연유 조성물은 원료로서 올레인산 함량이 70% 이상인 고 올레인산 함유 식물유를 사용하더라도 전기적 특성이 현저히 개선되는 효과를 볼 수 있다. 예를 들어, 유전자 조작을 통해 생산된 고 올레인산 유채유는 올레인산 함량이 70% 이상이며 이를 원료로 사용하여 본 발명의 첨가물을 혼합한 절연유의 전기적 특성이 현저히 개선된 것으로 나타난다. 그러나 상기와 같이 유전자 조작을 거쳐 인위적으로 올레인산 함량을 높인 유분을 기본 조성으로 하여 본 발명에 따른 첨가물을 적용시킨 경우에는 경제적 부담이 가중되므로 바람직하지 않다.

인위적 조작을 거치지 않은 자연 상태의 유채유(올레인산 약 30내지 55%)는 독성 성분을 함유하고 있어 식용으로는 사용되지 않으며 포화지방산 함량도 높으므로 유동점이 높으나, 이를 본 발명에 따른 조성물의 일부로 사용하여 제조된 식물성 절연유는 저온 유동성이 개선되어, -22∼-20℃의 유동점을 갖게 된다. 또한 상기 식물유는 불포화지방산의 함량이 높지 않아 산화안정성이다른 식물유에 비해 높기 때문에 식물성 절연유뿐만 아니라 광유계 절연유에도 사용되는 일반적인 산화안정제를 손쉽게 선택할 수 있는데, 예로 디부틸 하이드록실 톨루엔(di-Butyl hydroxyl toluene, BHT)을 일반적으로 사용할 수 있다.

본 발명에서는 식물유에 알킬 나프탈렌 (alkyl naphthalene)을 첨가제로 사용하여 절연유의 특성을 현저히 개선시켰다. 본 발명에 사용되는 알킬 나프탈렌은 나프타(Naphtha)를 원료로 백금촉매를 이용해 알킬 나프탈렌(alkyl naphthalene)으로 전환시킨 것으로 탄소수가 16에서 24개에 이르는 혼합물이다. 바람직하게 상기 알킬 나프탈렌으로는 메틸 사이클로헥실 나프탈렌(Methyl cyclohexyl napnthalene), 프로필이소부틸 나프탈렌(propyl isobutyl naphthalene), 디메틸 이소부틸 나프탈렌(Dimethyl isbutyl naphthalene)과 같은 탄소수 16에서 24개로 구성된 알킬나프탈렌 이성질체들의 혼합물로 구성된 군으로부터 증류범위 300에서 325℃의 범위를 갖는 유분이 선택되어 사용된다.

나프타(Naphtha)를, 백금 촉매를 사용해 520℃에서 수소의 나프타에 대한 몰 비율을 2∼4로 조절하고 공간속도를 2∼4/hr로 하여 반응시켜 얻어진 본 발명에 따른 알킬나프탈렌(alkyl naphthalene)은 퓨란(furan)과 같은 발암물질을 포함하지 않고 나프탈렌 환(naphthalene ring)에 있는 알킬그룹에 콘쥬게이션(conjugation)되지 않은 올레핀을 포함하고 있어 수소 기체 흡수성이 매우 우수하고 식물성 절연유의 수소 기체 흡수성을 현저히 개선시키는 효과가 있다. 본 발명에 따른 알킬나프탈렌은 증류범위가 300∼325℃이며 40℃에서의 동점도가 6∼10cSt이고 유동점이 영하 45℃인 것이 특징이다. 비점이 300℃ 보다 낮은 경우에는 제조되는 식물유의 인화점을 200℃ 이하로 낮추게 되어 바람직하지 않고, 325℃ 보다 높으면 식물유의 점도가 상승하고 색도가 현저히 떨어져(즉, 세이볼트식 색(Saybolt Color)이 +10 이하가 됨) 비점과 점도를 조정하기 위해서는 증류범위를 상기와 같은 300∼325℃ 범위 이내로 조정할 필요가 있다.

본 발명의 식물성 전기절연유는 올레인산이 30∼55%이며, 전체 불포화지방산의 함량을 나타내는 요오드화 값이 130 이하인 유채유 또는 해바라기유 또는 이들의 혼합유에 4∼20 부피%의 상기의 알킬 나프탈렌 및 상용의 산화 안정제, 즉 전술한 바와 같은 BHT와 같은 산화안정제를 0.1% 이하로 첨가하여 혼합함으로써 이루어질 수 있다. 이때 상기 식물유의 요오드화 값이 100이하인 것을 사용할 경우에는 상기와 같은 별도의 산화안정제에 대한 요건이 필요로 되지 않는다.

이렇게 제조된 식물성 절연유는 수소기체 흡수성이 -38㎕/min으로 수소기체를 전혀 흡수하지 않는 식물유에 비해 월등히 우수한 수소기체 흡수성을 보인다. 이 값은 일반 광유계 절연유보다 우수한 값으로 수소기체 흡수성이 우수한 나프탈렌계 절연유의 수소기체 흡수성이 -5㎕/min 보다 큰 값을 보이는 점을 고려하면 본 발명의 절연유의 수소기체 특성의 우수성을 가늠할 수 있다.

본 발명의 식물성 전기절연유는 전력용 또는 기기용 캐패시터의 함침에 사용되며, 본 캐패시터는 알루미늄이나 아연 같은 금속이 폴리프로필렌 필름(PP필름)에 박막으로 증착된 금속박막증착 필름을 절연유에 함침시켜 제작되는 것으로 절연유와 금속박막필름 사이의 상용성이 제품의 내구성에 중요한 역할을 하는 또 하나의 요인이 된다. 이런 상용성은 절연유의 전기적 특성이 우수한 것은 물론 절연유가 금속이 증착된 필름을 팽윤시키지 않는 성질을 말한다. 절연유의 필름에 대한 팽윤이 크면 금속박막이 증착된 필름의 팽윤으로 전극 역할을 하는 금속 박막에 금이 생겨서 단절되어 전체적으로 전극의 저항이 커지고 이로 인해 열이 발생해 캐패시터의 안정성을 현저히 떨어뜨리게 된다. 일반적으로 식물유는 광유에 비해 PP필름에 대한 팽윤성이 낮으나 이들 식물유의 전기적 특성을 개선하기 위해 첨가되는 물질은 PP필름에 대해 어느 정도의 팽윤성을 갖는다. 본 발명의 알킬 나프탈렌은 PP필름에 대한 팽윤 정도가 낮아 식물성 절연유에 최대 20부피%까지 배합되어도 캐패시터 필름의 저항을 높이는 현상이 없으며 이로 인해 안정적으로 식물성 절연유의 전기적 특성을 개선할 수 있는 것이다. 그러나 20 부피%를 초과해서 배합되면 캐패시터의 저항을 높이고 고온에서 필름 팽윤에 의한 전극 상의 금(crack)을 형성한다. 또한 4 부피% 이하로 배합되면 전기적 성능 개선의 효과가 충분히 나타나지 않으므로 4∼20%의 배합이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 7∼15%, 가장 바람직하게는 8∼12%이며, 특히 9.9 부피%에서 안정성을 최대화시키고 전극의 손상을 막을 수 있다.

본 발명의 식물성 절연유의 또 하나의 특징은 앞에서 언급한 알킬나프탈렌을 혼합함으로써 식물성 절연유의 수분 정제 효율을 높일 수 있다는 것이다. 일반적으로 점도가 높은 식물성 절연유는 수분을 제거하는데 어려움이 있다. 일반적으로 수분을 제거하는 방법으로 제올라이트에 의한 수분 흡착과 진공 탈기에 의한 수분 제거의 방법이 사용되는데 본 발명의 식물성 전기절연유는 유동점이 -22℃이고 80℃ 점도가 1∼2cSt로 낮아 유속 100/hr의 연속식 진공 탈기 조건에서도 충분히 수분이 20ppm이하로 제거된다.

실시예

이하, 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하나, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 식물성 전기절연유의 원료로 사용된 식물유와 백금촉매 하에서 나프타(Naphtha)로부터 방향족으로 전환된 알킬 나프탈렌인 디이소프로필 나프탈렌 이성질체 혼합물(b.p: 310∼320℃)과 비교를 위한 고 올레인산 유채유와 도데실벤젠(dodecylbenzenes) 이성질체 혼합물로 조성된 알킬벤젠(alkylbenzene)의 물리적 특성 및 전기적 특성을 다음의 표1에 정리하였다.

특성	유채유	해바라기유	고올레인산 유채유	알킬나프탈렌	알킬벤젠
동점도@40℃, cSt	38.4	39.2	32.4	7.2	7.1
유동점, ℃	-15	7	-20	-25	-45
절연파괴전압, kV(2.5mm)	45	45	45	70	100
유전손실@80℃, %	0.1	0.1	0.08	0.002	0.002
인화점, ℃	220	220	220	180	140
올레인산 함량,%	40	35	72	0	0
요오드화 값	110	105	150	-	-

표2는 본 발명의 식물성 절연유의 실시예를 정리한 것이다. 다음의 모든 예는 부피비로 혼합한 것으로 %로 생략 표기된 것은 모두 부피% 이다. 실시예 1과 2는 상기의 일반 유채유에, 절연유 조성물 전체를 기준으로 알킬나프탈렌(alkyl naphthalene)을 각각 4.9%, 9.9% 혼합한 것이고, 실시예 3과 4는 해바라기유에, 절연유 조성물 전체를 기준으로 알킬나프탈렌을 4.9%, 9.9% 혼합한 것이며, 실시예 5와 6은 일반 유채유와 해바라기유의 1:1 혼합유에, 절연유 조성물 전체를 기준으로 알킬나프탈렌을 4.9%, 9.9% 혼합한 것이다. 표3은 실시예와의 비교를 위한 것으로 비교예1은 고 올레인산 유채유에 알킬나프탈렌을 9.9% 혼합한 것이며, 비교예 2는 고 올레인산 유채유에 알킬벤젠(Branched alkylbenzene)을 9.9% 혼합한 것 이다. 비교예 3은 고올레인산 유채유에 수소기체 흡수성을 개선하는 첨가제가 포함되지 않은 절연유를 의미한다.

본 실시예와 비교예의 모든 식물성 절연유는 산화안정제로 BHT를 0.1% 포함하고 있다.

실시예

항목	실시예 1	실시예 2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
동점도@40℃	30	29	33	32	32	31
유동점, ℃	-19	-22	-17	-19	-18	-20
절연파괴전압, kV @2.5mm	80	90	80	90	80	90
유전손실@80℃	0.05	0.03	0.05	0.04	0.05	0.05
수분정제효율,%	45	60	40	55	40	55
캐패시터수명,hr	800	>1050	780	>1050	800	>1050
수소기체 흡수성, ㎕/min	-14	-38	-11	-33	-13	-34

비교예

항목	비교예 1	비교예 2	비교예3
동점도@40℃	30	29	33
유동점, ℃	-19	-22	-17
절연파괴전압, kV @2.5mm	80	90	80
유전손실@80℃	0.05	0.03	0.05
수분정제효율,%	45	60	40
캐패시터수명,hr	800	900	780
수소기체 흡수성, ㎕/min	-13	-16	-9

● 수분정제 효율: 100L/hr의 유속으로 진공 건조 후의 수분을 초기 수분으로 나눈 값을 %로 표시한 것

● 수소기체 흡수성은 ASTM D 2300에 따라 측정되며, 0보다 작은 값을 나타낼수록 수소기체 흡수성이 우수한 것임.

● 캐패시터수명: 기기용 캐피시터(2.5uF, 500V)를 80℃에서 정격 전압의 1.4배를 인가하여 파괴전까지 측정한 수명으로 1050시간 이후에도 파괴되지 않으면 1050시간 이상으로 표기

상기 실험 결과에 의하면, 유전자 조작을 거치지 않은 저 올레인산 함유 식물유에 알킬나프탈렌을 일정량 함유하도록 적용시킴으로써, 70%의 올레인산을 함유하도록 유전자 조작 처리된 식물유에 알킬나프탈렌이나, 종래의 알킬벤젠을 적용시킨 경우에 비하여 동등하거나 우수한 효과를 나타내고 있음을 알 수 있는바, 본 발명에 따른 식물성 절연유 조성물에 의하면, 저가의 식물유를 이용하여 고올레인산을 갖도록 인위적으로 조작된 고가의 식물성 절연유 조성물로부터 달성할 수 있는 효과 이상이 도출될 수 있으므로, 보다 광범위한 범위에서 경제적이고 안정적으로 이용 가능할 것이다.

Claims (6)

1. 올레인산 함량이 30∼55%이고 유동점이 -15℃보다 높은 식물유에, 전체 조성물을 기준으로 증류 범위가 300∼325℃이고 유동점이 -40℃ 이하인 알킬나프탈렌 4∼20 부피% 및 산화 안정제 0∼0.1 부피%가 포함된 것을 특징으로 하는 식물성 절연유 조성물
2. 제1항에 있어서, 상기 식물유는 유채유, 해바라기유, 또는 유채유와 해바라기유의 혼합유인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 알킬나프탈렌은 8 ∼ 12 부피% 함유되는 것을 특징으로하는 식물성 절연유 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 알킬나프탈렌은 탄소수가 16 내지 24인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유 조성물.
5. 제4항에 있어서, 상기 알킬나프탈렌은 메틸 사이클로헥실 나프탈렌, 프로필 이소부틸 나프탈렌, 또는 디메틸 이소부틸 나프탈렌인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유 조성물.
6. 제1항에 있어서, 상기 식물유의 요오드화 값은 130 이하인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유 조성물.