1. 서 론

절연유는 우수한 절연 성능과 냉각 기능으로 변압기와 같은 고압 절연 및 열 냉각이 필요한 장비에서 사용되고 있다. 그러나 절연유는 사용 기간이 길어지면 프레스보드에서 발생하는 셀룰로오스 섬유(Cellulose fibre)나 외함에서 떨어져 나온 금속조각 등과 같은 미세입자에 의해 쉽게 오염된다^[1]. 오염된 절연유의 경우 전극 사이에 미세입자가 쌓이게 되고 이로 인해 전극이 서로 연결되는 브릿지(Bridge) 현상이 발생하여 절연파괴로 이어진다^[2]. 이러한 절연유의 오염에 의해 발생하는 절연 성능 감소와 기계적 오동작을 방지하고 절연유의 수명을 늘리기 위해 절연유 내부의 미세입자를 제거하는 기술 연구가 필요하다.

오일 내부 미세입자 제거기술에는 자연 퇴적, 정전 오일 필터 및 흡착제 사용과 같은 방법이 쓰인다^[3-5]. 이 중 정전 오일 필터를 이용한 입자 제거방식은 입자가 액체 내에서 이온의 선택 흡착과 입자 표면의 해리 현상에 의해 양 또는 음으로 하전되고, 하전된 입자가 쿨롱력에 의해 전극 방향으로 이동하는 전기영동 현상을 이용하여 제거한다^[6]. 정전 오일 필터는 다른 방법에 비해 비교적 작은 서브 마이크로 크기(1μm 이하)의 입자를 제거할 수 있고 낮은 전력 소비를 하는 장점이 있지만, 제거하는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 Yanada는 전극과 액체 내 분자 사이에서 전자가 이동하는 이온 주입(Ion injection) 현상을 이용한 정전 오일 필터를 제안하였다^[7]. 이온 주입방식의 정전 오일 필터는 곡률이 큰 전극 끝단에 전계를 집중시켜 양 또는 음이온을 절연유에 주입한다. 주입된 이온들이 미세입자 표면에 흡착되고 미세입자를 빠르게 하전시킴으로써 제거 시간을 줄일 수 있다. 이온 주입방식의 정전 오일 필터를 이용한 많은 연구가 진행되었지만 대부분 연구에서 입자의 크기는 수 μm와 수십 μm에 한정되어 있으며, 다른 입자 크기는 고려하고 있지 않다.

따라서 본 연구에서는 절연유 내부에 존재하는 다양한 크기의 미세입자를 제거하기 위해 이온 주입 현상을 극대화할 수 있는 침대 평판 전극 장치를 사용하여 입자 크기별 제거 효율을 실험적으로 연구하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1은 이온 주입 방식 정전 오일 필터의 개략도를 나타낸 것이다. 전극은 이온 주입을 현상을 이용하기 위해 큰 전계집중을 만들 수 있는 침대 평판(Needle-to-Plate) 전극 구조로 구성하였다. 챔버의 사이즈는 가로 40mm, 세로 30mm, 높이 50mm이며 침 전극과 평판 전극 간의 간격은 6mm이다. 침 전극은 곡률 반경 0.2mm 스테인리스 재질의 전극을 사용하였고, 평판 전극은 가로 40mm, 세로 50mm, 두께 0.2T의 스테인리스 재질의 전극을 사용하였다. 실험에 사용된 전압 전원은 직류 고전압 전원(SL600, Spellman)을 사용하였으며, 침 전극에 연결된 측정 저항(100kΩ)과 디지털 멀티미터(8808A, Fluke)를 이용하여 전류를 측정하였다. 모든 실험은 상온에서 챔버 내 절연유 33ml와 폴리에틸렌(PE:　Polyethylene) 입자 0.03g을 투입하여 수행하였으며 인가전압은 부극성으로 인가하였다. 전류는 전압을 0∼18kV까지 1kV씩 증가시키며 측정하였고, 제거 효율은 180초 동안 실험한 후 평판 전극에 남은 입자의 무게를 측정하여 계산하였다. 평판 전극 무게 측정 시 전극에 남아있는 절연유를 제거하기 위해 전극을 수거하여 Dry Oven(HQ-FDO84, Coretech)에서 24시간 건조하였다. 실험에 사용된 PE 입자의 sieve size, micron size 변환을 Table 1에 나타내었고, PE 입자와 절연유의 물리적, 전기적 특성을 Table 2에 나타내었다. 모든 실험은 온․습도를 제할 수 있고 입자의 유동에 영향을 미치는 외부 바람을 차단할 수 있는 실험 챔버 내의 공기(24±2℃, 30±2% RH) 중에서 실시하였다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 2는 침대 평판 전극에 0∼18kV 부극성 전압을 인가하였을 때 절연유의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 내부 그래프는 전류가 급등하는 10kV 이전 전류를 나타낸다. 이온 주입 현상은 비교적 낮은 전압인 1∼2kV에서부터 발생하는데, 이온 주입방식의 정전 오일 필터는 이 이온 주입 현상을 이용하여 입자를 하전시켜 제거한다. 전계집중에 의해 전극에서 주입되는 전하 밀도 q의 계산식은 다음 식 (1)과 같다^[8].

qe는 주입된 전하 밀도[C/㎥], k는 비례상수[C/V·㎡], Estatic는 전하가 주입되는 전극 표면의 전계 [V/m], Ethres는 전하가 주입되기 시작하는 전계 [V/m], n은 상수로 대부분 1이다.

전압이 계속해서 증가하면 식 (1)에 의해 침 전극 끝단에서 방출하는 이온의 양이 증가하고 액체 내부에서 큰 유속이 발생하는데, 이 현상을 전기유체역학(EHD : Electrohydrodynamics)이라고 한다. 외부 전계에 의해 방출된 이온의 속도가 빠르면 입자의 부착을 방해하거나 평판에 부착된 입자와 충돌하여 효율을 감소시키는 원인이 된다^[9]. 절연유 내부 입자는 다음과 같은 방법으로 부착된다. 절연유 내부에 오염으로 발생한 입자가 존재하면 주입된 이온이 입자 표면에 흡착되고, 입자가 하전되어 평판 전극에 부착된다. 입자가 하전되었지만, 평판 전극에 부착되지 못한 입자는 전극 부근에서 방전함과 동시에 내부 유속에 의해 챔버 내를 순환하다가 다시 침 전극 근처에서 하전된다. 이 과정이 빠르게 반복하면서 전류가 증가하는 현상이 발생하게 된다.

Fig. 3은 입자 크기별 효율-전압 특성 그래프이며, 효율은 식 (2)에 의해 계산된 결과이다.

η은 제거 효율[%], m은 전극에 남아있는 입자의 질량[g], mt는 투입한 입자의 총 질량[g]이다.

대체로 전압이 증가할수록 효율 또한 증가하는 모습을 보인다. 100mesh 크기의 입자가 다른 입자보다 효율이 높았고, 이후 30, 50, 70mesh 순으로 효율이 높게 나타났다. 특히, 인가전압 8∼10kV 부근에서 제거 효율이 가장 높게 나타났고, 10kV 이후 효율이 낮아지는 모습을 보였다. 이는 급격한 이온 주입으로 이온이 많이 생성되고, 많은 이온에 의해 빠르게 하전된 입자들이 높은 전계로 인한 쿨롱력으로 빠르게 가속을 받아 평판 전극과 강하게 충돌하기 때문으로 판단된다. 또한, 앞서 설명한 것과 같이 주입된 이온 또한 평판 전극에 부착된 입자와 충돌하여 입자를 전극에서 떨어트리므로 효율이 감소한다고 판단된다^[9]. 인가전압을 높이면 이온 주입량이 증가하여 입자 하전과 제거에 걸리는 시간을 줄일 수 있다. 그러나 전압을 계속해서 증가시키면 하전된 입자 또는 이온들이 가속되고 평판 전극에 충돌하여 제거 효율을 낮추는 부작용이 발생하므로 최대 효율이 발생하는 전압을 찾는 것이 중요하다.

Fig. 4는 100mesh, 70mesh 크기 입자 투입 시 전압에 따른 전류, 효율 그래프 특성이다. 입자를 투입하였을 때도 Fig. 2와 비슷하게 8kV 이후 전류가 급격히 증가하였다. 입자 투입 시에는 이온뿐만 아니라 입자의 하전, 방전 과정에 의해서도 전류가 증가하므로 예상할 수 있는 결과이다. 실험결과 전압이 증가함에 따라 전류, 효율 또한 증가하였지만 10kV 이후 효율은 낮아지는데, 이것은 앞서 설명한 원인 때문으로 판단된다. 따라서 입자의 크기에 무관하게 최대 효율이 발생하는 지점은 전류가 급격히 증가하는 시점이라는 것을 실험을 통해 확인하였다.

Fig. 5는 최대 효율을 보이는 10kV의 전압에서 크기에 따른 효율 특성이다. 실험결과 30mesh에서 70mesh로 입자 크기가 작아지는 구간에서 효율이 감소하지만, 70에서 100mesh로 입자가 더욱 작아지면 효율이 다시 증가하는 ‘V’ 형태를 나타내고 있다. 이처럼 효율 구간이 두 개로 나뉘는 이유는 하전량과 입자의 개수에 따른 영향이라고 판단된다. 비전도성 액체 내에서 입자의 하전량은 입자의 크기와 관련 있으며, 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다^[10].

Q는 입자의 하전량[C], ε은 액체의 유전율[F/m], dp는 입자의 지름[m], ζ는 제타 전위(Zeta potential) [mV]이다.

제타 전위는 입자 주위를 둘러싼 액체와 입자 사이에서 나타나는 물리적 특성인데, 일반적으로 비전도성 액체 내에서 제타 전위는 수십 mV에서 수백 mV이다^[11]. 식 (3)에 따라 입자 크기와 하전량 Q는 비례하며, 크기에 따른 하전량 차이로 인해 큰 입자는 더욱 강한 쿨롱력을 받아 전극으로 이동하게 된다. 따라서 입자의 크기가 커지는 70mesh에서 30mesh 구간의 제거 효율이 높게 나타난 것으로 판단된다.

같은 질량에서 입자의 개수 또한 입자의 크기와 관련 있는데, 입자의 개수는 아래의 식 (4)와 식 (5)를 이용하여 계산할 수 있다.

M은 총 투입한 질량[kg], n은 입자의 개수, ρ은 밀도[kg/㎥], Vp는 입자의 부피[㎥], R은 입자의 반지름[m]이다.

입자를 구형이라 가정하였을 때 입자의 개수는 반지름의 세제곱에 반비례하므로 같은 질량에서 입자의 크기가 작을수록 입자의 개수가 많다. 따라서 크기가 작은 입자는 주입된 이온과 쉽게 충돌하여 하전될 확률이 높으므로 입자의 크기가 작아지는 70mesh에서 100mesh 구간에서 효율이 다시 증가하는 것으로 판단된다.

Fig. 6은 10kV에서 180초 동안 실험한 후 24시간 건조 시킨 결과이다. Fig. 5의 결과와 같이 100mesh 입자 실험 시 평판 전극에 남아있는 PE 입자가 많고, 70mesh 입자 실험 시 평판 전극에 남아있는 PE 입자가 적은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 앞서 설명한 이유로 발생한 ‘V’ 곡선의 최고, 최저 제거 효율을 시각적으로 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구는 이온 주입 현상을 이용한 정전 오일 필터를 사용하여 입자 크기에 따른 절연유 내부 미세 유전 입자 제거를 실험적으로 수행하였으며 연구결과는 다음과 같다.

1) 절연유 내에서 침대 평판 전극 간격이 6mm일 때 불평등 전계에 의한 이온 주입 현상은 비교적 낮은 전압인 1∼2kV에서부터 발생한다.

2) 이온 주입 현상을 이용한 정전 오일 필터는 비교적 짧은 시간인 180초 동안 실험 시 100mesh의 PE 입자를 최대 72% 제거할 수 있었다.

3) 최대 효율은 전류가 급증하기 시작하는 지점 부근에서 발행하며, 전류가 급증하는 영역 이후부터는 주입되는 이온이 입자의 부착을 방해하여 효율이 감소한다.

4) 입자 크기에 따른 효율은 V 곡선을 그리는데, 이는 입자 크기에 따른 하전량과 입자 개수에 따른 이온과 충돌에 의한 영향으로 판단된다.

향후 연구에서는 다양한 조건에서 입자 크기에 따른 제거 효율을 측정하고, 입자 크기에 따라 효율 구간이 나뉘는 정확한 원인을 연구할 필요가 있다. 또한, 본 연구는 정전력을 이용한 비전도성 액체 내의 미세 유전 입자를 제거하는 연구에 기초자료로써 활용할 수 있을 것이다.