변압기는 오래된 역사와 더불어 수많은 변천 과정을 거치면서 신뢰성이 높고 전기기기 중에서도 수명이 긴 제품으로 개량되어가고 있다. 그만큼 변압기의 예방보전과 열화진단은 중요하다고 할 수 있으며, 향후 열화진단 기술의 공통화를 도모함과 동시에 현장 사례에서의 피드백 구조 개선도 요망되고 있다. 본고에서는 변압기의 변천 및 열화·이상진단 기술에 대해 절연재료의 변천과 연관 지어 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
변압기의 역사는 1881년 패러데이의 원리로 거슬러 올라가 1900년대 초 이윽고 실용기기로 제품이 시판되기 시작하면서 무려 100년 이상의 역사를 지니는 유서 깊은 전기기기이다. 오늘날에는 전기 에너지를 배전·공급하는 사회의 중요 인프라로서 인식되고 있다. 따라서 이 중요기기를 무고장으로 기대수명을 연장시키기 위해서는 기기의 설비보전을 적절하게 실시해나가는 것이 중요하다고 하겠다.
변압기의 변천
1900년대 초는 유입 변압기가 주류이며, 그 후 실리콘 건식 변압기, 에폭시 수지를 적용한 몰드 변압기가 널리 실용화되게 되었다. 그러나 몰드 변압기는 그 절연기술에 어려움이 따라 현재에는 33kV까지의 적용이 한도이며, 이 이상의 전압계급에서는 유입 변압기를 적용한다. 또 절연성능이 공기에 대해 비약적으로 뛰어난 SF6가스를 냉각절연 매체로 한 변압기도 실용화되면서 용도 및 환경에 따라 각종 변압기가 적절하게 이용되고 있다. 예를 들면, 난연성이 요구되는 빌딩 등의 전원시설에서는 몰드 변압기 및 가스절연 변압기의 적용이 많은 경향을 보이고 있다.
변압기를 구성하는 절연재료의 변천
변압기를 구성하는 절연재료로서 권선·상간절연 등에서는 역사가 오래된 절연지 및 폴리에틸렌 등의 고분자 재료로 구성되는「테이프 또는 시트상」의 재료가, 또 코일 및 리드선 등을 지지하는 구조 절연물로서는 프레스 보드 및 목제물, 강화목 등이 사용되고 있다. 유입 변압기에서는 절연냉각 매체로서 절연유가, 가스절연 변압기에서는 6플루오르화황(SF6)이, 몰드 및 건식 변압기에서는 비스페놀형 에폭시 수지, 실리콘 바니시 등이 이용되고 있다. 이러한 절연물은 해를 거듭하며 개량돼 오고 있지만, 기본적으로 커다란 변화는 없다.
<절연유의 변천>
절연유는 원유를 정제하여 얻어지는 석유계 탄화수소이며, 그 변천의 개요를 [표 1]에 나타냈다. 예전에는 중남미산의 나프텐계가 많이 사용되었지만, 그 후 중동계의 파라핀계로 이행되어 갔다. 이에 따라 나프텐계 절연유에서 과제였던 황화부식 문제가 대폭적으로 개선되었다. 1980년대에 절연유로 인한 유동대전(流動帶電) 현상이 나타나 중대한 절연 사고가 발생하자 국내 변압기 제조업체 및 대학, 연구단체 등의 기술을 결집시키는 활동으로 벤조트리아졸(BTA)의 첨가와 냉각방법의 개선 등을 통해 해결하였다. 이 첨가제는 황화부식 방지 및 내열수명의 개선에도 효과가 있어 JIS에도 도입된 바 있다. 그 후 10년 이상 늦어져서 똑같은 유동대전 사고가 해외에서도 빈발하여 일본의 개발기술이 해외에 널리 활용되게 되었다.
<절연지의 변천>
한편, 크라프트지로 대표되는 절연재료는 기본적으로는 천연 셀룰로오스를 이용하는 것으로 오늘날에 있어서도 우수한 성능을 자랑한다. 프레스 보드는 이 크라프트지를 원료로 하는 충분한 강도를 가지는 성형재료이며, 절연시트판, 다양한 형태의 성형품, 지지 구조물로 가공된다. 현재는 이 셀룰로오스계 절연재료를 공급하는 제조업체가 점점 줄고 있어 향후 과제로 떠오르고 있는 것도 사실이다. [그림 1]에 이 절연재료의 변천을 정리했다. 한편, 폴리에틸렌 테레프타레이트(PET) 등의 고분자 재료도 폭넓게 채용되고 있어 기기의 소형·고성능화에 크게 기여하고 있다. 내열성이 우수한 고분자 재료로는 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 아라미드지(상품명: 노멕스), 폴리이미드 필름(상품명: 캡톤) 등도 실용화되고 있다. 특히 차량용 변압기 등 우수한 내열성이 요구되는 경우에 사용된다.
<환경 배려>
최근, 환경을 배려한 기기의 개발에도 중점을 두어 변압기 등의 전기기기에도 팜유, 유채기름 등을 절연유로 하는 상품이 실용화되고 있다. 또 가스절연기기에 사용되는 SF6가스의 온난화 계수가 이산화탄소에 비해 상당히 크기 때문에 질소가스 등의 친환경 절연 냉각가스로 전환하는 연구도 활발히 진행 중에 있다. 그러나 이 SF6가스의 절연 냉각 매체의 실용화는 아직 해결해야 할 과제가 많이 남아 있는 실정이다. [표 2]에서는 기존의 광물유와 환경조화형인 유채기름 및 실리콘유와의 성상을 비교했다. 환경조화를 지향하는 유채기름 및 실리콘유는 전기적으로 광유와 동등한 성능을 지니며 모두 널리 실용화되고 있다. 이 환경조화형 절연유의 열화이상 진단의 기초기술도 많은 제조업체에서 확립되어 있다.
진단기술의 핵심
절연·열화진단은 많은 기초연구를 바탕으로 실제 현장에서의 기기 상태와 대조하여 확립되는 기술이며, 기초와 실용이 반드시 하나가 되어야 한다. 진단의 기초가 되는 데이터의 일례로 절연지의 열열화(熱劣化) 특성을 [그림 2]에 나타냈다.
<절연지의 열화>
변압기의 열화 진단에서는 사용되고 있는 절연지의 일부를 채집하여 그 중합도의 측정으로 진단한다. 기기로는 기계적 강도와 전기적 강도 모두 소정의 성능을 지녀야 하지만, 절연강도는 열화에 대해 거의 변화하지 않기 때문에 전적으로 기계적 강도의 변화를 열화진단의 기준으로 하는 일이 많다. 또, 기계적 강도와 중합도와의 사이에는 명료한 상간이 있기 때문에 그 결과, 중합도의 변화로 열화 진단을 할 수 있다. 그러나 절연지를 채취하는 일이 곤란한 경우도 다수 존재하여 그 경우에는 절연유 안에 용해되어 있는 푸르푸랄을 측정하여 열화진단을 할 수 있다. 현장에서의 열화진단 기술의 실용화로「냄새 센서」의 응용 예가 있다. 이것은 SnO₂형 반도체 냄새 센서를 응용하는 것이며, 채유한 절연유의 상부 공간에 증기압 평형의 알데히드계의 휘발성분을 검출 측정하는 방법이다. 이 방법에서는 운전기간과 부하율의 곱과 센서 출력이 서로 상관관계에 있음을 확인할 수 있다. [그림 3]은「냄새 센서」의 응용 예를 나타낸 것이다. 기기 C는 통상 열화상태에 있으며, 기기 A와 B는 가연성 가스 총량이 높아 열화 이외의 이상 현상이 발생하고 있었다. 즉, 기기 C의 냄새 센서에 의한 진단 측정 결과는 통상의 경년열화 특성과 일치하고 있음을 확인할 수 있었다. 필드 데이터의 축적에 의한 진단 정확도의 향상이 요구되고 있는 가운데 현장에서의 간이 열화진단법이 기대되고 있다.
<유중가스 분석의 동향>
유중가스 분석에 의한 열화·이상진단은 전기협동연구회에서 상세하게 검토되어 일본의 유입 변압기 진단의 대부분이 이에 따라 실시되고 있다고 할 수 있다. 그러나 배전용의 소형 유입 변압기에서는 외적인 환경조건 및 부하상태가 분석결과에 많은 영향을 미쳐 유중가스 분석결과의 해석과 진단에는 각별히 주의가 필요하다. [그림 4]는 북미에서의 가스 분석 진단 방법의 일례를 나타낸 것으로 Duval의 삼각법으로 불리며, 널리 이용되고 있다. 이 방법은 현장의 변압기 100대 이상의 실적 데이터를 바탕으로 진단기준이 정해져 있기 때문에 실용성이 매우 높고 일본에서도 그 이용 사례가 증가하고 있다. 이와 같이 기기의 열화·이상진단에서는 현장 기기에 의한 기초 데이터의 검증 결과를 통해 진단기준을 개선·개량해 나가는 것이 중요하다. 전기공동연구법에서도 위원회 기반으로 정기적인 재검토가 실시되고 있으며, 그 결과 해마다 진단기술이 개선·개량되고 있다.
<선형 SVM>
변압기 내부 결함의 판정·양상진단 방법의 새로운 시도로서 [그림 5]에 보이는 선형 SVM(서포트 벡터 머신)이 도입되고 있다. 이것은 [그림 5]의 식에서 나타낸 Z값이 정(正)이면 ‘정상’, 부(負)이면 ‘이상’으로 판정하는 방법으로, 간단하고 편리하여 최근 진단방법으로서 도입하는 예가 늘고 있다. 향후 필드 데이터의 축적에 따라 새로운 진단 기준이 될 것으로 기대되고 있다.
<몰드기기의 진단>
몰드기기에서는 유입변압기와 같은 실용성이 우수한 진단 방법이 아직 확립되어 있지 않은 것이 실정이며, 기기 제조업체, 사용자, 분석업체 모두가 큰 관심을 가지고 있다. 열화·이상진단을 실시함에 있어서 먼저 몰드기기의 열화 프로세스를 명확히 하지 않으면 안 된다. [그림 6]은 그 일례로, 이에 따라 몰드기기의 광(光)진단 및 부분방전 진단의 실용화 연구가 진행되고 있다. 먼저 열화 초기의 마스터 커브를 작성하여 운전가동 시에 특정 빛의 반사·흡수를 파이버스코프 등으로 계측하여 진단하는 기술이다. 이 원리로부터 유입변압기로의 적용도 검토되고 있다. 그러나 몰드기기의 수지 표면의 색상 변화로부터 변압기 코일 내부의 수지 열화도를 추정하기 때문에 고정밀도의 실용화에는 아직 몇 가지의 과제가 남아있다. 또 변압기의 공통적인 열화·이상진단법으로서 주파수 응답 해석(FRA) 방법이 검토되고 있다.([그림 7] 참조) 이것도 초기의 FRA 특성과의 비교를 통해 코일의 어긋남 등을 판정하는 기술이다. 기술의 기본 원리로부터 어떤 타입의 변압기에도 적용 가능하다. 모든 기술에 있어서 기기의 초기 성상 및 특성 파악이 필수적이며, 그것을 기준으로 하는 마스터 커브를 작성하여 진단하기 때문에 설비 유지관리에 종사하는 기술자로의 침투에는 아직 많은 과제가 남아 있다. 이상으로 소개한 진단기술을 기기별로 정리하여 그 결과를 [그림 8]에 나타냈다.
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