간사이 전력에서는 유입 부싱 외부 진단장치 2종류를 실용화하여 그 유효성을 확인하는 검증 작업을 실시했다. 본고에서는 그 두 종류인 거치형 진단장치와 순회형 진단장치의 개요를 간략하게 살펴보고, 전자기파의 특성 및 거리감쇠, 그리고 위치 표정 정밀도를 통한 진단장치의 검증에 대해 자세히 알아본다. 아울러 필드 검증 및 결함 검출 사례도 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
부싱Bushing이란 전기설비의 격벽(변압기의 커버 및 케이스 등)을 관통시켜 도체를 통과시키는 통로를 만들고, 이 도체를 격벽으로부터 절연함과 동시에 지지·고정하는 장치를 말한다. 일반적으로 내부절연매체의 종류에 따라 유입 부싱, 가스 부싱 등으로 분류된다. 유입 부싱의 내부 이상으로 인해 화재 사고로까지 이어지는 사례도 있어 그 보수관리는 중요하다고 하겠다. 유입 부싱의 신뢰성을 확인하는 방법으로 유중 가스 분석이 유효한 것으로 알려져 있지만, 부싱의 대부분은 채유가 불가능한 구조로 되어 있어 가령 채유가 가능한 경우라도 작업 시 대상 기기의 정전을 해야 하는 등 작업성이 좋지 않았다. 그래서 부싱의 내부 이상을 외부로부터 진단할 수 있는 기술이 요망되었다. 간사이 전력에서는 전자기파 공간 위상차법을 응용한 유입 부싱의 외부진단 장치에 대해 부싱 내부의 부분방전의 특성, 방전전하량 수신전압의 거리감쇠 특성, 부분방전 위치 표정 정밀도의 검증을 거친 후 실용화하여 현재에도 지속적으로 운용하고 있다.
진단장치의 개요
당사에서는 유입 부싱 외부진단의 장치로 2종류를 실용화시켰는데, 그 중 하나는 <사진 1(a)>의 부분방전에 의한 전자기파를 수신하는 ‘센서’와 수신전압을 해석하고 표시하는 ‘컴퓨터’ 및 ‘A/D 변환장치’로 구성된 <거치형 진단장치>이다. 센서(안테나부 길이 0.5m)는 삼각대에서 분리해서 설치 가능하며, 이 센서를 4개 사용하여 방전에 의한 전자기파가 각각의 센서에 도달하기까지의 시간차를 이용해 방전점을 표정할 수 있다. 또한 센서로 수신한 전자기파의 크기를 통해 부싱 내부의 부분방전의 크기를 판정할 수 있다. 2종류 중 나머지 또 다른 하나는 <사진 1(b)>의 부분방전의 판정이 용이한 <순회형(巡回型) 진단장치>이다. 본장치는 ‘운반의 용이성’과 ‘부분방전 발생개소의 대략적인 표정(標定)’을 목적으로 개발하고 있다. 부분방전에 의한 전자기파를 수신하는 센서와 수신전압 및 주파수를 표시하는 A/D 변환장치(<사진 1(a)>과 동일)로 구성되어 있다. 센서부에 사용되고 있는 것은 길이 0.2m의 안테나 2개(간격 0.5m)이다. 부분방전 전자기파가 각각의 안테나에 도달하기까지의 시간차를 이용해 방전점의 대략적인 표정이 가능하다.
진단장치 개발 검증
● 유중 부분방전으로부터 발생하는 전자기파의 특성
부싱의 유중방전(油中放電)을 식별하기 위해서 실험을 통해 그 특성을 확인하였다. 거치형 진단장치를 사용하여 실제로 결함이 있는 부싱 내부의 유중방전, 가선모델의 기중방전(氣中放電), 애자연면(碍子沿面) 모델의 기중방전을 측정·비교했다. 각각의 방전 케이스(사례)의 주파수 특성을 해석하여 정규화한 결과, <그림 1>과 같이 유중방전의 경우 특정 주파수대에서 보이는 커다란 특징에 주목하여 다른 방전과의 식별이 가능해졌다. 그리고 나서 상기의 실험결과의 정확성을 확인하기 위해 부분방전 발생장치를 이용하여 절연유 중에서 부분방전을 발생시키는 경우와 공기 중에서 부분방전을 발생시키는 경우를 비교하였다. 여기서도 유중방전의 경우에서만 나타나는 특정 주파수대가 확인되어 이 특징 주파수대의 파형에 주목해 유중방전의 유무를 판정하는 것으로 하였다. 계속해서 변압기 내부의 부분방전과 부싱 내부의 부분방전을 식별할 수 있는지 없는지의 여부를 확인하였다. 부분방전 발생장치를 부싱을 본뜬 애관과 변압기를 본뜬 접지된 철함(철 상자) 안에 넣어 검출되는 파형의 차이를 확인한 결과, 부싱 내부의 부분방전은 검출되는 한편, 변압기 내부의 부분방전은 검출되지 않았다. 이에 따라 부싱 내부의 부분방전만이 검출된다는 사실을 알 수 있었다. 변압기 내부의 부분방전은 기존에서와 마찬가지로 유중 가스 분석으로 용이하게 검출할 수 있기 때문에 큰 문제가 되지는 않는다.
● 전자기파의 거리감쇠 확인
이상 판정을 실행하기 위해서는 부분방전의 크기가 절연파괴에 이르기까지의 레벨이 어떠한지를 파악하는 것이 중요하기 때문에 부분방전의 방전 전하량을 측정할 필요가 있다. 이 진단장치에서는 수신전압과 방전점까지의 거리 및 방전 전하량과의 관계를 실험을 통해 찾아냈다. 거치형 진단장치에 있어서의 그 결과를 <그림 2(a)>에 나타냈다. 이를 통해 센서에 의한 수신전압과 방전점까지의 거리로부터 방전 전하량을 측정하여 이상판정을 실행할 수가 있다. 또 순회형 진단장치의 검출 감도를 확인하기 위해 마찬가지로 똑같은 실험을 실시하였다. (<그림 2(b)> 참조) 검출 감도에 있어서는 외부 노이즈의 크기에 따라 약간의 차이가 발생될 수 있기 때문에 다양한 변전소 환경에 있어서의 외부 노이즈를 측정한 결과 노이즈가 큰 곳에서도 그 수신전압은 약 0.1㎷로, 유중방전에서의 수신전압이 0.4㎷정도라면 노이즈와는 명확하게 식별이 가능하였다. 따라서 순회형 진단장치에서는 5000pC의 방전을 10m 떨어진 지점으로부터 충분히 검출할 수 있다는 사실이 확인되었다. 또 77㎸ 변압기의 부싱 높이는 대략 4m 정도이므로 이 검출 감도는 충분한 것으로 판단되었다.
● 위치 표정 정밀도의 향상
앞에서도 언급한 바와 같이 이상 판정에는 방전 전하량을 추정할 필요가 있는데, 그러기 위해서는 방전점까지의 거리를 보다 정확하게 표정할 필요가 있다. 이에 따라 센서 배치를 통한 표정 정밀도의 향상에 관한 검증을 실시하였다. 검증 결과, <그림 3(a)>에서와 같이 센서를 대상물에 수평으로 배치한 경우보다 1개의 센서를 <그림 3(b)>에서와 같이 입체적으로 배치(높이 약 2m)한 편이 정밀도를 양호하게 표정할 수 있었으며, 그 오차는 수평방향, 높이방향 모두 ±0.5m 이내라는 사실을 알 수 있었다. 이 정밀도의 평가에 대해서는 77㎸급 부싱 간격이 대략 1.0m 이상이기 때문에 어느 상(相)의 부싱에 이상이 있는지를 대부분 특정할 수 있는 레벨이라고 할 수 있으며, 실용화에 있어 문제가 없는 것으로 판단되었다.
필드 검증
2종류의 진단장치를 변전소 구내로 가지고 와 부분방전 발생장치 및 실제 기기에 의한 검증을 실시하였다. 그 결과, 센서에 의한 부분방전의 검출, 위치 표정, 방전 전하량의 추정에 대해 양호한 결과를 얻음으로써 장치의 유효성을 확인할 수 있었다. 실제 운용에서는 우선적으로 순회형 진단장치를 이용해 이상 전자기파의 유무를 확인하고, 이상이 발견된 경우에만 거치형을 통해 상세 측정을 실시하는 플로우 챠트Flowchart를 작성한다. 이상 진단의 플로우 챠트를 <그림 4>에 나타내었다. 또한 당사의 이상 판정 기준과 관련해 전기 협동 연구회 제61권 제3호 ‘밀폐형 변전설비의 열화 보전 기술의 고도화’에서 10000pC가 절연파괴에 이르는 방전 전하량이기 때문에 예방 보전의 관점 및 표정 오차를 감안하여 6000pC를 이상레벨로 정하고 있다. 또 요주의 레벨은 전기학회 기술보고 제752호 ‘절연재료의 열화와 기기·케이블의 절연 열화 판정의 실태’에 나와 있는 변압기의 부분방전에 관한 요주의 레벨을 준용하여 1000pC로 정하고 있다. 이 기준치에 대해서는 향후의 실측 데이터에 따라 재검토를 거칠 필요가 있다.
결함 검출 사례
2006년도부터 이 진단장치를 실용화하여 이상 진단을 실시해온 결과, 77㎸ 배전용 변전소에서 순회형 진단장치의 진단을 통해 유중방전의 특징을 나타낸 이상 전자기파를 검출했다. 곧 이어 거치형 진단장치를 통한 상세 측정을 실시한 결과, 방전 위치는 변압기 1차 부싱 B상 주변을 표정했고, 방전 전하량은 약 7400pC로 측정되었다. 방전 위치 표정 화면을 <그림 5>에 나타내었다. 추정된 방전 전하량은 이상레벨에 상당하는 수치였고, 이상이 검출된 부싱이 채유 가능한 구조였기 때문에 유중 가스 분석을 통한 추적조사를 실시하였다. 그 결과, 1차 부싱 A상과 B상에서 아세틸렌이 검출되어(A상 6.20ppm, B상 2.58ppm) 부싱 내부에서 부분방전이 일어나고 있었다는 사실이 확인되었다. 이러한 결과로부터 이상 부싱의 교체를 실시하여 이상 전자기파를 제거하고 설비를 다시 정상 상태로 복구하였다.
장바구니
주문내역
: 
