KR20070075135A

KR20070075135A - 고비점 방향족 유분으로 조성된 고내압성 전기절연유조성물

Info

Publication number: KR20070075135A
Application number: KR1020060003555A
Authority: KR
Inventors: 고재석; 홍승권; 권태욱
Original assignee: 에스케이 주식회사
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-07-18
Also published as: CN101356590B; WO2007081088A1; CN101356590A

Abstract

본 발명은 고비점 방향족 유분을 이용한 전기절연유 조성물에 관한 것으로, 플랫포밍(platforming) 또는 아로마이징(aromizing) 공정으로부터의 방향족 탄화수소 유분을 연속 증류하여 얻어진 280∼330℃의 증류 범위를 갖는 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 방향족 유분으로부터 내전압성이 우수하고 가스흡수성이 우수한 전기절연유 조성물을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 전기전열유는 전기적 특성을 높이는 불안정한 성분들이 제거되어 안정성이 높고 전위경도가 높은 장점이 있다.

전기절연유, 방향족, 감압증류, 저온유동성, 절연파괴전압, 필름콘덴서

Description

고비점 방향족 유분으로 조성된 고내압성 전기절연유 조성물 {Heavy aromatic electrical insulation oil with high breakdown voltage}

도 1은 종래기술에 따른 필름콘덴서용 전기절연유를 제조하기 위한 공정의 일 구체예를 개략적으로 나타낸 공정도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전기절연유를 제조하기 위한 공정의 일 구체예를 개략적으로 나타낸 공정도이다.

도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 전기절연유의 점도 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 전기절연유의 절연파괴전압 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 에틸렌, 비페닐 20 : 프로필렌, 비페닐

30 : 알킬화 반응기 40 : 증류탑

50 : 혼합장치

100 : 원료공급부 200 : 이성화반응기

300 : 증류탑

본 발명은 고비점 방향족 유분으로 조성된 고내압성 전기절연유 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 금속 촉매의 존재 하에서 탄화수소 원료 혼합물을 방향족 유분으로 전환하는 공정에서 생산되는 생성물인 혼합 방향족 탄화수소 성분으로부터 증류 분리한 특정 증류 범위를 갖는 성분을 포함하는 전기절연유 조성물로서, 안정성이 높고 저온에서의 유동성이 우수하며, 절연파괴전압이 높은 고내전압성 전기절연유 조성물에 관한 것이다.

기존의 필름콘덴서용 전기절연유로는 널리 사용되다가 생분해성이 매우 낮아 이미 생산이 중단된 폴리염화비스페닐(Poly chlorinated bisphenyl; PCB)계 및 이의 대체를 위한 다양한 종류의 방향족 탄화수소와 인계 절연유가 개발되어 적용되고 있는데, 전기적 절연성과 유전 손실이 상대적으로 적은 방향족 탄화수소계가 주로 사용되고 있다.

이들 방향족 탄화수소계 절연유의 대개는 탄소수 14∼22의 방향족 성분을 주성분으로 하는 것들이다. 방향족 전기절연유는 내전압성이 우수할 뿐만 아니라 고압이 인가되었을 때 발생하는 수소 가스의 흡수성이 우수해 부분 방전이 절연파괴로 이어지지 않도록 하는 특성이 우수하여 고압이 인가되는 필름콘덴서에 사용되어 왔다.

이러한 방향족 전기절연유의 예로는 페닐자일릴에탄(Phenyl Xylyl Ethane, 이하 PXE), 벤질톨루엔(Benzyl toluene)과 디벤질톨루엔(Dibenzyl toluene), 에틸비페닐(Ethyl biphenyl), 에틸이페닐에탄(Ethyl diphenyl ethane), 알킬벤젠(Alkylbenzene) 등이 있으며, 이들은 단독 또는 혼합물로 사용되어 왔다.

상기의 방향족 탄화수소계 전기절연유는 알킬화 반응(Alkylation) 또는 트랜스알킬화 반응(trans alkylation)에 의해 합성되는 것들로 주로 단일 성분 또는 10개 정도의 이성질체의 혼합물로 생성된다. 이러한 합성 방향족 탄화수소계 절연유는 특성을 나타내기 위해서 조성을 특정하게 유지하는 어려움이 있다. 특히, 에틸비페닐의 경우, 이성질체의 조성에 따라 저온 유동성이 큰 차이를 보이므로 조성을 조절하기 위해 두 가지 이상의 다른 성분을 첨가해 조성을 조절하는 작업이 필요하다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 에틸렌 및 비페닐(10)과 프로필렌 및 비페닐(20)을 각각 알킬화 반응기(30)를 통해서 알킬화 반응 또는 트랜스알킬화 반응시킨 후 다단계의 증류탑(40)을 통해서 원하는 증류 범위를 갖는 성분으로 분리, 합성한 다음, 이들을 다시 조성 조절을 위한 혼합장치(50)에 투입하여 혼합 공정을 수행한다. 그러나, 이러한 작업은 합성 공정 이후에도 물성 조절을 위한 혼합 공정 등이 추가로 들어가므로 생산이 복잡하고 생산 비용이 상승하는 단점이 있다.

또한, 알킬벤젠의 경우는 벤젠에 탄소수 12∼16의 알파올레핀을 촉매 존재하에서 알킬화 반응을 통해 축합하여 조성이 매우 복잡한 혼합물로 생산이 되어 합성 공정은 한 단계로 간단하나, 이렇게 합성된 알킬벤젠은 저온 유동성이 낮고 수소가 스 흡수성이 낮아 고압이 인가되는 필름콘덴서의 함침에 사용하기는 어려움이 있다.

따라서, 합성 공정이 간단하면서도 저온 유동성이 우수하고 수소가스 흡수성이 우수해 고압에서의 부분 방전에 잘 견디는 전기절연유의 요구는 계속되고 있다. 특히, 필름콘덴서에 함침시켰을 때 전위 경도를 높임으로써 전극간의 거리를 줄일 수 있어 콘덴서의 부피를 줄일 수 있다면 경제성이 더욱 높아질 것이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같이 특정 성분을 제조하여 물성을 조절하기 위해 조성을 합성 이후 혼합하는 불편을 줄이고 알킬벤젠과 같은 종래의 방향족 탄화수소 혼합 유분의 저온 유동성을 피하면서도 내전압성과 수소가스 흡수성이 우수한 방향족 탄화수소로 조성된 전기절연유 조성물을 제공하고자 한다.

전기절연유로서의 수소가스 흡수성을 높이기 위해 방향족 탄화수소를 주성분으로 하는 것이 본 발명이 기초하며, 특히 경제적인 생산을 위해 백금 촉매 또는 니켈 촉매 등과 같은 금속 촉매 하에서 방향족으로 전환되는 플랫포밍 또는 아로마이징 공정의 방향족 탄화수소 혼합 유분을 이용하는 것을 기초하여 완성되었다.

일반적으로 방향족 탄화수소는 파라핀계 탄화수소에 비해 수소가스 흡수성이 우수하나 방향족 고리에 치환되어 있는 알킬기의 구조와 길이, 그리고 그 개수에 따라 수소가스 흡수성이 크게 차이가 나며, 방향족의 종류, 즉 방향족 고리의 개수 및 연결 형태에 따라서도 크게 차이가 난다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 플랫포밍(platforming) 또는 아로마이징(aromizing) 공정에서 수득된 방향족 탄화수소 혼합 유분으로부터 증류에 의해 분리된 특정 범위의 증류 범위를 갖는 성분만을 사용함으로써 일환족, 이환족 및 삼환족 방향족 탄화수소 성분이 특정 조성으로 구성된 전기절연유 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일면에 따르면, 플랫포밍(platforming) 또는 아로마이징(aromizing) 공정으로부터의 방향족 탄화수소 혼합 유분을 증류하여 얻어진 280∼330℃의 증류 범위를 갖는 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기절연유 조성물이 제공된다.

본 발명의 다른 일 면에 따르면, 방향족 탄화수소의 함량이 HPLC로 성분 분석하였을 경우 95∼100면적%이고, 상기 방향족 탄화수소를 고리의 수에 따라 일환족, 이환족 및 삼환족으로 분류하였을 때 상기 방향족 탄화수소 중 HPLC 성분 분석에 의한 일환족, 이환족 및 삼환족의 면적비가 3∼20: 60∼94: 3∼20인 것을 특징으로 하는 전기절연유 조성물이 제공된다.

본 발명의 또 다른 일 면에 따르면, 플랫포밍 또는 아로마이징 공정으로부터의 방향족 탄화수소 혼합 유분을 증류하여 얻어지며, 점도(40℃)가 4.8∼7.1cSt이고, 절연파괴전압이 70∼100kV이며, 유동점이 -40℃ 이하인 것을 특징으로 하는 전기절연유 조성물이 제공된다.

상기 전기절연유 조성물은 또한 페닐자일릴에탄(Phenyl Xylyl Ethane), 벤질 톨루엔(Benzyl toluene), 디벤질톨루엔(Dibenzyl toluene), 에틸비페닐(Ethyl biphenyl), 에틸이페닐에탄(Ethyl diphenyl ethane) 및 알킬벤젠(Alkylbenzene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 더 포함할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 종래의 방향족 탄화수소 전기절연유는 알킬화 반응 또는 트랜스 알킬화 반응에 의한 반응생성물로부터 수득되며, 또한 다시 조성을 조절하기 위해 합성 공정 이후, 혼합 과정이 수행되어야만 한다. 그러나, 본 발명은 백금 또는 니켈 촉매와 같은 금속 촉매의 존재 하에서 탄화수소 원료 혼합물을 방향족 유분으로 전환시킨 것을 원료 유분으로 사용한다. 이러한 유분은 다양한 종류의 방향족 탄화수소 성분을 갖고 있어 그 성분을 모두 분석하기는 어렵다. 그러나, 목적한 물리적 및 전기적 특성을 갖는 전기절연유를 갖도록 성상을 조절하기 위해서는 이러한 유분의 조성을 분석하는 과학적이고 합리적인 기준이 필요하며 이에 따라 특성 조성을 갖는 유분을 얻는 것이 필요하다.

이에, 본 발명에서는 플랫포밍 또는 아로마이징 공정으로부터 얻어지는 방향족 탄화수소 혼합 유분의 증류 범위를 조절하여 목적하는 특정 물성을 갖는 조성의 방향족 유분만을 수득할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명에서는 HPLC를 이용하여 이러한 방향족 유분을 일환족, 이환족, 삼환족으로 구분하여 분석하고 이를 기준으로 목적하는 특성의 전기절연유 조성물을 얻는다.

즉, 방향족 탄화수소의 종류에 따라 전기절연유의 안정성과 유동성이 결정될 뿐만 아니라 휘발성 유기물의 증발량이 결정되므로 그 조성의 조절은 매우 중요하다. 이를 위해, 플랫포밍 또는 아로마이징 공정으로부터 얻어지는 방향족 탄화수소 혼합 유분 중 증류 범위 280∼330℃를 갖는 유분만을 증류에 의해 분리하여 사용하며, 그 조성은 바람직하게는 HPLC로 성분 분석을 하였을 경우, 방향족 탄화수소의 함량이 95 내지 100면적%이고, 이 중 일환족, 이환족, 삼환족 방향족 탄화수소의 비율이 3∼20: 60∼94: 3∼20(면적비)이다.

상기 조성의 방향족 탄화수소 중에서 일환족 성분이 너무 많으면 전체적으로 지방족(aliphatic) 탄화수소의 성질이 커져 수소가스 흡수성이나 저온 유동성이 떨어지며 제시된 조성보다 적으면 상온 이상에서의 점도가 높아지고 냄새가 강해지는 특성이 있다.

또한, 삼환족 성분이 제시된 조성보다 많으면 저온에서 결정으로 석출되는 성분이 많아지게 되어 부분 방전에 대한 내구성이 낮아지며, 상기의 조성보다 적으면 밀도가 낮아져 상온 이상에서의 내전압성이 낮아진다.

한편, 주요 성분인 이환족 방향족 성분의 함량이 상기의 범위를 벗어나면 밀도가 낮아지고 냄새가 강해서, 예를 들어 필름콘덴서 제조 과정에서 진공 탈기를 통해 배출된 냄새로 작업 환경 문제가 발생할 수 있다.

이와 관련하여, 도 2에 본 발명에 따른 전기절연유를 제조하기 위한 공정의 바람직한 일 구체예를 개략적으로 나타내었다.

도 2를 참조하면, 탄화수소 공급 혼합물, 예를 들어 납사를 원료공급부(100) 를 통해서 이성화반응기(200)에 투입하여 백금 또는 니켈과 같은 금속 촉매의 존재 하에서 방향족으로 전환시킨 후, 이로부터 얻어진 방향족 유분을 후단의 증류탑(300)으로 유입시켜 280∼330℃의 증류 범위를 갖도록 감압증류하는 것이다.

증류 범위가 상기 범위를 벗어나면 저온 유동성이 낮아지거나 절연유의 인화점이 낮아져서 안정성이 떨어지고 냄새가 강해져 작업에 불편을 초래한다.

이 경우, 특히 증류탑(30)의 탑정 온도가 290℃를 넘지 않도록 감압 조건을 유지시키는 것이 보다 바람직하다. 한편, 탑정 온도가 너무 높아 절연유의 변색 또는 냄새가 발생하는 경우에는 후공정에서 흡착이나 가스세정(scrubbing)에 의해 제거하는 공정을 추가하여 해결할 수 있다.

상기 280∼330℃의 증류 범위를 갖는 성분은 바람직하게는 점도(40℃)가 4.8 내지 7.1cSt이고, 절연파괴전압이 70 내지 100kV이며, 유동점이 -40℃ 이하이다.

본 발명의 전기절연유 조성물은 또한 필요에 따라 기존의 전기절연유로 사용되는 성분들, 예를 들어, 페닐자일릴에탄, 벤질톨루엔, 디벤질톨루엔, 에틸비페닐, 에틸이페닐에탄 및 알킬벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 더 포함할 수 있으며, 그 사용량은 특별히 한정되는 것은 아니나 전기절연유 조성물 중 약 30 내지 60중량%의 양으로 포함될 수 있다.

본 발명의 전기절연유는 통상의 전기절연유의 수분 제거방법에 따라 사용 전에 수분을 제거해 사용되며, 통상의 수분제거 방법으로는 진공 스프레이 탈기와 박막 진공 탈기, 분자체를 이용한 방법 등을 들 수 있으나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 금속 촉매의 존재 하에서 탄화수소 원료 혼합물을 방향족으로 전환시키는 공정에서 생산되는 생성물인 혼합 방향족 탄화수소 성분으로부터 특정 증류 범위를 갖는 성분만을 증류, 분리하여 사용함으로써 안정성이 높고 저온에서의 유동성이 우수하며, 절연파괴전압이 높은 고내전압성 전기절연유 조성물을 얻을 수 있다.

특히, 상기 특정 증류 범위를 갖는 성분은 일환족, 이환족 및 삼환족 방향족 탄화수소가 적정한 비율이 되도록 조성되어 높은 절연파괴전압과 필름콘덴서에 함침시켰을 때 전위경도를 현저히 높일 수 있는 이점이 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하지만, 하기 실시예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

백금 촉매 하에 납사를 원료로 3kg/㎠ 압력과 500℃ 온도에서 리포밍(Reforming) 반응을 통해 방향족으로 전환된 유분에서 방향족 성분을 액-액 추출 공정으로 분리한 후, 이를 280∼330℃의 증류 범위를 갖도록 이론단수가 60단인 두 개의 증류탑을 이용해 연속 증류하여 방향족 함량이 99면적%(HPLC 분석 결과) 이상인 조성물을 얻었다. 이를 전기절연유로서 사용하여 그 물성과 절연파괴전압을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 이로부터 얻어진 전기절연유의 온도변화에 따른 점도 특성을 도 3에 나타내었고, 전연파괴전압 특성을 도 4에 나 타내었다.

실시예 2

증류 범위를 290∼330℃가 되도록 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 얻어진 조성물을 전기절연유로서 사용하여 그 물성과 절연파괴전압을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

실시예 3

증류 범위를 290∼320℃가 되도록 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 얻어진 조성물을 전기절연유로서 사용하여 그 물성과 절연파괴전압을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

비교예 1

기존에 사용되는 전기절연유 중에서 이환족의 일종인 페닐자일릴에탄의 물성과 절연파괴전압을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 이로부터 얻어진 전기절연유의 온도변화에 따른 점도 특성을 도 3에 나타내었고, 전연파괴전압 특성을 도 4에 나타내었다.

전기절연유의 물성

분석항목		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1
조성^*	일환족 이환족 삼환족	8% 81% 11%	5% 80% 15%	5% 90% 5%	- 100% -
점도 (40℃)		5.4cSt	5.7cSt	5.6cSt	5.6cSt
절연파괴전압 (25℃)		90kV	90kV	100kV	80kV
유동점		-44℃	-43℃	-44℃	-40℃

* 상기 조성은 HPLC를 사용하여 측정되었으며, 그 측정값은 면적%로 나타냄

표 1, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전기절연유는 기존의 전기절연유에 비하여 저온에서도 점도가 낮으며, 높은 절연파괴전압을 가져 전기적 절연 특성이 매우 우수함을 알 수 있었다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전기절연유 조성물은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 금속 촉매의 존재 하에서 탄화수소 원료 혼합물을 방향족으로 전환시키는 공정에서 생산되는 생성물인 혼합 방향족 탄화수소 성분으로부터 특정 증류 범위를 갖는 성분만을 증류, 분리하여 사용함으로써 안정성 이 높고 저온에서의 유동성이 우수하며, 절연파괴전압이 높은 고내전압성 전기절연유 조성물을 얻을 수 있다. 덧붙여, 본 발명의 전기절연유 조성물에는 필요에 따라 통상적으로 사용되고 있는 기타 전기절연유 성분을 더 첨가하여 사용하여도 무방하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims

플랫포밍(platforming) 또는 아로마이징(aromizing) 공정으로부터의 방향족 탄화수소 혼합 유분을 증류하여 얻어진 280∼330℃의 증류 범위를 갖는 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기절연유 조성물.
방향족 탄화수소의 함량이 HPLC로 성분 분석하였을 경우 95∼100면적%이고, 상기 방향족 탄화수소를 고리의 수에 따라 일환족, 이환족 및 삼환족으로 분류하였을 때 상기 방향족 탄화수소 중 HPLC 성분 분석에 의한 일환족, 이환족 및 삼환족의 면적비가 3∼20: 60∼94: 3∼20인 것을 특징으로 하는 전기절연유 조성물.
플랫포밍 또는 아로마이징 공정으로부터의 방향족 탄화수소 혼합 유분을 증류하여 얻어지며, 점도(40℃)가 4.8∼7.1cSt이고, 절연파괴전압이 70∼100kV이며, 유동점이 -40℃ 이하인 것을 특징으로 하는 전기절연유 조성물.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기절연유 조성물은 페닐자일릴에탄(Phenyl Xylyl Ethane), 벤질톨루엔(Benzyl toluene), 디벤질톨루엔(Dibenzyl toluene), 에틸비페닐(Ethyl biphenyl), 에틸이페닐에탄(Ethyl diphenyl ethane) 및 알킬벤젠(Alkylbenzene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기절연유 조성물.