KR20040099626A - 열전도도가 높은 변압기 절연유 및 이를 이용한 전력용변압기 - Google Patents

열전도도가 높은 변압기 절연유 및 이를 이용한 전력용변압기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노분말이 소량 함유된 나노유체의 뛰어난 열전도도를 이용하여 열전달 효율을 획기적으로 향상시킨 전력용 변압기 절연유와 이를 이용한 전력용 변압기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 변압기 절연유에 부도체인 산화물 분말이 0.1 내지 5부피% 분산되어 있으며 그 직경은 20 내지 100nm인 것을 특징으로 한다.

Description

열전도도가 높은 변압기 절연유 및 이를 이용한 전력용 변압기{Transformer oil having high thermal conductivity and power transformer using the same}
본 발명은 열전도도가 높은 변압기 절연유 및 이를 이용한 전력용 변압기에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 나노분말이 소량 함유된 나노유체의 뛰어난 열전도도를 이용하여 열전달 효율을 획기적으로 향상시킨 전력용 변압기 절연유와 이를 이용한 전력용 변압기에 관한 것이다.
고압의 전기를 저압의 전기로 변환해 주는 변압기(transformer)는 동선(銅線)의 부하손과 철심의 무부하손으로 인하여 열이 발생된다. 이러한 열은 변압기 수명에 지대한 영향을 미치므로 절연유의 강제순환을 통해 변압기 내부를 냉각시키고 있다.따라서, 절연유는 우수한 절연특성을 가짐과 동시에 냉각능이 우수한 것이 요구되고 있다.
한편, 최근의 추세는 송전의 효율을 높이기 위하여 전력용 변압기의 고압측 전압이 높아지고 있다. 이에 따라 변압기가 대형화되고 있으며 이와 더불어 절연유의 (국부적인) 온도상승이 문제로 대두되고 있다. 절연유의 온도가 상승하면 절연유의 열화(劣化)가 촉진되며 슬러지(Sludge)가 생성되고, 이것이 동선 및 철심에 부착하기도 하고, 침전하면 대류, 열전도 등을 저하시켜 열의 발산을 방해하여 냉각능력을 감소시키고, 변압기내 기기의 손상을 초래하기도 한다. 심한 경우는 동선 등에 슬러지가 탄화된 상태로 부착되어 제거할 수 없게 되기도 하고, 일부 과열상태로 되어 절연유가 타서 악취나 연기를 내기도 한다. 또한 동선을 감싸고 있는 절연지의 열화를 촉진시켜 궁극적으로 변압기의 수명을 단축시키기도 한다.
절연유의 온도 상승을 억제하기 위해서는 절연유의 순환속도를 증가시켜 냉각속도를 높일 수 있으나, 유속이 어느 정도 높아지면 변압기 내부의 절연유가 유동에 의해 고체 절연물의 계면에 전하의 분리가 생기고 권선(捲線) 내부와 유로 주변의 절연물에 전하가 축적되어 그 부위에 직류전위가 상승하고, 정전기 방전에 의한 소위 유동대전(流動帶電) 현상이 발생하며, 정전기 방전이 진전되면 절연유의 절연파괴가 일어난다. 종래에는 유로구조개선, 절연물 처리, 절연유 제조 시 유동대전 억제 효과 있는 BTA (bensotriasol) 첨가 등으로 문제를 완화하였다.
본 발명은 상기한 문제점들을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서 나노스케일의 입자가 분산된 나노유체(Nanofluid)의 뛰어난 열전도도 특성을 이용하여 열전도도가 기존의 절연유보다 10%이상 증가된 절연유와 이를 이용하여 수명이 획기적으로 향상된 전력용 변압기를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 유동조건에서의 변압기 절연유의 열전도도 측정장치의 개략도이다.
도 2는의 함수로서의 물의 열전달계수h 2(STS관 직경 1mm에서 시험)의 변화를 보여주기 위한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 유속에 따르는 입구 및 출구측의 온도변화를 보여주기 위한 그래프이다.
도 4는 유속에 따르는 열전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12 --- 열전대 14 ---- STS 관
16 --- 순환수 입구 18 --- 순환수 출구
20 --- 구리 외관 22 --- 고무 마개
24 --- 타이곤 또는 폴리에틸렌관
26 --- 절연유 정장조 28 --- 펌프
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나노스케일의 입자 크기가 20 내지 100nm의 직경을 가지고, 전기적으로 부도체인 산화물 분말이 0.1 내지 5부피％ 분산되어 있는 열전도도가 높은 변압기 절연유인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서의 산화물은 전도성이 있거나 절연유에 용해될 가능성이 있는 산화물은 제외한 산화물을 말한다.
또한, 본 발명은 상기 변압기 절연유를 이용한 전력용 변압기인 것임을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명을 실험방법과 처리방법 및 특성분석을 설명한다.
나노절연유의 제조
알루미나 나노입자(평균입도 ~20nm)를 1 내지 5부피%로 변압기 절연유와 혼합하였다. 나노입자를 잘 분산시키기 위하여 계면활성제로 올레인산를 사용하였으며 나노입자와 절연유의 혼합물을 초음파 진동기로 10시간 이상 처리하였다. 제조된 나노유체를 투과전자현미경으로 관찰해 본 결과 알루미나 나노입자가 절연유에 잘 분산되어 있음을 확인하였고 1주일 이상 정지된 상태에서 방치하여도 침전물이 생성되지 않았다.
나노 절연유의 전기적 특성 측정
시험에 사용된 절연유의 물리적 특성은 다음 표 1과 같다.
특성 비중 동점도 25℃ 인화점 유동점 전산가(全酸價) 비유전율 유전정접80℃ 저항율 파괴전압
단위 - mm 2 /s ℃ ℃ mgKOH/g - % Ωcm kV/2.5mm
0.872 14.2 142 -32.5 0.003 2.2 0.012 5ｘ10 15 92
알루미나 나노분말의 첨가에 의한 영향을 확인하기 위하여 상기의 특성에서 동점도와 저항율을 알루미나 나노분말 5부피% 첨가한 후에 측정하였다. 동점도는 Brookfield cone & plate viscometer model DV-I을 사용하여 측정하였으며 나노분말을 첨가한 경우 16.55 mm2/s로 증가하였다. 저항율은 Keithley electrometer model 6517A를 사용하여 측정하였으며 5.4ｘ1015Ωcm로 약간 증가하였다.
나노 절연유의 정적인 상태에서의 열전도도( k stat ) 측정
우선 알루미나 나노입자가 분산된 나노절연유의 정적인 열전도도를 상온과70℃에서 THW(Transient Hot Wire) 방법으로 측정하였다. 상온에서 열전도도는 알루미나 나노분말이 1부피% 첨가된 나노절연유의 경우 10.7% 증가하였고 5부피% 나노절연유의 경우 55.2% 증가하였다. 70℃에서 열전도도는 1부피% 첨가된 나노절연유의 경우 35.1% 증가하였고, 5부피% 나노절연유의 경우 175.3% 증가하였다.
나노 절연유의 유동 상태에서의 열전도도( k mov ) 측정
전력용 변압기와 같은 유동조건에서 열전도도를 측정하기 위하여 도 1과 같은 모사시험 장치를 제작하였다. 열전대(Thermocouple:T.C.: 12)를 스테인리스강(STS) 관(14)의 순환수 입구(16)와 출구(18)쪽에 각각 하나씩 부착하였고 저온(5℃)의 순환수와 접하는 시험부의 4곳에 부착하였다. STS관은 구리 외관(20)(직경 0.5 in)으로부터 고무마개(rubber stopper: 22)로 단열하였다. 저온수는 항온조로부터 유속 30 ℓ/min로 펌핑되어 시험부를 순환한다. 스테인리스강 관은 타이곤(tygon)과 폴리에틸렌(polyethylene) 관(24)을 통하여 고온(80℃)으로 유지되는 절연유 저장조(26)에 연결하였다. 절연유 저장조는 용량이 10,000 ㎖이며 열전대를 이용하여 80℃로 유지하였다. 입구측에 연결된 타이곤 관은 솜으로 외부와 단열하였고, 출구측과 연결된 폴리에틸렌관은 단열하지 않았다.
나노절연유에는 입자크기가 ~100 nm 정도의 알루미나 입자가 ~5부피% 분산되어 있으며, 입자크기와 나노입자의 용량을 함수로 시험을 수행하였다. 고온의 절연유의 온도는 열전대로 온도를 측정하였다. 고온조에 담긴 절연유는 펌프(28)를 통해서 STS관으로 유입되며 그 유량은 유속 미터(Mass Flow Meter)로 조절하였다.
펌프(28)가 가동하기 시작한 후 약 5초가 지난 후 입구측의 온도가 일정하게 유지되면 각 부위에서의 온도를 측정하였고 20초 간격으로 5회 정도 측정하여 평균값을 구하였다.
시험되는 나노절연유의 유동상태에서의 열전도도는 다음과 같은 계산식으로부터 얻어진다.
시험되는 절연유은 반대로 흐르는 냉수에 의해 냉각된다. 이때 절연유가 얻는 열량은
(1)
여기서,
= 시험유체의 밀도
c= 시험유체의 비열(cal/g℃)
D= STS 관의 내경
= 시험유체의 평균 속도(cm/sec)
,= 시험유체의 입구 및 출구측의 온도
관벽을 통하는 열량은
(2)
여기서,
h= 식(6)으로 주어지는 평균 열전달 계수(cal/sec ㎠℃)
{d}_{m} = 다음과 같이 주아지는 STS관의 대수적인(logarithmic) 평균직경
(3)
여기서,
L= STS 관의 시험부 길이
,= STS관 표면 및 내부온도
시험유체와 역으로 흐르는 저온수에 대해서는 다음이 성립한다[E.R.G. Eckert and R.M. Drake, Jr., Heat and Mass Transfer (McGraw-Hill, New York, 1959].
(4)
여기서,
= 입구측의 저온수의 온도,= 출구측의 저온수의 온도 (이 시험에서는 동일함)
위 시험에서 절연유가 얻는 열량과 STS관을 통과하는 열량은 같으므로h는 다음과 같이 주어지며
(5)
여기서시험유체의 유량속도 (g/sec), 또한
(6)
가 성립한다. (h 1: 시험유체의 열전달계수,h 2: 저온수의 열전달계수,h SS: STS의 열전달계수) 관벽의 온도가x=0에서 갑자기 어느 온도로 상승하여 일정하게 유지하고 관으로 유입하는 유체의 속도 프로화일이 완전히 발달되었다면 다음과 같은 식이 성립한다.
(7)
따라서h 2값을 알면 (5), (6), (7)식에서 시험유체의 열전도도k s 를 알 수 있다.순환수의 온도t w는 일정하기 때문에==식(5)는 다음과 같이 쓸 수 있다.
(8)
식(8)에서h값과 식(7)에서h 1을 구하여 식(6)에 대입하면 유량의 함수로h 2값을 구할 수 있다. 관 밖에서의 열전달계수h 2가에 의존한다면,h 2대값을 도식화하여 주어진값으로부터h 2를 구하고, 따라서h 1을 식(6)과 (8)에서k s를 식(7)에서 구할 수 있다. 도 2에는 시험유체로 물을 사용하여h 2(STS관 직경 1mm에서 시험) 값을 구하여의 함수로 도식화하였다.
실험결과
부피％ 정적 열전도도[10-2W/m/K]
상온 70℃
135 1.594.787.96 5.0715.2025.30
상기 표 2는 알루미나 나노분말 함량에 따른 정적인 상태에서의 열전도도를 나타낸 것이며 이와 같은 값을 가진 나노절연유에 대하여 도 1의 유동상태에서의 열전도도 측정장치를 이용하여 나노절연유를 ~3 g/sec의 유량속도로 STS관속으로 흘리면서 입구측과 출구측의 온도를 측정하였고 식(5) ~ (7)을 이용하여 열전도도를 계산하였다.
도 3a에 유속에 따르는 입구측의 온도변화를 그래프로 나타내었다. 유속이 증가하면 입구측의 온도가 대체적으로 증가하며 절연유의 항온조 설정온도인 80℃에 근접함을 알 수 있다. 또한 알루미나 나노분말의 함량이 증가하면 대체적으로 감소하나 그 차이는 2 ~ 3℃내외로 별로 크지 않음을 알 수 있다.
도 3b에 유속에 따르는 출구측의 온도변화를 그래프로 나타내었다. 유속이 증가하면 입구측의 온도가 초기에 급격히 증가하다가 포화됨을 알 수 있다. 또한 알루미나 나노분말의 함량이 증가하면 10℃정도 감소함을 알 수 있다.
도 4는 도 3a와 도 3b의 입구측과 출구측의 온도변화를 이용하여 계산된 동적인 상태에서의 열전도도 값을 정적인 상태에서의 열전도도 값과 비교하여 그 증가량을 %로 나타내었다. 단위시간당 유량이 증가하면k stat값과k mov값의 차가 증가함을 알 수 있고 알루미나 나노분말의 함량이 증가할수록 그 차이도 증가함을 알 수 있다.
따라서, 위와 같은 특성을 가진 나노절연유를 전력용 변압기에 적용할 경우 열전도도를 획기적으로 증가시켜 기존의 변압기에 비해 변압기내의 온도 구배를 감소시켜 절연지의 열화를 방지하며 저유속에서도 열전도도를 높여 유동대전에 의한 스파크(spark) 발생을 억제하며 궁극적으로 전력용 변압기의 효율을 높일 수 있다.

Claims (2)

  1. 변압기용 절연유에 있어서, 나노스케일의 입자 크기가 20 내지 100nm의 직경을 가지고, 전기적으로 부도체인 산화물 분말이 0.1 내지 5부피％ 분산되어 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 열전도도가 높은 변압기 절연유.
  2. 제 1항에 따른 변압기 절연유를 이용한 것을 특징으로 하는 전력용 변압기.
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KR100851649B1 (ko) * 2006-10-30 2008-08-13 한국전력공사 오일 기반의 고효율 나노유체 및 그 제조방법
CN101950601A (zh) * 2010-07-29 2011-01-19 重庆大学 矿物绝缘油和改性纳米粉体的复合物及其应用和制备方法
US8572657B2 (en) 2009-09-30 2013-10-29 Lg Electronics Inc. Controlling program guide in broadcast receiving device
EP3250042A1 (en) * 2014-12-12 2017-12-06 Barry Callebaut AG Composition, method, use and product

Cited By (5)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100564821B1 (ko) * 2004-10-05 2006-03-27 한국전력공사 열전도도가 높은 산화물-절연유 혼합체 및 이를 이용한주상 변압기
KR100851649B1 (ko) * 2006-10-30 2008-08-13 한국전력공사 오일 기반의 고효율 나노유체 및 그 제조방법
US8572657B2 (en) 2009-09-30 2013-10-29 Lg Electronics Inc. Controlling program guide in broadcast receiving device
CN101950601A (zh) * 2010-07-29 2011-01-19 重庆大学 矿物绝缘油和改性纳米粉体的复合物及其应用和制备方法
EP3250042A1 (en) * 2014-12-12 2017-12-06 Barry Callebaut AG Composition, method, use and product

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