Application of UV-Vis Spectroscopic Analysis for Transformer Insulating Paper Degradation

UV-Vis 분광분석에 의한 전기변압기 내 절연지 열화도 측정

Abstract

Insulated oil degradation produces charged by-products, such as acids and hydro-peroxides, which tend to reduce the insulating properties of the oil. In this study, UV-vis spectroscopy measurement technology is developed and experimentally compared with other measurement methods, such as the titration method and IR spectroscopy, to validate its ability to monitor the degradation of electrical insulating paper. The degradation characteristics of the insulating paper are appropriately represented through various types of measurement methods, such as the Tan (delta) method, $CO_2$ gas production measurement, the titration method, and IR spectroscopy. The results are demonstrated to be well comparable to a change in the fluorescence emission ratio (FER), which is defined as the shift in fluorescence intensity in the measured wavelength range, and also to the chromatic ratio, which is defined as a color shift to longer wavelength ranges. The results also show that, by using UV-vis spectroscopy, it is possible to detect the degradation of the insulating paper. This study suggests that UV-vis spectroscopy can be applied as an alternative to high-performance liquid chromatography, which is the internationally recognized measurement technology for cellulose paper degradation. The FER detector is also verified to be useful as an effective condition-monitoring device for power transformers.

1. 서 론

최근 들어 예비전력 부족으로 인한 대규모 정전(black-out) 발생을 심각하게 우려하고 있는 우리나라의 경우, 절대 발전량의 부족을 극복함이 최우선적으로 요구되고 있으나, 이와 아울러 발전된 전력이 소비자까지 전달되는 전력수송(송전)이 불의에 파손되는 사고로 인하여 단전되는 문제없이 원활하게 작동되고 있는지의 여부도 지속적으로 관심을 가져야 할 매우 중요한 사항이다.

송전시스템의 주요 설비인 주변압기는 관련 보고에 의하면 Fig. 1에서와 같이 초기 설치로부터 약 15년 이후부터 파손 발생률이 급격하게 증가하는 것으로 알려져 있는데, 우리나라 사용년수별 주변압기 운전현황에 의하면 설치된 주변압기의 대부분이 10~15년을 이미 경과하고 있는 것으로 나타나, 이들 변압기 상태를 효과적으로 모니터링 하여 갑작스런 사고발생을 효과적으로 예지해야 할 필요성이 매우 높은 실정이다.

 

Fig. 1. Mean failure rate °C curred at power transformers: the trouble rise up after 15 years.

변압기 고장원인의 50% 이상을 점유하고 있는 것으로 알려진 절연재료의 자연 열화는 변압기 내 절연유와 절연지의 열화에 의하여 주로 발생하는 것으로 알려져 있다.

관련 연구 결과[1]에 따르면, 셀룰로오스 종이 (cellulosepaper) 재질로 구성된 절연지(insulating paper)는 변압기 내의 이상 고온 하에서의 열점(abnormal hot spot)의 발생하고, 열 및 수분에 의한 가수분해에 의하여 열화되어, 상기 열화생성물로서 2-Furfural(2-FAL), 2-Furfurol (2-FOL), 5-Hyroxy methyl-2-furfural(5-HMF), 5-Methyl-2-furfural (5-MEF), 및 2-Acetylfuran(2-ACF)와 같은퓨란(Furan) 화합물이 발생함과 아울러 CO 및 CO₂ 가스 등을 방출하며(Fig. 2 참조), 이에 따라 절연지의 폴리머 중합도(DP, degree of polymerization)[2]가 감소하여 기계적 및 전기 절연적 특성이 점차적으로 저하되는 것으로 알려져 있다. 폴리머 중합도를 측정하기 위하여 변압기를 해체하고 절연지 시편을 샘플링 함이 요구되는 반면에, 절연유 내에 존재하는 퓨란 화합물의 농도를 측정하는 방법은 그와 같은 측정/평가에 따른 제약 없이 실시간 예측 모니터링이 가능하기 때문에, 절연지열화를 평가함에 있어 DP와 절연유 내 퓨란 화합물의 농도 관계에 관한 연구가 최근 국내외 많은 연구자들의 주요 관심사가 되고 있다.

 

Fig. 2. Gas generation caused by the deterioration of power transformer.

절연유 내 퓨란 화합물의 측정을 위하여 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC, High Performance Liquid Chromatography)를 사용하는 방법이 국제적 표준(ASTM D 5837-12)으로 일반적으로 사용되고 있다. 또한 A. Abu-Siada 등은 최근의 연구[3]를 통하여, UV-Vis Spectroscopy분광분석을 사용하여 절연유 내의 퓨란화합물의 농도를 측정하는 새로운 방법을 발표한 바 있다.

본 연구에서는 이상 고온 하에서 발생하는 절연지의 열화를 모니터링 하는 방법으로서 UV-Vis Spectroscopy분광분석 방법의 유효성을 일차적으로 평가하고자 하였으며, 절연지 및 절연유가 고온 하에서 열화되어 발생하는 산화 특성을 산가(AN) 측정을 비롯한 여러 가지 종류의 센서들에 의한 측정결과들과 상호 비교함으로써절연유 및 절연지 열화측정에 관한 효과적인 대안을 찾고자 하였다.

 

2. 시험 재료 및 장치

 

2-1. 절연지 열화시험-1

Fig. 3에서와 같이, 절연지 열화시험은 600 ml의 Mictrans KS 2301, 1-2 전기절연유 (Michang oil, 동점도: 9.00 cSt @ 40°C, 초기 AN value: 0.0055 mg KOH/g, water content: <15 ppm, life criteria: AN less than 0.18~0.24)를 사용하였다. 절연지로는 76 g의 Kraft paper(0.180 mm thick, 0.90-1.10 g/cm3 apparent density, 4.09.0% moisture, 9.0 kV/mm electric strength)를 약 4~6 cm² 정도의 작은 크기로 잘게 쪼개고, 70°C의 Oven에서 24 시간동안 건조시킨 후에 시험 절연유에 삽입하였다. 절연유는 절연지의 열화를 위하여 초기 40일까지는 90 ℃온도로 가열하였으나, 열화 발생을 촉진하기 위하여 이후 65일까지는 110ºC 온도로 증가하여 가열하였고, 최종적으로 130ºC 온도로 실리콘 오일 중탕 욕조 내에서 가열하였다. 시험 플라스크 내에는 산소 가스를 주입하지 않았으며, copper wire가 없는 상태이다. 외부로부터 시험 플라스크로의 공기 유입을 최소화하기 위하여 시험 도중에 측정 및 분석을 위한 오일 샘플링도 Fig. 3에서 나타낸 바와 같이 주사기를 사용하여 행하였다. 시험 중간 과정에서 샘플 오일(50 ml)의 측정/분석 작업이 행하여진 이후에 바로 오일 시료를 플라스크로 리턴하였다.

 

Fig. 3. Insulating paper degradation test apparatus: 1- insulating paper immersed in the insulating oil; 2- sampling syringe; 3-balloon with clean air; 4-purging tube; 5- insulating oil; 6-NDIR CO2 sensor; 7-pump; 8-pressure regulator flask.

시험 장치에서 절연지가 열화됨에 따라서 발생하는 CO₂ 가스 농도를 실시간으로 측정하기 위하여 NDIR type의 가스 측정센서(KCD-DA, produced by Sensecube Co., measurement range: 0~10,000 ppm)를 사용하였다. 매 1~3일 시간 주기로서 시험 중간 과정에서 샘플링 된 오일 시료는 UV-Vis Spectrometer (Opron-3000, Hanson Technology), FTIR 분석기(Perkin Elmer Co.), Dielectric dissipation factor (Tan(delta)) 분석기(SOKEN DAC-5016A, test condition: 60 Hz, 80 C, test voltage: 250 V; test method: KS C 2101), 두 가지 종류의 상용 산가 측정기 (AN test cell(FG-K25196-KW of Kittiwake Co.) 및 Fluidscan Q1000® of Spectro Co.), 그리고 본 연구진에 의하여 개발된 바 있는 두 가지 종류의 오일 산화측정센서 (형광방출비(FER) 측정센서 및 RGB 칼라 오일센서)에 의하여 각각 측정 및 비교 분석하였다.

 

2-2. 절연지 열화시험-2

절연유 열화시험 2에서는 전술한 시험 1 시험조건과는 다르게, 지속적으로 135ºC 온도 하에서 절연유를 가열하였다. Table 1은 본 시험계획 및 측정/분석사항들을 종합적으로 나타내고 있다.

 

Table 1. Test schemes and the measurement/analysis

 

2-3. 형광방출비(FER) 측정센서

절연유 오일의 상태를 진단하기 위해, 오일의 형광특성 변화를 측정하여 절연유의 열화를 정량적으로 평가하는 실험실적 센서가 사용되었다. 일반적으로 오일은 자외선 광을 조사하면 특정한 주파수의 형광 빛을 방출하는데, 오일이 산화되면 신유의 스펙트럼(Iλ )이 산화로 인하여 파장이 상대적으로 큰 방향으로 이동하는 것으로 알려져 있다 (Fig. 4 참조). 따라서 상기와 같은 형광 스펙트럼의 이동을 절연유의 열화를 정량적으로 판정함에 활용할 수 있으며, 아래 수식(1)과 같이 형광방출비(Fluorescence Emission Ratio, FER)[4-6]을 정의하여 사용하였다. 상기 아이디어를 구현하는 측정 기술과장치는 Fig. 5에서 나타난 바와 같다.

\(F E R=\frac{l_{\lambda l o n g}}{l_{\lambda s b o r t}}\)       (1)

 

Fig. 4. Fluorescence spectra of fresh If(λ) and used Iu(λ) oil.

 

Fig. 5. A FER detector developed: 1-UV diode; 2- feedback photodiode; 3-bush; 4-cover, 5-ball lens; 6-insert; 7- O-ring; 8-nut; 9-optical window; 10-optical fibers; 11- O-ring; 12-housing; 13-fiber holder; 14-RGB sensor; 15-electric cable (referred to from Ref. 6).

 

2-4. RGB 칼라센서에 의한 산화측정

일반적으로 오일 매체에 가시광선을 투과하면, 오일이 산화될수록 파장이 적은 투과광의 광감쇠세기가 상대적으로 큰 것으로 알려져 있다[7]. 이와 같은 광감쇠 특성을 이용하여 수식 (2)와 같이 절연유의 산화를 정량적으로 판정함에 활용할 수 있으며, 본 연구에서는 파장이 큰 광을 적색광(Dr )으로, 파장이 적은 광을 녹색광 (Dg )으로 각각 선정하였다. Fig. 6은 본 연구에 사용한 RGB 칼라센서[7, 8] 프로브(probe)의 모습이다.

\(R G B\text{_}O_x=\frac{D_r}{D_g}\)       (2)

 

Fig. 6. A RGB color sensor developed: 1-light emitting source; (White LED), 2-measuring photodetector; (RGB Color Sensor); 3, 4-optical windows; 5-feedback photodetector; 6-water content sensor; 7-temperature sensor; 8-housing; 9-protective mesh; 10-wires; 11-cover; 12- electrical cable; 13-nut; 14-seal ring (referred to from Ref. 8)

 

3. 시험 결과 및 고찰

Table 1은 본 연구에서의 시험계획 1 및 2에 사용한 측정 및 분석장비를 나타내고 있다.

 

3-1. 시험계획 1 시험결과

Table 2는 상기 시험계획 1에 의한 측정결과들을 종합적으로 나타내고 있다.

 

Table 2. Measurement results of the test scheme No. 1

시험계획 1의 측정결과들 중에서 셀룰로오스 종이 재질로 제조된 절연지가 열화됨에 따라 가장 현저한 변화를 보인 것은 Fig. 7에서와 같이 CO₂ 가스 발생농도이다. 절연지 열화에 의하여 발생한 CO₂ 가스는 서서히 증가하다가 일정한 농도로 포화되는데, 특히 시험 온도를 증가한 130o C 시험조건 하에서 10,000 ppm이상으로 급격하게 증가함을 보였다. 따라서 상기 온도에서 절연지의 열화가 본격적으로 발생하는 것을 추정할 수 있었다. 참고로 IEEE C57 1047-1991 국제기준에 의한 변압기에서 발생하는 CO₂ 가스의 위험수준은 10,000 ppm초과로 권고되어 있다.

 

Fig. 7. CO2 gas produced with the insulating paper degradation in the test scheme 1.

Fig. 8은 시험계획 1시험 도중에 채취한 절연유 오일시료의 산가(AN) 및 형광방출비(FER) 측정결과로서, 상기 CO₂ 가스와 유사하게 130°C 시험조건 하에서 모두 급격하게 증가하는 모습을 나타내고 있어서, 상기절연유 시료가 이미 산화되었음을 확인하고 있다. 또한 절연유 시료의 유전율 손실을 정량적으로 평가함에 사용되는 Tan(delta) 값이 초기에는 0.001이었으나, 시험이후에는 0.076으로 증가되어 측정되었다. 또한 Fig. 9는 상기 절연유 시료들의 FT-IR 분석결과로서, 절연유신유에 비하여 시험 이후의 오일 시료의 경우에 2,700~2,900 파수(wave number, cm-1 ) 범위의 absorbance peak가 상대적으로 증가한 것으로 나타났다. 따라서 상기파수 대역의 absorbance peak 특성 변화를 감안해 볼 때, 시험 이후의 절연유 시료 내에 절연지가 열화되어방출된 퓨란 화합물의 농도가 상대적으로 증가하였음을 확인할 수 있었다.

 

Fig. 8. AN and FER with the time in the test scheme 1.

 

Fig. 9. FT-IR spectra of fresh insulating oil and after insulating paper degradation in the test scheme 1.

 

3-2. 시험계획 2 시험결과

Table 3은 상기 시험계획 2에 의한 측정결과를 종합적으로 나타내고 있다.

 

Table 3. Measurement results of the test scheme No. 2.

셀룰로오스 종이 재질로 제조된 절연지의 열화를 측정함에 사용하는 퓨란 성분의 화학분석에 고성능 액체크로마토그래피(HPLC) 분석기기를 사용함이 일반적으로 권장되고 있으나, 본 연구에서는 상기 분석방법의 대안으로서 UV-Vis Spectroscopic analysis 를 사용하였다.

Fig. 10은 상기 절연유 시료들의 UV-Vis Spectroscopicanalysis 결과이다. 절연지가 열화됨에 따른 UV-Vis Spec-trometer 분석결과에서 주파수 300~500 nm 대역에서의 흡수광 peak 및 bandwidth의 증가가 절연지 열화도에 비례하여 특징적으로 잘 나타남을 알 수 있었다.

 

Fig. 10. UV-Vis Spectroscopic analyses of test oil samples in the test scheme 2 @135o C.

반면에 Fig. 11은 시험시간 증가에 따른 상기 절연유시료들의 산가 및 형광방출비(FER) 측정결과를 상호 비교한 결과이다. 산가 측정값 이 지수적(exponential)으로 증가하는 반면에, 형광방출비는 대체적으로 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 산가는 절연유 및 절연지가 점차적으로 열화 되면서 기본적으로 절연유 내에 carboxyl acid 등과 같은 산화부산물(oxidized by-product)의 얼마나 많이 생성되었느냐에 직접적인 영향을 받는 반면에, 절연유 시료의 자외선 광 조사에 따른 형광방출 특성은 절연유 열화가 점차적으로 진행함에 따라서 산성물질이 형성되기 이전 단계부터 절연유 내에 생성되는 ester, aldehyde 및 ketone등과 같은 일종의 fluorophore 물질들이 형광 빛을 지속적으로 방출하기 때문에[4], 상기 형광방출비가 선형적으로 증가하는 것으로 사료된다. 이와 같은 측정결과의 선형적 특성은 절연지와 절연유의 열화를 모니터링 하여 변압기의 수명을 사전 예측함에 있어서 보다 유리한 장점으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 

Fig. 11. AN vs FER in the test scheme 2 @135o C.

또한 Fig. 12는 열화시간에 따른 절연유의 상대적인 열화도를 여러 가지 측정센서로 상호 비교한 결과로서, 절연유의 산가 증가와 함께 RGB 칼라센서에서의 산화도(Ox) 측정값도 아울러 비례하여 증가함을 알 수 있었다. 다만 오일 시료의 색상은 산화 이외에도 물리적 오염 등 여러 가지 요인에 의하여 복잡하게 변화할 수 있는 단점을 가지고 있다.

 

Fig. 12. Relative changes in various oxidative parameters (AN, FER and RGB_Ox).

 

4. 결 론

본 시험 결과, 변압기 내 절연지의 열화는 CO₂ 가스발생과 함께 130°C 온도 이상에서 주로 진행되며, UV-Vis Spectrometer 분석결과에서 주파수 300~500 nm 대역에서의 흡수광 peak 및 bandwidth의 증가가 절연지열화에 비례하여 특정적으로 나타났다. 따라서 절연유 내 퓨란 화합물의 농도측정에 의하여 절연지 열화를 평가하는 HPLC 측정방법의 대안으로서 UV-Vis Spec-trometer 분석방법의 효용성을 확인할 수 있었다. 또한 절연지 및 절연유가 고온 하에서 열화되어 발생하는 산화 특성을 산가 측정을 비롯한 여러 가지 종류의 센서들에 의한 측정결과들과 상호 비교한 결과에서, 형광방출비(FER) 센서가 변압기의 상태진단에 매우 효과적으로 활용될 수 있음을 확인 할 수 있었다.