우리나라의 경우 1960년대 후반부터 경제개발 계획 추진에 따라 각종 산업 발달로 전력 수요가 급격히 증가되어 많은 전력 설비가 설치됐다. 현재 이들 설비 중 일부가 노후화되어 예상하지 못한 설비 사고 발생 가능성이 점증하고 있는 실정이다. 이들 설비 중 발전기는 전력을 생산하는 기기로서 그 중요도를 모두 인식하고 있지만, 일반 산업체 및 건물에 이용되는 수많은 전동기는 안전 사용에 대한 인식이 최근까지도 낮은 수준이었다. 현재 유지 · 보수 및 예방 · 정비 기술 분야의 세계적 추이는 일본, 미국 및 캐나다를 비롯한 선진국을 중심으로 상태기준 보수 개념이 도입되어 활성화 단계에 있다. 이 방법은 기기를 정밀 진단 분석해 잔여 수명을 평가하고 적절한 대체 계획을 수립하여 설비 유지 · 보수의 신뢰도 향상 및 설비 품질의 고도화를 달성하기 위해 실시하는 것이다. 이러한 진단 기술은 기기의 열화현상 및 이상현상으로 진전되는 특성을 측정해, 향후 발생이 예상되는 이상을 조기에 발견하는 것을 목적으로 한다. 일반적으로 이들 전기기기는 장기 사용할 경우, 기기의 구성품 수명을 유지하는 주요부분인 전기절연물/구동부/이음부/지지부 등에서 열적/전기적/기계적/환경적 열화 요인에 의해 제작 시 발생된 미세한 결함부에서 균열/박리/파편/마모/변형 등의 다양한 손상이 발생되고 진전되어 파괴에 도달하는 것으로 보고되고 있다. 특히 회전기기인 전동기는 산업현장, 일반 건물 및 아파트, 가정 등에서 가장 많이 이용되는 설비로서 타 전기기기에 비해 고장 빈도가 가장 높다. 이러한 고장 문제를 신속히 해결하기 위해서는 고장 원인과 결과 분석을 정확히 이해해야 한다. 회전기기의 예방진단은 기계적 진단과 전기적 진단으로 구분되고, 기계적 진단은 주로 소음 및 진동을 측정해 이상상태를 진단하는 기법으로, 이에 대한 연구개발이 예전부터 폭넓게 진행되어 왔다. 회전기의 부품의 결함 또는 열화 등으로 이상상태가 발생할 경우 대부분 진동 및 열로 나타난다. 그러므로 회전기에서 발생하는 진동 측정 결과를 분석함으로써 회전기 상태의 이상 유무를 감시 및 진단할 수 있다. 이에 반해 전기적 특성에 해당되는 고정자 권선의 절연상태에 대한 진단 기술은 매우 중요함에도 타 기술보다 늦게 개발된 기술에 해당되며, 특히 이를 상시 감시할 수 있는 운전 중 절연 진단 기술에 대한 연구개발은 최근 활발히 진행되고 있다. 회전기의 수명과 직결되면서 전기적 특성 관점에서 가장 중요한 고정자 권선의 절연상태를 진단하는 방법은 정지 중에 실시하는 방법(Off-Line법)과 운전 중에 실시하는 방법(On-Line법)으로 구분된다. Off-Line 진단법은 절연물에 대한 저항, 누설전류, 유전정접 및 부분방전 시험 등이 있다. 이와 같은 시험을 실시하기 위해서는 회전기기를 정지시켜야 하므로 운전정지에 따른 경제적인 손실과 아울러 실제 운전상태에서 발생하는 이상상태를 감지할 수 없는 단점을 지니고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 실제 운전 중에 발생하는 부분방전 현상을 측정하여 고정자 권선의 절연상태를 신뢰성 있게 진단하는 On-Line 진단 시스템의 적용이 필수적이다. On-Line 진단기법은 일부 선진 외국에서는 실용화 돼 사용 중이다. 최근 국내의 경우도 전동기 및 수력발전기용 고정자 권선의 절연상태를 진단하는 센서 및 기기를 국산화해 보급화를 시작하고 있다. 또한 고온영역에서 운전되는 화력발전기용 부분방전 현상을 측정해 고정자 권선의 절연상태를 진단하는 기법 및 턴단락과 진동을 측정하여 절연의 이상상태를 진단하는 기법에 대한 막바지 연구가 국내에서 진행 중에 있으므로, 2~3년 이내에 선진 외국에 대한 기술 종속을 탈피하고 독자적 기술에 의한 제품으로 국내 보급화가 가능할 것으로 기대된다.
유지 · 보수 기술
일반적으로 절연 진단을 포함한 진단 기술은 대상기기를 안전하게 장시간 사용하기 위한 평가 기술의 하나이다. 이 기술을 활용하여 기기의 상태가 정확하게 진단되면 기기의 수명 평가가 가능하다. 따라서 기기의 고장 발생 예상부를 수리할 수 있어 사용기간을 늘려주는 유지 · 보수 기술에 필수적 기술의 하나이다. 고압 전기기기에서는 수명(Life Cycle)과 관련된 것들 중, 특히 절연물의 수명점을 설비의 수명점으로 고려하고 있다. 기기에서 구동부의 마모나 파괴시 그 부분만을 보수하여 사용하는 것이 가능하나, 절연물은 전반적으로 충만되어 있어 절연재료가 열화되면 절연물을 전부 교체하든지 새로운 기기로 대체해야 하므로 일반적으로 절연물의 수명점을 전기기기의 수명점으로 보고 있다. 그 한 예로서 IEC 60216에서는 절연물의 일반적인 수명점을 ‘절연파괴 전압 초기치의 50%인 점’으로 정의하고 있다. 그리고 고압 회전기기의 경우 일반적으로 절연설계는 정격전압의 4~5배 조건으로 설계되며, 기기들의 절연파괴 전압 특성이 정규 분포를 지닌다는 추론 하에 ‘X - 3σ값(X : 평균 절연파괴 전압, σ: 표준편차)인 점의 값이 초기치(절연파괴 전압 특성)의 40%에 해당되는 시점’을 수명점으로 보고 이 시점에서 교체하는 것이 타당하다고 보고되고 있다.
전기기기의 가동시간이 증가함에 따라 나타나는 고장률
의 특성에 따른 수명 분포는 일반적으로 <그림 1>에 나타낸 BTR(Bath-tub Failure Rate)을 따른다. 초기 고장기는 고장 감소형(DFR : Decreasing Failure Rate) 특성으로 양 · 불량제품이 같이 이용되는 초기 사용기로 제조공정에서 불량 요인을 줄이는 방법이 유효하다. 우발적 고장기는 고장 일정형(CFR : Constant Failure Rate)특성으로 열화 특성이 아닌 우발적 사고에 의해 나타나는 것이다. 마모 고장기는 고장 증가형(IFR : Increase Failure Rate) 특성으로 절연재료가 마모 · 열화 등에 의해 본질적으로 수명 종료점에 근접돼 고장 발생 확률이 급속히 증가한다. 이 시점 근방에서 유지 · 보수 기술을 활용하면 낮은 고장률로 장시간 사용이 가능하므로 경제적인 전기기기를 관리하는 것이 가능하게 된다. 유지 · 보수 기술의 정의는 ‘기기의 기능을 설정기준으로 유지하거나 향상시키는 것’으로 되어 있다. 이를 위한 기본 요소로는 ① 기기의 기능, 성능의 기준을 알고 ② 현재 수준이 저하하는 요인을 파악해 ③ 이후 진행돼 발생될 수준을 예측하고 ④ 수준 향상의 시기, 목표 및 방법을 결정해 ⑤ 그 결과를 실행 · 평가 · 관리하는 것이다. 기기의 유지 · 보수를 위한 기초기술로는 전기공학, 기계공학, 계측공학, 화학공학, 신뢰성공학, 경제성공학, 경영공학 및 기기 진단 기술 등이 있다.
회전기의 기계적 열화기구
일반적으로 기기의 구성품에는 하중, 온도, 압력, 열 등의 각종 응력(Stress)이 작용하고, 이들이 허용범위를 초과하면 균열, 박리, 파편, 변색, 변형 등의 다양한 손상 및 이상이 발생하고 성장한다. 또한 이들 손상 및 이상에 의해 진동, 발열, 이상음, 음향 방출 등의 2차적 증상이 발생한다. 이러한 성능 저하는 기능 상실을 통해 고장에 이른다. 일반적으로 ‘기기를 구성하는 구성품이 설계에서 의도한 기능의 일부 또는 전부를 잃어버릴 때’를 고장이라고 정의한다. 진단의 핵심은 고장 모드(Failure Mode)와 그 발생 원인 규명을 통해 기기의 기능을 설정기준으로 유지하거나 향상시키고자 하는 것이다. 일반적으로 기기의 구성품에서 고장이 발생하면 그 구성품을 포함하는 시스템에 이르기까지 영향을 준다. 특히 회전기 구성품은 기계계/전기계/전자계를 모두 포함하고 있으므로, 고장 모드를 고려하는 경우는 구성품 자체의 고장만이 아니고 구성품 간의 접속부 및 전체 시스템에 대해서도 상관성을 파악해야 한다.
회전기의 수명 동안 고장 발생 원인은 다음과 같다. ● 설계 결함 : 설계 실수 ● 재료 결함 : 부적절한 재료 선정 ● 제조 결함 : 제작 및 조립 상의 결함 또는 실수 ● 품질 결함 : 검사 불충분 또는 실수, 공정 관리의 부적합 ● 설치 결함 : 부적절한 설치 ● 사용 결함 : 부적절한 운전 ● 정비 결함 : 정비 작업 실수
회전기 결함은 크게 전기적 결함과 기계적 결함으로 나눌 수 있다. 회전자에서의 기계적 결함은 편심(정적 또는 동적)/정렬 불량으로 구분할 수 있고, 정적 편심과 Core Slacking은 고정자에서 발생하는 기계적 결함의 주요 유형이다. 또한 회전자 편심의 원인이 되는 베어링 결함은 회전기의 일반적인 기계적 결함의 하나이다. 회전자 마찰(Rubbing), 고정자와 회전자의 피로(Fatigue) 등의 결함도 발생된다. 이러한 결함들은 진동 및 전류 신호의 스펙트럼을 통한 비교 · 분석 결과에 의하면 고유 특징을 지니고 있다고 보고되어 있다. 대부분의 전기적인 문제는 진동 또는 전류 신호 스펙트럼 분석에서 전원 주파수의 2배 성분에서 정상 상태보다 높은 진동진폭이 발생하며, 기계적인 문제는 운전 주파수 성분이 탁월한 것으로 보고되어 있다. 불평형과 정렬불량 등의 기계적인 문제가 회전자와 고정자 사이의 공극 변화와 같은 전기적인 문제를 발생시킨다. 그러므로 기계적인 문제를 먼저 검토하고, 그 원인을 제거한 후 전기적인 문제를 검토하는 것이 바람직하다. 미국전력연구소(EPRI) 및 IEEE에서 미국 내 200HP 이상의 발전소용 AC 및 DC 전동기에 대해 조사한 주요 고장에 대한 조사 결과에 의하면, 대부분의 고장부분은 베어링 결함 및 고정자 권선 결함으로 나타났다. 이 중 베어링 결함은 대표적 기계적 결함에 해당되고, 고정자 결함은 고정자 권선의 절연 이상으로 발생되는 대표적 전기적 결함이다. 베어링의 고장 원인이 불명확한 사례를 제외한 고장에 대해 분석된 자료에 의하면, 기계적인 파손과 과열이 가장 빈번하게 발생하는 것으로 보고되어 있다. 고장을 촉진시키는 인자로는 높은 진동과 지속적인 과부하로 나타났다. 또한 부적절한 운전과 불완전한 부품이 주요 고장 원인으로 분석된다. 산업 현장에서 사용되는 각종 회전기는 비교적 간단한 구조를 가지고, 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 과정에서 각종 응력에 기인하는 초기결함의 발생 가능성이 다른 기기보다 높다. 이러한 회전기의 결함을 구분하기 위해 여러 가지 기술들이 연구 · 발전해 왔으며, 효과적인 결함 검출을 위해 진동, 전류, 전압, 회전속도, 효율 및 온도와 같은 회전기와 관련된 각종 상태량을 이용하는 방법들이 적용되고 있다. 특히 진동 분석을 통한 고장 발생 원인 분석 및 진단 기술이 최근 많은 연구를 통해 일부 개발됐으며, 현재에도 많은 연구가 진행 중이다. 이러한 기술과 신호처리 기술의 융합을 통해 회전기의 고정자 전류 신호를 이용한 전류 신호 분석(MCSA: Motor Current Signature Analysis) 기술이 개발돼 회전자 봉 파손 및 공극 편심 등의 결함 진단 방법으로 최근 이용되기 시작했다.
회전기의 전기적 열화기구
유지 · 보수 기술에서 언급된 것과 같이 고압 전기기기에서는 특히 절연물의 수명점을 설비의 수명점으로 고려하므로, 회전기기의 절연재료의 열화기구를 고찰해 유지 · 보수를 위한 진단기법 선정에 활용하고자 연구가 진행됐다. 일반적으로 회전기기는 운전 중 여러 가지 열화 요인에 노출된다. 이들 열화요인인 고온, 주위 환경, 기계적인 영향(열 팽창 및 수축), 진동, 전자계력, 과도 현상으로 인한 전계 등에 의해 권선 절연물의 영구 변형 또는 절연 강도의 감소를 가져와 기기의 신뢰성에 나쁜 영향을 미친다.
1. 고정자 권선의 열화기구 고압 대용량 회전기의 고정자 권선 절연은 소선 절연, Turn 절연, 주 절연으로 구성된다. 주절연 재료는 마이카 · 결합재 · 보강재로 구성된다. 마이카는 절연 특성이 방향성 및 박리 현상 등의 단점에도 불구하고 전기적 · 기계적 · 열적 특성이 우수해 초창기부터 사용돼 왔다. 1970년대에 이 단점을 보완한 Mica Paper가 개발돼 품질이 균일한 제품 생산이 가능하게 되어 현재까지 대형 발전기의 주절연 재료로 사용되고 있다. 결합재로는 아스팔트(Asphalt) 제품이 1960년대까지 이용됐으나 아스팔트는 열가소성 재료로 고온에서 녹아내리는 단점이 나타나, 이를 개선한 열경화성 Polyester Resin 제품 및 Epoxy Resin 제품이 개발되어 진공함침 공정을 거치는 공정으로 개선됐다. 현재에는 내열온도가 높고, 기계적 특성이 우수하며, 습기 및 화학성분에 강점을 지닌 Epoxy Resin 제품을 결합재로 많이 사용하고 있다. 반면 저압용에서는 에나멜 권선을 전동기 고정자 권선으로 이용하고 있다. 고정자 권선 절연파괴는 절연이 약화되어 운전중인 상태에서 정격전압 및 과도전압을 견디지 못해 나타나는 현상이다. 회전기기를 장시간 사용함에 따라 발생되는 절연 성능의 감소 현상에 관한 열화기구는 열적 열화 · 기계적 열화 · 전기적 열화 · 환경적 열화에 의한 요인이 복합적으로 작용해 발생한다.
⑴ 열적 열화(Thermal Aging) 고정자 권선을 형성하는 모든 절연물은 권선에서 발생하는 열로 인해 시간에 따라 열화되며, 이때 각 물질의 열화 속도는 열 특성과 가해지는 온도에 의해 결정된다. 절연물의 열 등급이 적절히 선정되면 열화는 보장된 수명기간 동안 서서히 이루어지나, 과부하 또는 설계 범위 이상으로 운전되어 권선 온도 상승 발생 및 불량한 설계/제조/유지 · 보수로 냉각 기능이 저하되어 권선 온도 상승 발생은 심각한 열적 열화 요인이다. 일반적으로 화학 반응에 의한 열적 열화가 발생되는 경우 Arrhenius의 식인 화학 반응 속도론을 이용하여 열 열화 정도를 산출한다.
<식 ⑴>을 이용해 수명(L)과의 관계식을 나타내면 <식 ⑵>와 같은 직선 형태로 나타나므로, 수명과 온도는 역비례함을 알 수 있다. <식 ⑵>를 이용하면 고온에서 가속 열 열화 실험 결과로 실사용 조건에 해당되는 저온 영역에서의 수명 추정이 가능해진다. 이는 Dakin에 의해 제안된 이래 많은 열 열화 시험결과에서 입증됐으며, 현재에도 열적 열화 시험 및 내열성 판정의 기초이론으로 이용된다.
일반적으로 이러한 열화에 의한 고분자 재료의 수명 감소 특성은 온도가 8~10℃ 상승하면 수명이 1/2 정도로 감소한다고 보고되고 있으므로, 고온에서 사용하면 열화는 상당히 가속된다고 할 수 있다.
⑵ 기계적 열화(Mechanical Aging) 고정자 권선 절연(특히 대형 터빈 발전기)은 과도한 진동 및 기계적 응력에 의해 손상을 받는다. 이것은 정상적 운전상태나 기동 및 단락 등의 과도 상태에서 고정자 권선에 나타나는 전자력에 기인한다. 이들 중 120㎐ 권선 진동력(Bar Vibration Force)의 영향이 크므로, 이를 살펴보면 다음과 같다. 각 고정자 권선에 흐르는 전류는 일반적으로 슬롯(Slot)의 하부 방향으로 권선을 움직이게 하는 쇄교자속을 슬롯 내에 발생시킨다. 권선에 작용하는 힘은 권선을 교차하는 평균 자속밀도와 전류의 곱에 비례한다. 이 전자계 현상에 의해 발생하는 힘은 권선에 흐르는 전류의 제곱에 비례하고 60㎐ 기기에서는 120㎐로 나타난다. 또한 슬롯 내의 각 권선에 흐르는 전류는 두 권선 사이에서 작용하는 부가적인 힘을 발생시킨다. 이러한 주기적 전자력에 의해 슬롯 내에서 권선이 움직이면 굽힘과 압축에 의해 도체와 주 절연물에 응력이 가해지며, 이들 절연물은 소선 사이 또는 주절연과 슬롯 사이의 상대운동에 의해 마모되고, 주절연에 균열이 생기고 지락사고로 진전하거나 주절연이 마모되고 반도전층이 벗겨져 슬롯 방전이 발생하고 주 절연파괴 과정으로 진전된다.
⑶ 전기적 열화(Electrical Aging) 주전원(60㎐) 교류전압과 전원계통의 과도전압에 의한 전기적 열화 진전이 발생한다. 일반적으로 권선 내의 전기적 방전은 정격전압이 5㎸ 이상일 때 발생되는 것으로 보고되어 있다. 부분방전은 전극과 전극 사이를 교락하지 않는 부분적인 방전으로, 주로 고체 절연체 내부 결함인 공극(Void)에서의 내부 방전, 절연체 표면에서의 방전인 연면 방전, 고압측의 날카로운 부분에서 발생되는 코로나 방전으로 나눌 수 있으나, 회전기기에서는 이들 부분방전이 복합적으로 나타난다. 가장 많이 발생되는 내부 방전은 고체 절연체 내부에 존재하는 기체가 충전된 미소 공극의 절연이 파괴되는 현상으로, 부분방전은 주로 전계 집중과 관련된 임계전압에 의해 개시되며, 방전이 일어나기 위한 최소 전압이 존재한다. 절연체는 부분방전의 발생에 의해 절연물이 분해되며, 절연체의 열화 속도는 방전 내력과 관련이 있다. 유기물질, 결합물질(폴리에스터, 에폭시, 아스팔트), 합성 에나멜은 석면과 마이카와 같은 무기물질보다 부분방전으로 인한 열화의 진전이 빠르다. 발전기 운전기간 동안에 진전된 기계적 및 열적 열화와 제작 시 만들어진 절연체 내 미소 공극에서 부분 방전의 발생에 의한 열화가 진행된다. 또한 전력계통의 Surge로 인해 때때로 Turn-to-Turn 파괴로 진전된다. 정상 운전상태 시 Turn 사이의 전압은 100Vrms 이하이다. 만약 첨두치까지의 상승시간이 빠른 Surge 전압이 고정자 권선에 침입되면(예를 들어 Motor 기동 시), 짧은 시간 동안 수 ㎸의 전압이 입력측 권선의 Turn 절연 사이에 인가되어 Turn 절연을 파괴시킨다. 그 결과 Turn 간의 단락 및 많은 순환전류 발생을 일으켜 주 절연에 손상을 입히게 된다.
⑷ 환경적 열화(Environmental Aging) 환경적 열화에 의한 대표적 현상이 권선 표면의 Tracking 현상과 흡습으로 볼 수 있다. 권선 단말부분의 표면에 복구될 수 없는 도전성 경로(탄화)를 형성하는 전기적 트랙킹은 교류전계하에서 발생된다. 권선 단말부위의 고정자 권선 표면은 정상상태에서는 높은 전기저항을 지닌다. 정상 운전상태에서 장시간 운전함에 따라 석탄가루, 습기, 기름 등으로 혼합된 오염에 의해 점진적으로 도전성 부분이 형성된다. 이러한 도전성 부분은 고전압의 영향으로 용량성 전하가 모이게 되고, 인접한 권선과의 전압 차에 의해 도전부분 사이나, 도전부분과 고정자 철심 사이에 누설전류가 흐르게 되며, 표면이 불연속적인 곳에서는 섬광이 일어난다. 이들 전류와 섬광은 앞에서 언급한 방전에 의한 것보다는 다소 느리게 절연체 표면을 열화시킨다. 특히 이 현상은 상간을 지지하는 Packing이 있는 출력측 권선의 단말부분에서 발생하기 쉽다. 회전기 절연은 냉각수의 누수와 발전기의 운전 정지 시에 응축된 수분을 함유한 오염된 Seal Oil 등으로부터 습기를 흡수한다. 이 현상이 일어나면 주 절연의 저항은 떨어지고, 특히 약화된 부분과 갈라진 부분에서는 도전성을 띠게 된다. 이러한 도전 경로는 상간이나 접지 간 파괴를 일으키는 권선 파괴의 원인이 된다.
2. 회전자 권선의 열화기구 회전기를 장시간 사용함에 따라 발생되는 회전자 권선의 열화는 과도전압 등에 의한 전기적 열화와 회전 시 발생하는 연속적인 원심력과 기동, 정지, 부하의 반복에 따른 주기적인 힘 및 마모성 분진에 의한 기계적 열화로 대별되며, 다음과 같이 나타나고 있다. 고정자 권선에서 교류전압에 의해 발생하는 대부분의 열화 과정은 직류전압이 가해지는 회전자 권선에서는 발생하지 않는다. 정상적인 회전자 권선의 전압은 일반적으로 매우 낮아서 기능이 저하된 절연체라도 열화시키지 않는다. 그러므로 직류전압에 의한 Stress는 중요한 열화 요인이 아니지만, 다음과 같은 전기적 열화는 권선을 파괴시킬 수 있다. ① 비동기 운전과 같은 심한 과도상태에 의해 회전자 권선에는 매우 큰 과도전압이 인가되며, 이 과도전압은 소선 사이에서 취약한 절연이나 열적, 기계적으로 열화되어 기능이 저하된 절연을 파괴한다. ② 약 20년 전부터 사용된 Static 여자기에 의해 여자코일 절연에 가해지는 순간적인 전압 변동은 장기적인 열화를 초래했다. 높은 주파수를 가진 전압 변동은 한 주기당 6개의 Pulse를 발생하는 Thyristor 정류에 의한 것이고, 여자권선에 3~4㎸의 전압을 가하게 된다. 이 여자전압의 변동에 의해 열화된 절연파괴를 가속시키는 경우가 발생된다. ③ 원형 회전자의 권선은 적당한 표면 이격거리에 의해 절연을 유지함으로써 분진 도체 등에 의해 오염되면 절연이 파손될 수 있다. 즉, 도체들은 절연체에 싸여 있지 않고, 도체 표면이 서로 노출되어 분리되어 있다. 청결한 상태에서 운전 중인 발전기라도 베어링에서 새어나온 오일과 응결됐거나, 냉각기에서 누수된 물에 의해 오염되면 표면 Tracking에 의해 회전자 절연이 파괴될 수 있다.
회전자 권선의 절연물, 지지물, 그리고 연결부 등에 가해지는 방사상의 원심력은 정상 운전속도에서 연속적으로 큰 응력을 가하게 된다. 이 힘의 영향은 권선의 지지물, 사용된 재질의 특성 그리고 기동정지의 빈도와 밀접한 관계로 권선에 손상을 일으킨다. 권선 절연물과 지지물들이 설계, 제한 조건, 기계적 특성에 적합하지 않게 운전될 경우 연속적인 고응력에 의해 항복, 변형, 이동 및 균열이 발생할 수 있다. 주기적 응력에 의해 권선 절연 구성물들이 이완되거나 피로 파손을 일으킬 수 있다.
회전기기의 정지 중 진단 기술
기기에 대해서는 여러 가지 측정장치를 사용해 절연상태를 진단할 수 있으며, 또한 현재 진행 중인 열화의 진행 속도도 추적할 수 있다. 고압 회전기인 발전기와 전동기에서 전기적으로 제일 중요한 고정자 권선을 포함한 고정자 및 회전자의 진단시험은 국제규격에 따른 <표 1>과 같은 방법이 있다. 이들 시험 외에 직류 고전압 시험, 교류 고전압 시험 및 VLF 시험 등이 있으며, 이를 적절히 이용하여 진단에 활용하고 있다.
회전기기의 운전 중 진단 기술
회전기를 정지하여 측정하는 정지 중 진단 방식은 복잡한 측정 설비, 기기의 운전 정지, 돌발적인 상태변화 감지의 어려움, 전문가에 의한 판단의 필요성 등의 문제점을 지니고 있다. 이를 극복하기 위한 연구 결과로 실용화되어 나타난 것 중 하나가 운전 중 부분방전 측정기법이다. 운전 중 진단 방법은 TBM방법의 가장 큰 단점인 발전 정지에 따른 경제적 손실을 줄이면서, 열화상태의 변화 추이를 판단하기 때문에 향후 최적인 유지 · 보수 시기를 결정하는 정지 중 진단 시점을 결정하는 데도 이용된다. 현재 고정자 권선의 중성점으로 흐르는 RF(Radio Frequency) 전류를 측정하는 RF 측정법과 고정자 권선에서 직접 부분방전을 측정하는 PDA(Partial Discharge Analyzer) 측정법 등이 있다. 이러한 운전 중 부분방전 측정 방법은 기본적으로는 정지 중 측정 방법과 같으나, 권선에 인가되는 전압은 회전기 운전 중에 발생하는 삼상전압을 이용하므로 교류 시험용 변압기가 요구되지 않는다. 또한 운전 중 진단법은 중성선 부근에는 전압이 거의 인가되지 않고 권선 말단부에 전체 선간 전압이 대부분 인가된다. 따라서 중성점 부근은 저 전계가 되어 운전 중 진단법에 의해서는 절연열화를 진단하기 어려우나, 정지 중 진단법으로 측정할 경우에는 권선 전체의 전압이 같게 되어 중성점 부근에서 발생한 부분방전도 측정할 수 있다.
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1. RF 측정법 발전기 내에서 발생하는 이상 아크는 고정자 권선 절연물의 손상, 도체의 피로 파괴 등에 의해 발생한다. 발생한 아크는 RF 신호성분을 포함한 순간적인 전류 펄스로 고정자 권선 내에서 전파하게 된다. 또한 고정자 권선 중성점은 저항이나 변압기를 통해 접지되어 있으므로, 아크에 의해 발생한 RF 전류는 중성 접지선으로 전파된다. 검출회로로는 아크 전류를 감지하기 위해 주파수 응답이 30㎐~30㎒인 고주파 CT를 발전기의 중성점 접지선에 설치한다. 이 CT에서 측정한 신호는 1㎒의 Filter를 통해 주변 잡음을 제거하여 Oscilloscope나 전압계로 나타나게 된다. 이 진단 시스템은 고정자 권선 도체의 파손에 의한 Arcing 등을 측정할 수 있다는 장점이 있다. RF 측정의 최대 문제점은 잡음과 동시에 측정된 부분방전을 구별하는 데 충분한 경험이 요구된다는 것이다.
2. PDA 측정법 회전기의 운전 중에 부분방전을 측정할 경우 회전기의 내외부에서 발생하는 전기적 잡음을 제거하는 기술이 필요하다. 이들 잡음의 대부분은 부분방전의 주파수 성분과 다르지만 일부분은 부분방전 펄스 특성과 유사한 것도 있다. 이와 같은 잡음을 제거하는 방법으로는 발전기의 링 부스나 IPB 말단부에 결합 콘덴서를 부착해 차동 증폭기(Differential Amplifier) 특성을 이용한 외부 잡음과 부분방전을 각각 측정하는 방법 및 외부 잡음이 포함된 부분방전을 측정하는 방법이 있다. 결합 콘덴서를 이용해 외부 잡음을 제거하는 방법은 <그림 2>와 같다. 커플러를 링 부스, 고정자 권선말단 또는 IPB 말단에 설치하며, 외부에서 발생한 잡음은 양 부스로 각각 분리 전파되어 동시에 같은 신호가 분석기에 도달한다. 이 때 외부 잡음은 차동증폭기를 이용하여 크기는 같고 극성만 다른 신호로 만들어 서로 상쇄시킴으로써 제거된다. 이 때 사용되는 커플러 설치 방법은 Differential 방식 및 Directional 방식이 있다. Differential 방식에 있어서 전력계통 등 외부에서 발생하는 잡음은 <그림2-⒜>에서와 같이 링 부스를 따라 전파하여 A1, A2로 분리된다. 출력 부스로부터 같은 거리에 설치한 커플러 A1, A2에서의 잡음신호는 같게 된다. 이 신호는 광역의 차동 증폭기에서 반대 극성의 신호로 합성되어 제거된다. 부분방전이 A1 커플러 부근에서 발생되면, 발생한 부분방전은 A1에 있는 커플러와 A2에 있는 커플러로 전파된다. A2로 전파된 부분방전은 시간 지연이 됐고 신호 크기가 차동 증폭기에서 합성되면 <그림2-⒝>에서와 같은 형태의 전압 펄스가 된다.
3. 복합 운전 중 부분방전 측정법 일본에서 연구된 운전 중 부분방전 시험 방법으로, 발전기 운전 중에 부분방전은 최고 전압(E/√3, E : 정격전압)이 인가되는 선로 말단에 근접한 권선의 절연물에서 발생된다. 부분방전이 발생하면 방전펄스는 발전기 회로 혹은 권선에서 전파하여 발전기 권선의 분포 정전 용량, 주변기기 혹은 중성점 접지선 등을 통해 대지로 흐르게 되는 원리를 이용하여, 다음과 같은 4종류의 펄스 검출 방법을 이용한다. ① Surge Absorber(Sg 법) ② 결합콘덴서(Kg 법) ③ 전력 Cable(Cg 법) ④ 중성점(Ng 법)
각 접지선에 Current Probe 결합센서를 연결시켜서 방전 펄스를 검출하는 방법을 이용하고 있다. 측정 데이터의 연산 및 해석을 위한 교정용 데이터를 입력시키기 위해 방전 펄스 검출에 앞서 교정전하(qo = Uo • Ck)를 입력시키거나, 동기 운전 중에 열화진단을 할 경우에는 운전 중에 교정전하를 투입하는 운전 중 교정을 하기도 한다.
4. 국내 연구개발 현황 1980년 후반부터 1990년대 후반까지는 주로 발전기 고정자 권선의 정지 중 절연 진단 시험에 의한 상태 평가를 시행했다. 1990년대부터 발전기 및 전동기의 On-Line 절연 진단 기술에 관한 본격적인 연구가 한국전기연구원을 주축으로 실시된 결과, 운전 중 부분방전 센서 및 측정 기술에 대한 특허가 다수 등록 · 출원되어 있다. 또한 국내에서는 EMC 특허 문제를 극복하기 위해 세라믹 소자를 이용한 6.6㎸급 세라믹 커플러의 국산 상용화를 위한 장기 신뢰성 실험을 2004년 말 완료했다. 이어 2005년 15㎸급 및 23㎸급 세라믹 커플러의 국산 상용화를 완료했으며, 현재 100℃ 운전조건에서 연속 사용이 가능한 화력발전소용 27㎸급 세라믹 커플러의 국산화를 진행 중이다. 아울러 부분방전 센서를 통한 신호 처리와 분석용 진단시스템 개발 및 S/N비를 높여 측정의 정도를 높이기 위한 잡음 제거 기술 개발 연구도 상당 부분 완료된 상태다. 이에 따라 국내 일부기업에서 수력발전기용 및 고압전동기용 부분방전 진단 시스템을 국산화해 보급화하고 있다.
마무리
국내 발전 설비 및 산업 설비의 지속적 증대 및 장기 사용으로 인해 20년 이상 장기 운전되고 있는 발전 및 산업 설비도 점차 증가하고 있다. 특히 우리나라 발전소의 경우 20년 이상 장기 운전한 발전기가 큰 비중을 차지하고 있고, 수력 및 화력발전기의 특성상 빈번한 기동정지 및 장기운전으로 인해 열화현상이 심화되어 돌발적인 사고 발생 가능성이 점증하고 있다. 따라서 발전기 운전의 신뢰성에 직결되는 문제의 발생 가능성이 증가되고 있다. 이로 인해 발전기 운전이 정지할 경우에는 산업 설비 및 국민생활 전반에 미치는 파급 효과는 막대한 경제적 손실과 전력 공급의 신뢰성 저하 등의 제반 문제점을 야기시킬 수 있다. 전동기의 경우에는 사고 파급효과가 발전기에는 미치지 못하지만, 주요 산업 설비로서 수도 공급, 지하철 운행, 홍수 조절 및 제품생산 등에 미치는 영향이 매우 큰 설비이다.
그러므로 발전기 및 전동기의 안전 운전과 유지보수를 계획적이고 신뢰성 있게 수행하기 위해서는 회전기 진단 기술의 이해 및 적용 확대가 필수적이다. 또한 가능한 국산화로 개발된 제품을 이용함으로써 외국의 관련 기술 종속 탈피 및 국제 경쟁력 확보에 이바지할 수 있는 것이다. 특히 이들 기술이 접목된 고부가가치 상품화가 가능하면 수출 촉진 및 관련 상업의 확대에도 많은 기여가 있을 것으로 판단된다.
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