절연유의 종류

절연유의 종류

1. 광유(鑛油, Mineral oil)
광유계 절연유는 석유의 分溜(fraction)에서 沸點이 250 ～400℃ 정도의 수 많은 혼합물을 정제하여 만든 것으로, 그 성분을 대별해 보면 나프텐계 탄화수소, 파라핀계 탄화 수소 및 방향족계 탄화수소 등이 있으며 나프텐계 탄화수 소는 분자 속에 적어도 1개의 포화탄화수소 링(나프텐 링) 을 지닌 화합물이다. 또한 파라핀계는 C n H 2n+2 의 분자식을 갖춘 포화쇄상 탄화수소 화합물로 분기되어 있는 것과 분기되어 있지 않은 것 등이 있으며, 방향족계는 분자 속에 적어도 1개의 불포화 탄화수소 고리를 지닌 화합물을 말한다. 이 밖에 소량의 유황화합물, 질소화합물, 산소화합물 등이 포함되어 있다.
광유계 절연유는 그 성분 속에 나프텐계 또는 파라핀계 탄화수소가 차지하는 비율에 따라 나프텐계 절연유 또는 파라핀계 절연유라 부른다.

광유계 절연유의 조성 비교

절연유 組成	나프텐계			파라핀계
	예1	예2	예3	예1	예12	예3
C N [%]	36.3	39.0	29.7	29.7	27.5	29.7
C P [%]	45.1	49.0	50.7	60.1	59.9	61.3
C A [%]	18.6	12.0	8.5	10.2	12.6	8.3

절연유의 호칭은 분자 속의 탄화수소 총량에 대한 나프텐, 파라핀 및 방향족(Aromatics)성분의 탄소의 비율에 의해 결정된다. [표 5]에서 나프텐계 또는 파라핀계 절연유라 불리고 있는 것은 각각의 100%로 이루어지는 것이 아니라 C N , C P 가 차지하는 비율을 다른 성분과 비교해서 결정 하고 있다는 것을 알 수 있으며, 하나의 분자 속에 조합되어 있는 경우도 있다.
절연유로서 옛부터 사용되고 있는 것은 나프텐계이지만약 20여년전부터 고도의 탈납 설비가 필요하게 되었다. 절연유속에 납성분이 많아지면 유동점이 높아져 한냉지역에 서는 사용할 수 없게 되는 경우가 있다. 또한 방향족 성분이 포함되면 내산성이 떨어지는 대신, 전기적 절연성이 좋아지고 절연유의 가스화 경향이 많이 줄어든다. 광유계 절연유는 제조, 정제과정에서 유황, 질소 및 산소화합물, 불포화 성분, 수지 성분, 아스팔트 성분 등의 제거를 처리하고 있는데 이 제거를 고도로 처리하면 전기적 성질은 좋아지지만 열 및 산화 안정성이 나빠지게 된다. 이것은 유황, 질소 및 산소화합물 속에 안정성을 기여 하는 성분이 포함돼 있는데 그것들도 함께 제거되기 때문 이다. 따라서 적절한 한도로 정제해야 한다. 정제 방법은 Hydrotreating 방법이 많이 사용된다. 그 방법은 수소 촉매제를 사용하여 H 2 S, 질소, 암모니아, 수분 등이 제거된 다.

광유의 특성

특 성	수 치
점도(㎟/s)	13(at 40℃)
절연파괴전압(kV)	60
역 률(%)	0.01
인화점(℃)	144
발화점(℃)	-
유동점(℃)	-45

2. 합성유(Synthetic oil)
합성유계 절연유는 화학적인 합성반응에 의하여 공업적 으로 특성을 조절한 것으로, 절연유 분류상 2종부터 6종까지 속하고, 염소화폐닐계(PCB), 실리콘계, 에스테르계, 알킬계 등이 있으며, 요구되는 특수한 조건에 맞추어 널리 사용된다. 합성유의 총칭을 아스카렐(Askarel)이라고도 한다.

3. 알킬 벤젠
알킬 벤젠에는 직쇄형(소프트형)과 분기형(하드형)이 있다.
직쇄형의 알킬 벤젠은 n-파라핀을 백금촉매로 탈수한 후, HF 등의 촉매로 벤젠과 결합시켜 만들고, 분기형의 알킬 벤젠은 프로필렌을 인산촉매를 바탕으로 중합시켜 얻은 프로필렌 테트라머에 HF 등을 촉매로 하여 벤젠과 결합시켜 만든다. 알킬 벤젠은 전기적 성질, 산화 안정성 등이 우수하여 전력용 변압기용으로서는 광유계 절연유와 혼합하여 사용되고 있다.

4. PCB(Poly cholrinated biphenyl)

방향족 화합물인 Biphenyl, Biphenyl Ether, Bip- henyl Ketone, Biphenyl Methane 등의 수소를 염소로 치환하여 만든 합성 절연유의 일종이다.
일반 광유보다 전기적, 화학적으로 우수한 특성을 갖고 있으며, 절연유, 열매체유, 도료, 잉크, 접착제 등에 사용되고 있다.
PCB는 미생물에 의한 분해속도가 느려 장시간 환경오 염물질로서 남게 되며, 사람이나 동물이 먹을 경우 간과 췌장, 위장, 생식기 등에 장애를 일으키게 된다. PCB의 구조는 DDT나 BHC와 같은 유기염소제 또는 살균제와 비슷 하며, PCB의 성질은 不燃性 또는 난연성이며, 열용량이 크고, 전기절연성이 뛰어나며, 광유보다 비중이 크다.(1.2∼1.6)

변압기 내의 절연유는 절연 이외에 냉각을 목적으로 순환되고 있는데, 순환시 절연물에 (-)정전기가, 절연유에는 (+)정전기가 대전된다. 이 현상을 유동대전이라고 하며, 절연유의 순환 속도가 큰 경우, 또는 절연유의 종류에 따라서 유동대전이 발생하여 방전에 이르러 변압기에 고장을 일으키는 경우가 있다. 이러한 유동대전을 억제하기 위하여 절연유에 첨가하는 물질이 벤조트리아졸이다.
PCB는 인체에 위험한 물질로 알려지면서, 1972년경 국제적으로 제조가 금지되었으나, 선진공업국에서 여러 상품명으로 제조된 것들이 전기절연유로 사용되었거나 사용 하고 있는 경우가 있으므로, PCB가 사용된 전기기기를 취급할 때에는 폐기물관리에 의거하여 처리하여야 한다.

5. 혼합유
광유계 절연유를 그 성능을 더욱 높이기 위해 또는 제조상의 이유로써 다른 물질을 혼합 또는 첨가하여 사용하고 있다.
일반적으로 광유계 절연유에 알킬 벤젠을 혼합한 것으로 절연유 분류상 7종에 속하며 전기적 특성이나 산화 안정성이 우수하다. 또 근년에는 나프텐계 원유의 공급 감소로 파라핀계 원유로도 제조하고 있다. 그러나 제조방법을 나프텐계 원유와 같이 하면 납성분이 많아져 유동점이 높아지기 때문에 실용성이 없게 된다. 납성분을 적게 하려면 고도의 탈납설비가 필요하다. 파라핀계 절연유에 알킬벤 젠을 혼합한 것은 상기의 결점을 보완하는 동시에 전기특성, 산화 안정성도 향상된다.

6. 첨가제 첨가절연유
변압기 내의 절연유는 절연 이외에 냉각을 목적으로 순환되고 있는데, 순환시 절연물에 (-)정전기가, 절연유에는 (+)정전기가 대전된다. 이 현상을 유동대전이라고 하며, 절연유의 순환 속도가 큰 경우, 또는 절연유의 종류에 따라서 유동대전이 발생하여 방전에 이르러 변압기에 고장을 일으키는 경우가 있다. 이러한 유동대전을 억제하기 위하여 절연유에 첨가하는 물질이 벤조트리아졸이다.

일반적으로는 대형 초고압 이상의 변압기용 절연유에 사용된다. 첨가량은 통상 20ppm 이하이다.
벤조트리아졸은 구리 및 구리합금에 대하여 부식 억제 효과가 있다는 것이 예부터 알려져 있다. 변압기 내의 동 (銅)재료는 광유계 절연유 속의 특정한 유황화합물에 의해 부식되는 경우가 있다. 벤조트리아졸은 이러한 동(銅)재료를 보호하는 동시에 구리표면에서 구리의 용해를 억제하므로 절연유의 산화방지에도 도움을 준다.
나프탈렌계 원유의 공급 감소에 따라 파라핀계 원유에 서의 절연유 제조를 하게 되었는데, 고도의 탈납처리 시설을 하지 않더라도 유동점강하제를 첨가시킴으로써 실용적인 유동점을 지닌 절연유를 만들 수 있다. 유동점강하제 첨가 절연유의 검토는 여러 곳에서 이루어지고 있으며 IEC(International Electotechnical Commission), EPRI (Electric Power Research Instituete) 등에서도 규격화 되어가고 있다.
유동점강하제를 사용할 경우, 주요한 문제점은 장기 안정성, 전기적 특성이나 산화 안정성에 주는 영향과 다른 종류의 광유계 절연유와의 혼합 안정성, 변압기 사용재료 와의 적합성 등이 있다.
보통의 절연유는 산화방지제를 첨가하지 않더라도 장기 간의 사용에 견디어 낸다. 그러나 특별히 높은 산화 안정 성이 요구될 경우에는 산화방지제 첨가 절연유가 사용된 다. IEC에서는 산화방지제로서 디브틸파라크레졸(DBPC : Di-Tertiary Butyl Para-Cresol)을 첨가한 광유계 절연유가 규격화되고 있다. 미국에서는 배전용 변압기에 DBPC를 0.3～0.5% 첨가한 절연유가 널리 사용되고 있다.

7. R-TEMP (High molecular weight hydrocarbon)
난연성 절연유의 일종으로 미국 COOPER POWER SYSTEMS社의 제품으로서 1975년 개발이래 약 40,000여 대의 변압기에 사용되었다. 내화 안전성 측면에서 미국의 UL에서 4-5 등급을 획득하였다. 옥내용 변압기에 많이 이용되며, 옥외용 변압기와 개폐기류에도 적용되고, 무독성으로 PCB를 대체하는 절연유로 인식되어 있다. 생화학적인 안정성과 환경적인 안정성을 갖고 있으며, 일반 광유와도 잘 혼합이 되고 취급방법도 같다.
가스절연변압기, 실리콘유변압기, 밀봉형 건식변압기 보다 용량당 적용 단가가 싸고, 인화점이 광유(144℃)보다 높아 내화특성이 좋고, 연소점 또한 일반 광유에 비하여 높은 편이다.
전기적인 특성 중 절연파괴전압도 양호한 편이고, 폐기처리에 대한 비용도 광유보다 적게 든다.
동점도가 좋지 않아 일반적인 변압기에 적용할 때 냉각에 있어 문제를 일으킬 소지가 있으며, 현재 사용 중인 기존 변압기에 적용하기 위해서는 변압기 권선의 냉각구조를 다시 설계 할 필요가 있다. 가격이 다른 난연성 절연유 보다 저렴하다.

R-Temp의 특성

특 성		수 치	시험방법
전기적 특성	절연파괴 전압	56kV(25℃, 2.5mm 갭구상전극) 43kV(25℃, 침-평판전극)	ASTM D1816 ASTM D877
	비유전율	2.2(25℃)	ASTM D924
	유전정접	0.1%(100℃)	ASTM D924
	체적저항률	1×10 14 Ω-㎝(25℃)	ASTM D1169
물리 화학적 특성	비중	0.87(25℃)	ASTM D1298
	계면장력	40mN/m(25℃)	ASTM D971
	전산가	5×10 -3 mg KOH/g	ASTM D664
	동점도	120cst(40℃) 12cst(100℃)	ASTM D445
	색	L 1.5	ASTM D1500
열적 특성	인화점	284℃	ASTM D92
	연소점	312℃	ASTM D92
	유동점	-24℃	ASTM D97
	열전도율	3.1×10 -4 cal/(cm․sec․℃) (25℃)	RTE 방법
	비열	0.46(cal/gm/℃) (25℃)	ASTM D2766
	팽창계수	7.3×10 -4 (cc/℃) (25℃)	RTE 방법

8. 실리콘유(Silicon oil)
난연성절연유의 일종으로 광유와 같은 정도의 전기적 특성과 열전도성을 갖고 있으며, 인화점이 약 300℃ 정도 로서 난연성 및 내열성이 우수하고, 무독성으로 취급이 용이하다. 반면에 가격이 매우 고가이며 아크 발생시 SiO2 를 주체로 백색 고형물질이 발생하여 내전압이 저하하므로 110kV 이상 고전압기기에는 사용의 어려움이 있다. 외국에서는 주로 배전용 또는 주상변압기와 철도용 변압기에 많이 사용된다. 국내에서는 복합절연방식 주상변압기에 적용하여 H종 절연물과 같이 이용된다.

실리콘유 D.C 561(다우코닝社)의 특성

특 성		수 치	시 험 방 법
전 기 적 특 성	절연파괴 전압	>35kV (25℃, 2.5mm 갭, 구상전극)	ASTM D1816
	유전정접	0.01 (25℃)	ASTM D924
	체적저항률	-	-
물 리 화 학 적 특 성	비중	0.96(25℃)	ASTM D1298
	전산가	-	-
	동점도	50cst(20℃)	ASTM D445
	색	투명	ASTM D1500
열 적 특 성	인화점	300℃	ASTM D92
	연소점	340℃	ASTM D92
	유동점	-55℃	ASTM D97

9. 파플푸오르카본(Perfluorocarbon, PFC)
불연절연유의 일종으로 가스절연변압기(Gas Insulation Transformer)에 이용되는 절연․냉각재로서 매우 고가인 절연유이다. C 8 을 주성분으로 한 C 8 F 16O 로 표현되는 불소 화합물이나 상온에서 휘발하지 않으며, 매우 안정적인 물질로서 대기중의 오존층을 파괴하지도 않는다.
비유전율이 절연지와 비슷하여 변압기 내부의 전계분포를 개선하는 매우 이상적인 절연유이며, 초고압변압기의 유동대전현상을 해소하는데도 적합할 뿐만 아니라, 냉각 성능이 매우 뛰어나 슈퍼컴퓨터의 냉각에도 이용된다

PFC의 특성

특 성		수 치
전기적 특성	절연파괴 전압	>60kV (25℃, 2.5mm 갭, 구상전극)
	유전율	1.86(25℃)
물리 화학적 특성	비중	1.76(25℃)
	동점도	0.8cst(25℃)
	색	-
열적특성	인화점	불연성
	연소점	〃
	유동점	-88℃

10. 식물성 절연유
식물성 절연유는 콩, 옥수수 등 식물씨앗에서 추출한 천연 에스터로 90년대 중반부터 개발돼 주로 북미 지역 전력회사에서 사용 중에 있으며, 기존 광유(Mineral Oil)에 비해 생분해도가 높아 환경 친화적이며 발화정인화점이 높아 난연성능이 우수하다. 미국에서는 COOPER, ABB, CARGIL 등에서 개발돼 미국 배전용 변압기 3만 5000여대에 적용 중에 있고, 우리 나라에서는 동남석유가 개발 및 시험을 완료했고, 신호유 화에서도 개발 중이다. 광유와 식물유 열화특성을 평가한 결과 광유에 비해 식물 유의 점도가 3배 정도 높게 나타났으며, 열화후 광유에 비해 식물유의 점도가 큰 폭으로 증가한 것으로 나타났다.
따라서 식물유는 열화에 따라 점도가 증가하므로 권선설 계시 과열이 되지 않도록 해야 한다. 또한 광유는 식물유에 비해 에너멜 동선 및 절연지의 열화를 촉진하며, 식물 유가 동선·절연지 열화측면에서 광유에 비해 유리한 것으로 보인다.
식물유 변압기는 고객구내, 인구밀집지역 등에 적용해 변압기 화재사고 위험을 감소할 수 있으며 상수도 보호지역, 국립공원 등 친환경 보존 필요지역에 활용이 가능하다.