KR101641157B1 - 유입식 변압기용 전기절연유 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유입식 변압기용 전기절연유 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광물계 윤활유 100중량부, 하이드로제네이티드 디데센(Hydrogenated Didecene) 6~50중량부, 톨루엔 혼합물 0.1~3.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 절연성과 냉각성이 우수하여 온도 상승으로 인해 유입식 변압기의 성능과 수명이 저하되는 것을 억제하는 효과가 있다. 또한, 저온 유동성이 우수하여 온도에 관계없이 사용이 가능하며, 낮은 제조비용으로 인해 가격경쟁력 역시 우수한 효과가 있다.

Description

유입식 변압기용 전기절연유 조성물{INSULATIN OIL COMPOSITION FOR OIL IMMERSED TYPE TRANSFORMER}

본 발명은 유입식 변압기용 전기절연유 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광물계 오일, 하이드로제네이티드 디데센 등을 포함하도록 구성함으로써, 절연성과 냉각성이 우수함은 물론, 제조비용이 높지 않은 유입식 변압기용 전기절연유 조성물에 관한 것이다.

유입식 변압기는 운전시 권선이 발열하게 되고, 발열된 열은 변압기 내부에 충진된 전기절연유를 매개체로 하여 방사, 대류 등에 의해 외기 중으로 방열되며, 발열량이 방열량보다도 큰 동안은 온도가 상승하지만 발열량과 방열량이 평형을 유지하게 되면 온도는 일정하게 유지된다.

그러나 변압기에서 발생된 열이 외부로 배출되지 못하면, 그 열로 인해 전기절연유 및 절연지의 열화가 일어나고, 이는 전기절연유 및 절연지의 성능저하 및 수명저하를 유발하여 결과적으로 변압기의 수명을 단축시키는 문제점이 있었다.

따라서, 변압기 소재에 영향을 미치지 않으면서, 절연성과 냉각성이 우수한 절연유의 사용이 필수적이다.

종래 이러한 전기절연유로는, 광물계 윤활유가 사용되어 왔다. 이러한 광물계 윤활유는 원유를 정제하는 과정에서 부산물로 생성되는 것으로, 주성분은 알케인(alane)과 파라핀(paraffin)이다. 상기 광물계 윤활유는 유입식 변압기의 절연성과 냉각성을 어느 정도 유지해줄 수 있는 것은 물론, 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 상기 광물계 윤활유는 유동점이 높아 저온에서의 유동성이 좋지 않고, 고전압의 사용시 요구하는 냉각특성을 충분히 만족시키기 어렵다는 단점이 있었다.

또한, 알킬벤젠 역시 전기절연유로서 사용되어 왔는바, 상기 알킬벤젠은 벤젠에 탄소수가 12~16인 알킬기가 치환된 것으로, 일반적인 광물계 윤활유에 비하여 전기적 특성은 좋으나, 유동점이 높아 저온에서 사용하기에는 한계가 있었다.

따라서, 절연성과 냉각성이 우수한 전기절연유를 제조하기 위하여 하기와 같은 다양한 연구가 이루어졌다.

먼저, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0051820호에는 천연 오일, 합성 오일, 이성체화 베이스 오일 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 베이스 오일과, 다양한 첨가제 및 기체발생 경향을 갖기에 충분한 양의 중질 개질유로 되는 전기절연유 조성물이 개시되었다. 이러한 전기절연유 조성물은 열적 및 전기적 스트레스 하에서 발생하는 전기절연유의 기체를 효과적으로 제거할 수 있도록 하였으나, 전기절연유의 냉각성을 개선하지는 못하였다. 아울러, 베이스 오일의 조성에 따라, 즉 합성 오일이나 이성체화 베이스 오일만을 사용할 경우, 그 제조비용이 현저하게 상승되는 등의 단점 역시 있었다.

또한, 일본 공개특허 제2012-256449호에는 (A)1,1-디페닐 에탄올과, (B) 1-페닐-1-메틸페닐 에탄, 1-페닐-1-크시릴 에탄, 1-페닐-1-에틸 페닐에탄, 벤질 톨루엔 중 1종 이상의 것과, (C) 1, 2- 디페닐 에탄 및/또는 디페닐메탄을 포함하는 전기절연유 조성물이 개시되었다. 이러한 전기절연유 조성물은 저온 유동성을 현저히 개선하였으나, 종래 광물계 윤활유에 비해 냉각특성이 크게 개선되지 못한 단점이 있었다.

아울러, 다양한 합성 전기절연유의 개발이 이루어졌으나, 대부분의 합성 전기절연유는 그 제조비용이 높아 유입식 변압기에의 적용이 어려운 단점이 있었다.

KR 10-2010-0051820 A JP, P2012-256449, A

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 전기절연유 조성물이 갖는 제반 문제점을 해소하기 위한 것으로, 절연성과 냉각성이 우수한 것은 물론, 열적 및 전기적 스트레스 하에서 발생하는 전기절연유의 기체를 효과적으로 제거하는 전기절연유 조성물을 제공하는 것이다.

또한, 저온에서의 유동성이 우수하면서도, 제조비용 역시 낮은 전기절연유 조성물을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기절연유 조성물은, 광물계 윤활유 100중량부, 하이드로제네이티드 디데센 6~50중량부, 톨루엔 혼합물 0.1~3.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

산화방지제로서 디부틸히드록시 톨루엔 0.1~0.5중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 톨루엔 혼합물은 벤질 톨루엔 및 디벤질 톨루엔으로 되는 것을 특징으로 한다.

상기 광물계 윤활유는 100℃에서 동점도가 2~3cSt이며, 40℃에서 동점도가 5~10cSt이고, 인화점이 140~180℃인 것을 특징으로 한다.

헵틸 노닐 아디페이트(heptylnonyl adipate) 1~10중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 절연성과 냉각성이 우수하여 온도 상승으로 인해 유입식 변압기의 성능과 수명이 저하되는 것을 억제하는 효과가 있다. 또한, 저온 유동성이 우수하여 온도에 관계없이 사용이 가능하며, 낮은 제조비용으로 인해 가격경쟁력 역시 우수한 효과가 있다.

도 1은 열화온도에 따른 유입식 변압기용 절연지의 인장강도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 열화시간에 따른 유입식 변압기용 절연지의 평균 중합도를 나타낸 그래프이다.

먼저, 변압기의 사용에 있어서 전기절연유 조성물의 냉각특성이 그 어떤 부분보다 중요한 요소임을 설명한다.

일반적으로, 변압기의 사용 온도가 높을수록 셀룰로오스 절연지를 열화시키고, 그 열화로 인해 변압기의 수명이 단축된다. 즉, 열화가 진행됨에 따라 절연지의 인장강도가 저하되고, 절연지가 분해되어 절연지의 평균 중합도가 감소함에 따라 변합기의 수명이 단축되는 것이다. 첨부된 도 1은 열화온도에 따른 절연지의 인장강도 변화를 나타낸 것이고, 도 2는 열화시간에 다른 절연지의 평균 중합도를 나타낸 것으로, 열화온도가 높을수록, 열화시간이 길수록 인장강도 및 중합도가 현저히 감소되어 변압기의 수명이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 열화가 진행되면 절연지로부터 일산화탄소 및 푸르푸랄(furfural)이 생성되는데, 이로 인해서도 변압기의 수명은 현저히 저하된다.

즉, 절연지의 수명은 운전 온도에 크게 영향을 받는 것으로 판단할 수 있는데, 일반적으로 변압기의 온도가 6℃ 상승할 때 변압기의 수명은 정상 운전에 비해 반으로 줄어든다. 따라서, 전기절연유를 통해 변압기의 냉각 성능을 개선함으로써, 보다 낮은 운전 온도를 유지한다면 변압기의 사용수명을 연장할 수 있다.

따라서, 본 발명은 절연 및 냉각 특성이 우수한 전기절연유 조성물을 제공하는 것이 가장 큰 목적이며, 이와 더불어 저온 유동성이 우수하면서도 제조비용이 높지 않아 실용화가 가능토록 하는 것이다.

이를 위한 본 발명의 전기절연유 조성물은, 광물계 윤활유 100중량부, 하이드로제네이티드 디데센 6~50중량부, 톨루엔 혼합물 0.1~3.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서의 '중량부'는 전기절연유 조성물을 구성하는 광물계 윤활유 100중량부를 기준으로 한다.

이를 상세히 설명하면, 먼저 상기 광물계 윤활유는 통상 전기절연유 조성물로서 사용되는 것으로, 본 발명에서 역시 주재로서 사용한다. 상기 광물계 윤활유로는 그 종류를 제한하지 않는다. 상기 광물계 윤활유는 100℃에서 동점도가 2~3cSt이며, 40℃에서 동점도가 5~10cSt이고, 인화점이 140~180℃이기 때문에, 절연성과 냉각성을 유지해주는 성분이다. 그러나 이러한 광물계 윤활유만을 단독으로 사용할 경우, 앞서 설명한 바와 같이 고온환경에서는 충분한 냉각성을 발휘하지 못하며, 저온 유동성이 좋지 못한 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 광물계 윤활유의 단점을 보완하기 위하여, 하이드로제네이티드 디데센(Hydrogenated Didecene)을 더 포함한다. 상기 하이드로제네이티드 디데센은 전기절연유 조성물의 냉각성능, 즉 변압기의 작동 온도를 현저히 낮춰주는 역할을 하는 것은 물론, 저온 유동성을 개선하여 준다. 이때, 상기 하이드로제네이티드 디데센은 6~50중량부만큼 포함되는데, 그 함량이 6중량부 미만이면 냉각성능 개선효과가 뛰어나지 못하고, 50중량부를 초과하게 되면 냉각성능이 더 이상 개선되지 않으면서 제조비용이 증가하기 때문이다. 가장 바람직하게는 6~15중량부만큼 포함하여 냉각성능 및 저온 유동성의 개선효과는 우수하면서도 전기절연유 조성물의 제조비용을 낮출 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 전기절연유 조성물은 톨루엔 혼합물을 더 포함하는데, 상기 톨루엔 혼합물은 열적 및 전기적 스트레스 하에서 발생하는 전기절연유의 기체를 효과적으로 제거하는 역할을 한다. 상기 톨루엔 혼합물은 벤질 톨루엔 및 디벤질 톨루엔을 이용하는 것이 바람직한바, 벤질 톨루엔과 디벤질 톨루엔을 1:0.2~0.5 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 톨루엔 혼합물은 조성물 내 0.1~3.5중량부만큼 포함함이 바람직한데, 톨루엔 혼합물이 0.1중량부 미만이면 기체 제거의 효과가 미미하고, 3.5중량부를 초과하면 과량이 되어 제조비용이 증가하는 것은 물론, 인화점이 낮아져 화제의 위험성이 높아지기 때문이다.

그리고 본 발명에 따른 전기절연유 조성물은 산화방지제를 더 포함할 수 있는데, 상기 산화방지제로는 디부틸히드록시 톨루엔(BHT, dibutyl hydroxy toluene) 0.1~0.5중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 산화방지제는 전기절연유 조성물이 산화되는 것을 억제하여 물성이 오랜 기간 유지될 수 있도록 하는 것으로, 조성물 내 0.1중량부 미만으로 포함될 경우 그 효과가 미미하고, 0.5중량부를 초과하면 과량이 되어 오히려 전기절연유 조성물의 냉각성이 저하될 수 있기 때문이다.

아울러, 본 발명은 헵틸 노닐 아디페이트(heptylnonyl adipate) 1~10중량부를 더 포함할 수도 있는데, 상기 헵틸 노닐 아디페이트를 더 포함할 경우, 소량의 하이드로제네이티드 디데센(Hydrogenated Didecene)만을 사용하더라도 그 냉각효과가 더욱 개선되도록 돕는 역할을 한다. 즉, 상기 하이드로제네이티드 디데센은 그 함량을 높일 경우 냉각성능은 개선되나, 제조비용이 증가하는바, 상기 하이드로제네이티드 디데센과 헵틸 노닐 아디페이트를 함께 사용할 경우 소량의 사용만으로 그 냉각효과가 더욱 개선되는 것이다. 상기 헵틸 노닐 아디페이트는 1~10중량부만큼 포함되는데, 그 함량이 1중량부 미만이면 그 효과가 미미하고, 10중량부를 초과할 경우 오히려 그 냉각효과가 저하되므로 상기한 범위 내에서 사용한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 전기절연유 조성물은, 광물계 윤활유와 하이드로제네이티드 디데센의 사용으로 냉각성능이 현저히 개선되는 특징이 있다. 더욱이, 광물계 윤활유, 하이드로제네이티드 디데센, 헵틸 노닐 아디페이트의 혼합 사용으로 냉각성능을 더욱 현저히 개선하면서도, 제조비용은 낮출 수 있는 특징이 있다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다.

시험예 1

(실시예 1)

광물계 윤활유(100℃에서 동점도가 2cSt이며, 40℃에서 동점도가 9cSt이고, 인화점이 160℃) 100중량부, 하이드로제네이티드 디데센 15중량부, 톨루엔 혼합물 1.5중량부, 산화방지제 0.1중량부를 교반기에 투입하고, 300rpm의 속도로 20분간 교반하여 유입식 변압기용 전기절연유 조성물을 제조하였다. 여기서, 상기 톨루엔 화합물로는 벤질 톨루엔 및 디벤질 톨루엔을 1:0.45중량비로 혼합하여 사용하였으며, 산화방지제로는 BHT를 사용하였다.

(비교예 1 내지 4)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 하이드로제네이티드 디데센을 대신하여, 비교예 1은 합성유인 팜 메틸 에스테르(palm methyl ester)를, 비교예 2는 합성유인 메틸 올리에이트(Methy oleate)를, 비교예 3은 합성유인 i-부틸 올리에이트(i-Bytyl oleate)를, 비교예 4는 합성유인 팜 지방산 에스테르(palm fatty acid ester)를 사용하였다.

그리고 이의 점도, 유전정접, 체적저항율, 변압기 온도효과를 시험하였다.

이때, 상기 변압기 온도효과는 상기 유입식 변압에 상기 실시예 1 및 비교예들을 적용하고 약 8시간이 경과한 상태에서 유온을 측정하여 나타내었는바, 그 결과는 광물계 윤활유만을 사용한 대조군과의 온도차로서 나타내었다. 그 결과는 하기 표 1과 같았다.

시험예 1의 결과.

구분	점도(cSt) 40℃	유전정접(%) (KS 규격 0.1이하)	체적저항율(Ω·㎝) (KS 규격 5.00E+13이상	온도효과(△T) 변압기 테스트(8HR)
비교예 1	8.66	10.53	1.17E+11	1
비교예 2	9.10	4.84	3.20E+11	0
비교예 3	8.95	3.26	4.15E+11	0
비교예 4	8.734	0.8289	3.85E+12	1
실시예 1	8.877	0.0002	10.0E+15	3

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 다른 합성유를 첨가한 비교예 1 내지 4는 모두 냉각효과가 미미하였으나, 하이드로제네이티드 디데센을 이용한 실시예 1만이 광물계 윤활유만을 사용한 대조군에 비해 우수한 냉각효과를 보였다. 아울러 나머지의 비교예들은 KS 규격에도 벗어나 적용에 어려움이 있음을 확인하였다.

시험예 2

광물계 윤활유(100℃에서 동점도가 2cSt이며, 40℃에서 동점도가 9cSt이고, 인화점이 160℃), 하이드로제네이티드 디데센, 톨루엔 혼합물, 산화방지제를 하기 표 2와 같은 배합비로 교반기에 투입하고, 300rpm의 속도로 20분간 교반하여 유입식 변압기용 전기절연유 조성물을 제조하였다. 여기서 상기 톨루엔 화합물로는 벤질 톨루엔 및 디벤질 톨루엔을 1:0.45중량비로 혼합하여 사용하였으며, 산화방지제로는 BHT를 사용하였다.

시료별 혼합비(중량부)

구분	광물계 윤활유	하이드로제네이티드 디데센	톨루엔 혼합물	산화방지제
시료 1	-	100	1.5	0.1
시료 2	100	80	1.5	0.1
시료 3	100	50	1.5	0.1
시료 4	100	30	1.5	0.1
시료 5	100	15	1.5	0.1
시료 6	100	10	1.5	0.1
시료 7	100	6	1.5	0.1
시료 8	100	3	1.5	0.1
시료 9	100	0	1.5	0.1

그리고 상기 시료 1 내지 9의 점도, 비중, 열전도도, 비열, 열확산도 및 변압기테스트에서의 냉각효과를 시험하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 상기 변압기 온도효과는 앞선 시험예 1과 동일하게 실시하였다.

시험예 2의 결과.

구분	점도(cSt)		비중	열전도도 (W/mK)	비열 (J/g/K)	열확산도 (㎟/s)	온도효과(△T) 변압기 테스트(8HR)
	40℃	100℃
시료 1	5.062	1.69	0.7989	0.236	2.132	0.139	4
시료 2	5.67	1.82	0.8021	0.234	2.129	0.135	3
시료 3	6.79	2.05	0.8173	0.233	2.122	0.130	3
시료 4	7.77	2.24	0.8283	0.225	2.102	0.127	3
시료 5	8.53	2.39	0.8304	0.223	2.075	0.129	3
시료 6	8.82	2.44	0.8326	0.220	1.990	0.122	2
시료 7	9.07	2.48	0.8346	0.219	1.965	0.120	2
시료 8	9.26	2.52	0.8351	0.220	1.955	0.188	0
시료 9	9.46	2.55	0.8357	0.221	1.947	0.117	0

상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 하이드로제네이티드 디데센의 함량이 높을수록 점도가 낮으면서도, 변압기의 냉각 효과가 우수하였다. 더욱 상세하게는 하이드로제네이티드 디데센만을 사용한 시료 1이 가장 높은 냉각 효과(4℃)를 나타냈고, 시료 2 내지 시료 5는 3℃, 시료 6 및 시료 7은 2℃의 냉각 효과를 나타내었으며, 시료 8은 냉각 효과를 나타내지 않았다. 따라서, 그 제조비용을 고려할 때, 시료 3 내지 7, 더욱 바람직하게는 시료 5 내지 7이 가장 바람직한 조성이라 판단되었다.

시험예 3

(실시예 2)

광물계 윤활유(100℃에서 동점도가 2cSt이며, 40℃에서 동점도가 9cSt이고, 인화점이 160℃) 100중량부, 하이드로제네이티드 디데센 15중량부, 톨루엔 혼합물 1.5중량부, 산화방지제 0.1중량부, 헵틸 노닐 아디페이트 5중량부를 첨가하여 300rpm의 속도로 20분간 교반하여 유입식 변압기용 전기절연유 조성물을 제조하였다. 여기서, 상기 톨루엔 화합물로는 벤질 톨루엔 및 디벤질 톨루엔을 1:0.45중량비로 혼합하여 사용하였으며, 산화방지제로는 BHT를 사용하였다.

그리고 이의 점도, 유전정접, 체적저항율, 변압기 온도효과를 시험하였다. 이때, 상기 변압기 온도효과는 시험예 1과 동일하게 실시하였다.

시험예 3의 결과.

구분	점도(cST) 40℃	유전정접(%) (KS 규격 0.1이하)	체적저항율(Ω·㎝) (KS 규격 5.00E+13이상)	온도효과(△T) 변압기 테스트(8HR)
실시예 2	8.731	0.0002	10.15E+15	4

상기 표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 소량의 헵틸 노닐 아디페이트를 더 첨가할 경우, 온도효과가 더욱 우수함은 물론, KS 규격에도 벗어나지 않음을 확인하였다.

시험예 4

시료 10 내지 14로서, 실시예 2와 동일하게 실시하되, 헵틸 노닐 아디페이트를 각각 0.1중량부, 1중량부, 5중량부, 10중량부, 15중량부로 하여 제조하였다.

그리고 이의 변압기 온도효과를 시험하였다. 이때, 상기 변압기 온도효과는 시험예 1과 동일하게 실시하였다.

시험예 4의 결과.

구분	온도효과(△T) 변압기 테스트(8HR)
시료 10	3
시료 11	3.5
시료 12	4
시료 13	4.2
시료 14	3.7

상기 표 5에서 확인 가능한 바와 같이, 시료 10은 냉각효과가 없었으며, 시료 11 내지 13은 냉각효과가 우수함을 확인하였다. 아울러, 그 함량이 15중량부인 시료 14는 오히려 그 냉각효과가 저하됨을 확인함으로써, 시료 11 내지 시료 13이 적절한 배합비임을 확인하였다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (5)

1. 광물계 윤활유 100중량부, 하이드로제네이티드 디데센(Hydrogenated Didecene) 6~50중량부, 톨루엔 혼합물 1.5중량부, 헵틸 노닐 아디페이트(heptylnonyl adipate) 1~10중량부, 산화방지제로서 디부틸히드록시 톨루엔(BHT, dibutyl hydroxy toluene) 0.1중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유입식 변압기용 전기절연유 조성물.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 톨루엔 혼합물은 벤질 톨루엔 및 디벤질 톨루엔으로 되는 것을 특징으로 하는 유입식 변압기용 전기절연유 조성물.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 광물계 윤활유는 100℃에서 동점도가 2~3cSt이며, 40℃에서 동점도가 5~10cSt이고, 인화점이 140~180℃인 것을 특징으로 하는 유입식 변압기용 전기절연유 조성물.
   
5. 삭제

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