KR20090042604A

KR20090042604A - 수소 기체 흡수성이 우수한 전기절연유 조성물

Info

Publication number: KR20090042604A
Application number: KR1020070108463A
Authority: KR
Inventors: 홍승권; 고재석
Original assignee: 에스케이에너지 주식회사
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-04-30
Also published as: CN101419852B; CN101419852A; KR101317594B1

Abstract

본 발명은 수소 기체 흡수성이 우수한 전기절연유 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 다알킬나프탈렌과 다알킬벤젠을 함유하는 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소를 일정 비율로 혼합하여 이루어지며, 고압에서 부분 방전에 의해 생성되는 수소 기체를 단시간에 흡수함으로써 콘덴서의 안전성을 보다 향상시킬 수 있는 전기절연유 조성물에 관한 것이다.

전기절연유, 수소흡수성, 다알킬나프탈렌, 다알킬벤젠

Description

수소 기체 흡수성이 우수한 전기절연유 조성물{Electrical insulation oil composition having improved hydrogen absorptiveness}

종래에 전기절연유로 사용되어온 방향족 탄화수소로는 지방족 탄소(aliphatic carbon)로 연결된 두 개의 방향족 고리를 갖는 디아릴알칸, 하나의 방향족 고리에 탄소 수가 12~16인 알킬기 1개가 치환된 알킬벤젠 및 다알킬나프탈렌 등을 들 수 있다. 이 중 알킬벤젠은 전기적 특성이 다소 낮아 변압기용 절연유로 이용되며, 이에 비하여 수소 기체 흡수 능력이 비교적 우수한 디아릴알칸과 다알킬나프탈렌은 고압 콘덴서용 전기절연유로 주로 이용되고 있다.

일반적으로, 보통의 석유 정제유는 생산시의 원유 조성이나 공정 운전 조건에 따른 방향족 함량의 변화가 크고, 부식성 황 화합물이 함유되어 있으며, 유동점 이 높아 저온에서의 유동성이 좋지 않으므로, 고전압 콘덴서가 요구하는 절연특성과 장기 내전압 신뢰성을 만족시키기 어렵기 때문에, 고전압의 콘덴서에는 일반적인 석유 정제유를 사용하기 어려우며, 페닐 자일릴 에탄(PXE: Phenyl xylyl ethane)이나 벤질톨루엔과 같은 디아릴알칸을 사용한다.

이들 두 유종은 일반 석유 정제유에 비해 비교적 높은 수소 기체 흡수성을 갖는 것으로서 콘덴서의 안정성을 향상시킬 수 있기 때문에 전기절연유의 제조에 널리 사용되고 있다. 그러나 최근 고압 전력용 진상콘덴서의 부피가 줄어들면서 전극 간의 거리가 가까워지게 되었으며, 이로 인해 절연체의 절연성 증대에 대한 요구가 커지고, 부분 방전에 의한 절연파괴의 방지 성능에 대한 중요성이 대두 되고 있다. 즉, 부분방전에 의한 절연파괴를 방지하기 위해 보다 향상된 수소 흡수성을 갖는 절연유의 필요성이 증가 되고 있다.

한편, 변압기용 전기절연유에 사용되어온 알킬벤젠은 벤젠에 탄소수가 12~16인 알킬기가 치환된 것으로 일반적인 석유 정제유에 비하여 전기적 특성은 좋으나 유동점이 높아 저온에서 사용하기에는 한계가 있었다.

콘덴서에 고전압이 인가되면 부분 방전에 의해 절연유 또는 필름이나 종이와 같은 절연체가 부분적으로 분해되어 수소 기체가 발생하게 되는데, 이때 발생한 수소 기체가 절연유 중에 존재하게 되면 부분적으로 밀도가 낮은 빈 공간이 형성되어 절연파괴가 일어난다.

따라서 고압에 의해 생성된 수소 기체를 신속하게 흡수해야 할 필요가 있는데, 종래에 사용되어온 페닐 자일릴 에탄(PXE: Phenyl xylyl ethane)이나 벤질톨루 엔(Benzyl toluene)과 같은 디아릴알칸 화합물, 석유 정제유, 알킬 벤젠 및 다알킬나프탈렌 등은 수소 흡수성이 낮기 때문에, 고압이 인가되는 콘덴서용 전기절연유로 사용하는 데에는 한계가 있었다.

또한 절연유의 전기적 특성은 온도에 따라 크게 변화하는데, 절연체의 전기적 특성은 일반적으로 고온 및 저온에서 저하되는 경향이 있다. 전력용 콘덴서는 다양한 기후에서 적용될 수 있으므로 고온이나 저온에 관계없이 넓은 온도범위에서 균일한 성능을 나타낼 수 있어야 하기 때문에, 페닐 자일릴 에탄 및 벤질톨루엔 등의 합성유를 단독 또는 일정 비율로 혼합해서 사용하고 있지만, 부분 방전을 줄여주는 수소 기체 흡수성이 충분히 높지 않기 때문에 교류에서의 전위경도가 70 V/㎛의 수준에 미치지 못하는 것이 대부분이다.

한편, 전기절연유는 콘덴서에 충진되어 절연기능 외에도 전류의 손실에 의해 발생되는 열을 고르고 신속하게 분산시키는 냉각기능을 수행하는데, 통상적으로 절연유는 자연대류에 의해 열을 외부로 전달하므로 저온에서도 충분한 유동성을 가져야 한다. 절연유가 응고되어 유동성을 상실하면 발생한 기체가 국부적으로 모이게 되어 장치의 고장을 초래하게 된다.

또한 고전압 콘덴서의 전위경도는 절연유에 의해서만 결정되는 것이 아니라 절연 필름과의 상용성에 의해서도 영향을 받게 되는데, 필름에 존재하는 미세 구멍을 절연유가 채워주어 필름의 절연강도를 높이게 되므로 절연유는 필연적으로 필름과 적절한 상용성을 가져야 한다.

본 발명은 기존에 절연유 제조에 사용되어온 페닐 자일릴 에탄(PXE: Phenyl xylyl ethane)이나 벤질톨루엔(Benzyl toluene)과 같은 디아릴알칸 화합물, 석유 정제유, 알킬 벤젠 등의 방향족 탄화수소와 다른 구조를 갖는 다알킬나프탈렌 및 다알킬벤젠을 주성분으로 하고, 여기에 적절한 지방족 탄화수소를 일정량 첨가함으로써 수소 기체 흡수성이 현저하게 개선된 고압 전력용 콘덴서 절연유 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 절연유 조성물은, 다알킬나프탈렌 50~90 부피% 및 다알킬벤젠 10~50 부피%로 이루어지고 증류범위가 280~320℃ 이며 40℃에서의 동점도가 5~6.5 cSt인 방향족 탄화수소와 증류범위가 280~400℃이고 40℃에서의 동점도가 5~10 cSt이며 방향족 함량이 0.5 부피% 이하인 지방족 탄화수소를 95:5 ~ 60:40의 부피비로 포함한다.

본 발명에 따른 절연유 조성물은 기존의 전기절연유에 비하여 우수하거나 동등한 수준의 유동성을 가지면서, 비교적 높은 절연파괴전압과 현저하게 높은 수소 기체 흡수성을 갖는 것으로서, 신뢰성이 개선된 고전압 콘덴서를 구현할 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 전기절연유는 특정의 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소를 일정 비율로 혼합함으로써 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 전기절연유에 사용되는 방향족 탄화수소는 고도로 정제된 탄소수 12~20의 방향족 탄화수소로서, 증류범위가 280~320℃ 이며 40℃에서의 동점도가 5~6.5 cSt인 것이 바람직하며, 구체적으로는 나프탈렌에 알킬기가 두 개 이상 치환된 다알킬나프탈렌과 벤젠 고리에 알킬기가 두 개 이상 치환된 다알킬벤젠을 일정비율로 혼합된 형태로 사용된다.

다알킬나프탈렌과 다알킬벤젠을 혼합하는 경우, 그 혼합 비율은 다알킬나프탈렌 50~90 부피% 및 다알킬벤젠 10~50 부피%인 것이 바람직한데, 다알킬나프탈렌이 50 부피% 보다 적게 혼합되면 수소기체에 대한 흡수성이 현저히 떨어지는 문제가 있고, 90 부피% 보다 많이 혼합되면 유전손실이 증가하고 수소기체 흡수성도 감소할 우려가 있다.

본 발명에 따른 전기절연유에 사용될 수 있는 다알킬나프탈렌의 예로는 탄소수가 1~7인 알킬기가 두 개 붙은 구조의 알킬나프탈렌 이성질체의 혼합물로서 이소부틸프로필나프탈렌, 이소프로필이소부틸나프탈렌 등과 같은 이성질체 혼합물을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 본 발명에 따른 전기절연유에 사용되는 다알킬벤젠의 예로는 탄소수가 1~16인 알킬기가 두 개 붙은 구조의 이성질체 혼합물로서 이소프로필이소노닐벤젠, 메틸도데실벤젠 등과 같은 이성질체 혼합물을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 사용되는 방향족 탄화수소는 플랫포밍(platforming) 또는 아로마이징(aromizing) 공정으로부터 제조된 방향족 탄화수소 혼합유분으로부터 280~320℃의 비점 범위를 갖는 유분만을 분리함으로써 얻어질 수 있다.

플랫포밍 공정은 나프타를 원료로 활성 촉매 성분으로 백금촉매를 사용하여 방향족 탄화수소로 전환하는 공정이고, 아로마이징 공정은 니켈과 같은 전이금속을 무기산화물 담체에 담지한 것을 이용해 나프타를 방향족으로 전환하는 공정으로서, 금속 촉매의 존재 하에 나프타를 이성화하여 방향족으로 전환하게 된다.

본 발명에 사용되는 방향족 탄화수소를 제조하기 위한 플랫포밍 공정이나 아로마이징 공정에 사용되는 금속촉매로는, 실리카, 알루미노실리케이트, 제올라이트 및 점토로 이루어진 군으로부터 선택된 무기계 담체에 백금, 니켈 및 파라듐으로부터 선택된 하나 이상의 금속이 담지된 촉매가 사용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전기절연유에 포함되는 지방족 탄화수소는 증류범위가 280~400℃이고 40℃에서의 동점도가 5~10 cSt이며 방향족 함량이 0.5 부피% 이하이고, 유동점이 -38.5℃ 이하인 것으로서, 탄소수가 18~35인 직쇄형 또는 고리형 지방족 탄화수소일 수 있으며, 본 발명에 사용될 수 있는 지방족 탄화수소로는 탄소수가 12인 알킬기를 갖는 시클로헥산 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 시클로파라핀, 이소파라핀 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 시클로파라핀의 함량이 ASTM D3238의 n-d-M 방법에 의해 계산된 값이 30% 이상인 것이나 시클로파라핀의 함량에 제한되지는 않는 다.

본 발명에 사용되는 지방족 탄화수소는 감압증류공정으로부터의 감압가스유(VGO)를 촉매 존재하에 수소화 처리 함으로써 얻어질 수 있으며, 상기 수소화 공정에 사용되는 촉매로는 실리카, 알루미노실리케이트, 제올라이트 및 점토로 이루어진 군으로부터 선택된 무기계 담체에 백금, 니켈, 파라듐 및 구리로부터 선택된 하나 이상의 금속이 담지된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전기절연유를 제조함에 있어서, 다알킬나프탈렌 및 다알킬벤젠으로 이루어진 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소의 혼합비율은 부피비로 95:5 내지 60:40인 것이 바람직하다. 방향족 탄화수소의 함량이 95 부피%보다 많이 포함되면 유전손실이 증가하고 수소기체 흡수성이 감소하는 문제가 있으며, 반대로 60 부피%보다 적게 혼합되는 경우에는 수소기체 흡수성이 감소하는 문제가 있다. 가장 바람직하게는 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소의 혼합 부피비가 80:20 내지 70:30인 것이 좋다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만 하기의 실시예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1~5 및 비교예 1~4

나프타의 방향족으로의 전환공정은 백금을 담지한 촉매의 존재 하에 520℃에 서 4 /h의 공간속도 및 3~3kg_f/cm²의 수소압력 조건에서 진행되었다. 이 공정을 통하여 제조된 방향족 탄화수소는, 증류범위가 280~320℃이고, 다알킬나프탈렌과 다알킬벤젠이 85:15의 부피비로 혼합된 조성을 갖으며, 동점도는 40℃에서 5.6cSt이고, Bromine Index는 50 mg/g이며, 유동점은 -43℃이고, 방향족 탄화수소 함량이 99.8부피%로, 높은 증류범위에 비해 저온 유동성이 우수한 특징을 갖는 것으로 나타났다. 이 방향족 탄화수소의 조성은 HPLC에 의해 정량화되었다.

상기 방향족 탄화수소와 혼합되는 지방족 탄화수소는, 감압가스유(VGO)를 백금 촉매의 존재 하에 탈왁싱한 후, Co-Mo 촉매의 존재 하에 320℃, 150~200 kg_f/cm² 조건에서 수소화 반응을 진행하여 얻어진 시클로파라핀과 이소파라핀의 부피비가 30:70인 지방족탄화수소 혼합물로, 그 조성은 HPLC에 의해 결정되며, 유동점이 -41℃, 증류범위가 305~400℃, 40℃에서의 동점도가 8.6 cSt이며, 방향족 성분의 함량이 0.1 부피%인 것으로 나타났다.

상기 과정을 통하여 제조된 방향족탄화수소와 지방족탄화수소를 각각 95:5(실시예 1), 90:10(실시예 2), 80:20(실시예 3), 70:30(실시예 4) 및 60:40(실시예 5)으로 혼합하여 본 발명에 따른 전기절연유를 제조하고 각각의 물성과 기체흡수성을 평가하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

한편, 상기 실시예에서 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소의 혼합비만을 본 발명에 따른 혼합비와 다르게 하여 비교예 1과 비교예 2로 하고, 페닐 자일릴 에 탄(PXE, SK-CAPOIL) 또는 벤질톨루엔으로 이루어진 것을 각각 비교예 3 및 비교예 4로 하였으며, 일반 석유 정제유를 이용한 것을 비교예 5, 알킬벤젠(BAB)을 이용한 것을 비교예 6으로 하여 각각의 물성과 기체 흡수성을 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

기체 흡수성은 ASTM D2300에 따라 측정하였으며, 미국의 도블(Doble)사에서 제조한 기체흡수성 측정 장비를 사용하였다. 다른 전기적 특성은 다음과 같은 방법에 따라 측정되었다.

절연파괴전압 : IEC 60156

유전손실 : IEC 60247

수분함량 : IEC 60184

유동점 : ISO 3016

점도 : ISO 3104

비중 : ISO 3675

증류 : ASTM D86

방향족 함량 : LC

상기 결과로부터, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5의 전기절연유는 비교예들에 나타난 전기절연유에 비하여 동등하거나 우수한 유동성을 가지며, 절연파괴전압이 높고, 특히 수소 기체 흡수성이 월등하게 개선된다는 점을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예 중에서도 특히 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소의 혼합비율이 80:20~70:30일 때 수소 기체 흡수성이 최대가 될 수 있음을 알 수 있는데, 이는 비교예 1 내지 6에 나타난 종래의 전기절연유에 비하여 약 50% 이상 향상된 것이다.

Claims

다알킬나프탈렌 50~90 부피% 및 다알킬벤젠 10~50 부피%로 이루어지고 증류범위가 280~320℃ 이며 40℃에서의 동점도가 5~6.5 cSt인 방향족 탄화수소와 증류범위가 280~400℃이고 40℃에서의 동점도가 5~10 cSt이며 방향족 함량이 0.5 부피% 이하인 지방족 탄화수소를 95:5 ~ 60:40의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소와 상기 지방족 탄화수소의 부피비가 80:20 ~ 70:30인 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 다알킬나프탈렌이 탄소수 1 내지 7개의 알킬기를 두 개 이상 갖는 다알킬나프탈렌인 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제3항에 있어서, 상기 다알킬나프탈렌이 이소부틸프로필나프탈렌, 이소프로필이소부틸나프탈렌, 또는 그 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 다알킬벤젠이 탄소수가 1 내지 16개의 알킬기를 두 개 이상 갖는 다알킬벤젠인 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제5항에 있어서, 상기 다알킬벤젠이 이소프로필이소노닐벤젠, 메틸도데실벤젠 또는 그 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 지방족 탄화수소가 시클로파라핀, 이소파라핀 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소는 실리카, 알루미노실리케이트, 제올라이트 및 점토로 이루어진 군으로부터 선택된 무기계 담체에 백금, 니켈 및 파라듐으로부터 선택된 하나 이상의 금속이 담지된 촉매의 존재 하에 나프타로부터 전환된 방향족 탄화수소인 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 지방족 탄화수소는 실리카, 알루미노실리케이트, 제올라이트 및 점토로 이루어진 군으로부터 선택된 무기계 담체에 백금, 니켈, 파라듐 및 구리로부터 선택된 하나 이상의 금속이 담지된 촉매의 존재 하에 경질가스유(VGO)를 수소화하여 제조된 지방족 탄화수소인 것을 특징으로 하는 전기 절연유 조성물.