변압기의 내부 이상 진단 방법으로 유중 가스 분석 방법을 가장 많이 사용한다. 유중가스분석방법은 방전모드와 과열모드판별은 가능하지만, 과열 모드에서 과열 개소가 권선 부분인지 철심 부분인지 적확하게 판별하는 일이 어려웠다. 발생 건수를 보자면 90% 이상이 철심 부분에서 발생하지만, 만약 권선 부분이라면 긴급을 요하기에 보수를 담당하는 곳에선 대응에 고심해왔다. 이에 도쿄전력㈜와 ㈜일본AE파워시스템즈는 변압기 내부 과열 개소의 추정 정밀도를 높이기 위해 실제 규모의 모델을 이용한 가스 발생 실험을 했다. 그동안 축적한 데이터를 활용해 과열 부분을 판별하는 방법과 아주 적은 분량의 유중 가스 성분을 검출·분석하는 진단 기술을 기존 유중 가스 분석 방법에 추가한 것이다.
기존 유중 가스 분석 방법의 문제점
현재 권선 부분에 이상이 있는(이하 '권선계') 양상과 철심 부분에 이상이 있는(이하 '철심계') 양상을 판별하는 방법으로 가스 패턴, 조성 비율(이상 진단도), 특정 가스를 통한 진단 등이 있다. 비교적 높은 에너지인 방전 현상의 경우 열거한 방법으로 권선계와 철심계 판별이 가능하나, 비교적 낮은 에너지, 중·저온 과열의 경우 분해 가스 발생 부분을 정확하게 판별하기 어렵고 판단을 잘못한 사례도 여기저기서 보인다.
 과열 이상 진단 방법 개발
착안점 | 과거 철심계와 권선계의 과열 양상에 따른 가스 발생 사례를 분석하면, 철심계는 절연유에 바로 접하기에 절연유의 과열 온도가 높다. 또한, 방열 효과가 커 과열 면적이 잘 퍼지지 않는 경향을 보인다. 이에 반해 권선계는 절연지를 사이에 두고 과열 진전하기에 절연지가 소손(그을림)되고, 과열면적이 서서히 넓어지며, 절연유에 접하는 부분은 철심에 비해 절연유의 과열 온도가 낮다.
한편, 과열 온도는 유중 가스 분석에 따른 C2H4(에틸렌)/C2H6(에탄)의 조성 비율에서 추정할 수 있다는 점, 그 과열 온도와 발생 가스 농도, 변압기 유량을 이용해 등가적인 과열 면적을 산출하고 계수화할 수 있다는 점에 착안해 실제 규모의 모델을 이용해 가스 발생 실험을 하고 특징을 고찰했다.
실험 모델| 일본의 각 전력회사가 발표한 고장 보고와 실제로 발생한 과거 가스 발생 사례 중에서 특히 현지에서 전기적 시험 등 외부 진단으로 검출할 수 없는 현상을 참고로 권선계 3모델(①②③), 철심계 4모델(④⑤⑥⑦)을 실험 모델로 선정했다.
① 소선 간 이물질 혼입을 모의한 '나선형 권선 모델'(<그림 2> 참조)
② 리드선 조임 불량을 모의한 '리드선 접속부 모델'
③ 실드 내 리드선 박리를 모의한 '실드 접속부 모델'
④ 철심 블록 간 순환 전류 과열을 모의한 '철심 코벨 Corbel(접지편) 모델'
⑤ 철심 모서리 접합 부분의 순환 전류 과열을 모의한 '철심 접합부 모델'(<그림 3> 참조)
⑥철심 적층면 간 흠집 등에 의한 순환 전류 과열을 모의한 '철심 적층 간 모델'
⑦ 철심 이중 접지에 의한 순환 전류 과열을 모의한 '철심 이중 접지 모델'
 실험 방법 | 용기에 설치한 틈 구멍으로 모델 상태를 살폈다. 외부 전원 회로에서 통전해 이상 개소를 과열시켰으며 전압·전류를 기록하는 동시에 알맞은 때에 채유해 오일을 분석했다.
데이터 분석 | 그동안은 발생 가스의 성분 비율만 가지고 진단했으나, 이번엔 가스 발생의 시계열 데이터에 주목해 데이터를 분석했다. 각 모델의 가스분석 데이터에 대해 가스 패턴뿐 아니라 가스 생성량, 가스 발생 트렌드를 구했다.
절연유의 열 분해로 발생하는 가스는 과열 온도가 높아질수록 불포화 탄화수소 C2H4(에틸렌)의 비율이 높아지기에 불포화 탄화수소와 포화 탄화수소 C2H6(에탄)의 발생 비율 'C2H4/C2H6'을 통해 열 분해 온도를 추정할 수 있다. 또한, 과열 온도, 변압기 유량, 가연성 가스 총량(TCG)의 발생량 사이의 관계에서 과열 면적을 추정할 수 있다. 그래서 각 실험 데이터에 대해 에틸렌과 에탄의 비율을 구하고 아래 식을 이용해 등가 가열 온도, 등가 과열면적을 추정했다.
 실험 결과와 고찰
가스 패턴과 트렌드 | 각 모델의 가스 패턴을 통해 부분 판별에 이르지 않고, 가스 발생 트렌드를 통해 권선계 ①②③ 모델과 철심계 ④⑦ 모델에서 가스발생을 계속 얻었으며 철심계 ⑤⑥ 모델에서 급격한 증가 후 정지하는 현상을 얻었다(<그림 4, 5> 참조).
 권선계 과열에선 계속되는 통전으로 과열부의 구리가 녹아 소손 범위가 넓어지고 가스 발생량이 많아져 증가율이 서서히 확대해 가는 경향을 보인다.
한편, 철심 과열은 규소 강판 절단면의 작은 범위에서 발생하며, 국부적으로 철이 녹으면 접촉 상태가 변해 국부 온도가 달라지기에 가스의 급증·정지가 일어나는 것으로 보인다.
등가 과열 면적과 등가 과열 온도(C2H4/C2H6) | 이번 실험 결과를 앞서 설명한 계산식에 대입해 등가 과열 면적을 산출하고, 등가 과열 면적을 가로축에, C2H4/C2H6 비율(과열 온도 지수)을 세로축에 놓고 각 모델의 가스 발생 특징을 검토했다(<그림 6> 참조).
권선계 ①②③ 모델에서 과열 면적이 큰 경향을 보이며, 철심계 ④⑤⑥⑦은 과열 온도가 높고 과열 면적이 비교적 작은 경향을 보인다. 이는 권선계 모델에서 구리의 열 전도성과 절연지의 열 저항에 의해 비교적 과열부의 면적이 커지는 것에 비해, 철심계의 가스 발생부는 접촉부가 일부(특히 철판 절단부의 접촉 과열)며 유중 금속이라 냉각이 좋기에 발열부가 작은 범위에 한한 것이 원인으로 생각한다.
실제 설비 데이터 분석
과거에 과열 모드의 유중 분석 가스가 발생한 변압기에서 내부 점검 또는 해체 점검으로 가스 발생원인을 명확히 밝힌 변압기에 대해 실험 모델과 동일한 분석을 했다. 대상이 된 변압기의 가스 발생원인은 소선 과열(권선계)이 2대, 실드 과열(권선계)이 1대, 용기 자기 실드 과열(철심계)이 1대, 이중 접지(철심계)가 3대다.
 등가 과열 면적과 등가 과열 온도 | 각 변압기를 가로축이 등가 과열 면적, 세로축이 C2H4/C2H6 비율인 그래프에 대입했다(<그림 7> 참조). 그 결과 철심 이중 접지 양상 말고는 과거의 상태 불량 데이터와 일치하는 양상을 보였다.
가스 발생 트렌드 | 과거 가스 발생 사례의 트렌드를 분석한 결과도 권선계, 철심계 모두 모델 실험결과와 같은 양상임을 확인할 수 있다(<그림 8, 9> 참조).
진단 적용
과열 면적과 C2H4/C2H6 비율에 따른 진단 | 모델실험 결과에서 영역을 3개로 구분해 진단도로 제시하고, 실제 설비의 가스 분석 데이터를 대입해 상태불량 부분이 철심인지 권선인지를 진단한다(<그림 10> 참조).
 가스 발생 트렌드로 판별 | 가스 발생 트렌드를 ① 증가량이 거의 일정 ② 가스 급증 후 정지 ③ 어느 시점부터 급증 ④ 증가량이 서서히 증가 등으로 나누고 등가 과열 면적의 최저 한계와 조합해 진단표를 만들어 상태 불량 부분이 철심인지 권선인지를 진단한다.
필드 데이터 활용과 실제 장비에 적용 사례 | 지금까지 가연성 가스가 증가한 변압기를 이 방법으로 진단했더니 권선 이상 판정이 나왔다. 공장 반입 시 점검한 결과 상정한 대로 권선 실드부가 소손돼 있어, 사전에 사고를 방지하는 효과와 함께 이 진단방법의 유효성을 확인했다.
높은 정밀도의 유중 가스 분석과 조합해 고도화 | 앞서 잠깐 언급한 대로 철심 이중 접지는 등가 과열면적과 C2H4/C2H6 비율에 따른 진단에서 실험 데이터와 실제 장비의 과거 상태 불량 데이터가 일치하지 않았다. 이는 실제 장비에서 이중 접지는 아주 적은 갭에 의해 접촉했다가 떨어졌다가 하는 등 무작위로 발생할 가능성이 있기에, 일정 기간 계속해서 이중 접지를 발생시킨 실험 데이터와 다른 양상을 보인 것으로 판단한다.
따라서 과열 절연물을 식별할 수 있는 높은 정밀도의 유중 가스 분석 방법(PTI법과 가스크로마토그래프Gas Chromatograph 분석기를 이용한, ppb오더의 미량 가스를 고감도·고정밀도로 분석할 수 있는 방법)과 조합함으로써 가스 발생 부분 추정에 정밀도를 높였다.
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일본의 경우 변압기의 약 31%가 경년 30년 이상이며 점점 더 고경년화를 예상한다. 이러한 고경년화 변압기를 신뢰도가 떨어지지 않게 적절히 유지관리하려면 기존 유중 가스 분석 방법에다 이상 징후를 보이는 변압기를 대상으로 '과열 이상 부분 판정 방법', '높은 정밀도의 유중 가스 분석 방법'을 적용하는 것이 유효하다. 이렇게 하면 사고 방지로 계통 신뢰도를 높이고, 적절한 수리 시기 전망으로 경제성 효과를 기대하는 동시에 자산을 유효하게 활용하는 데도 기여할 수 있다.
<Energy News>
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