배전용 변압기 기술발전 전망 및 국내 변압기 품질개선한전 전력연구원 이병성 선임연구원국외 변압기 운영 및 수명국내 배전선로에서는 동일한 기능과 성능을 갖는 변압기가 사용되고 있는 반면에 국외 전력회사에서는 다양한 기능을 갖는 배전급 변압기를 적용하고 있다. 사용 목적에 따라 변압기에 필요 기능이 추가된 것을 사용하고 있으며, 전력공급 신뢰도 증가 및 운용비용을 줄이고자 IT 기술을 응용한 상시 감시 기능을 부가하는 시도를 하고 있다. 변압기의 교체주기 결정 및 적절한 투자 배분을 위해 변압기의 이력이 관리되고 있으며, 정상적인 배전시스템에서 사용되는 변압기의 평균연령은 25∼35년으로 보고되고 있다. 미국 HSB 보험회사에서 전력회사를 대상으로 1000대의 배전용 변압기에 대한 연령 분포를 조사한 자료에 의하면 대략 30년 이상의 변압기 수량이 점차 감소하고 있다. 변압기에 문제가 있어 교체되고 있기 때문이다. 또한 특정 전력회사에서 조사한 변압기 고장 통계자료에 따르면 운전 연수에 따라 초기 고장률이 적다가 40년 이상이 될 경우 급격히 증가하는 전형적인 Bath tube 곡선을 보이고 있다.국외 전력회사에서 중점으로 관리하고 있는 변압기는 상대적으로 고가이며, 고장 시 고객에 파급 영향이 큰 배전용 변전소에 사용되는 변압기이다. 배전 변전소에 사용되는 변압기 수량은 전력회사 별로 많은 차이를 보이지만 보통 수 천∼수 만대의 변압기가 사용되고 있다.따라서 전력설비 운용자 입장에서 변압기 운용 및 교체주기 결정은 매우 중요한 사안이다. 가장 경제적인 교체주기 산정을 위해 고장에 따른 고객 피해금액, 운용비용, 교체비용 등을 종합적으로 고려하고 있다. 일부 전력회사를 상대로 조사한 사용 연수에 따른 고장률 통계 자료를 아래 표에 나타내었다. 운용적 측면과 경제적 측면을 고려할 때 일반적으로 변압기 고장률이 2.0% 이상으로 될 경우 변압기를 교체할 것을 권고하고 있다.
국내 배전용 변압기 주요 품질 개선 사항1. 단락강도 개선 필요과거 5∼6년 전에 비해 배전용 변압기 품질은 조금씩 향상되고 있으나 단락기계력 시험에 대한 불합격률은 좀처럼 줄어들고 있지 않다. 아직까지 시험검사에서 불합격률이 가장 높은 시험항목 중의 하나이며, 전체 시험 불합격 중 단락강도시험이 차지하는 것이 20% 이상이나 된다. 배전용 변압기는 사용 중 2차측에서 외부적인 단락을 받기 쉽다. 이러한 외부적인 고장은 지락고장 및 선간단락 등이 될 수 있으며, 이러한 조건을 맞추기 위해 ANSI(American National Standard Institute) 기준에 단락내력과 관련된 내용을 규정하고 있다. 이 규격에는 배전용 변압기가 외부적인 단락에 의해 발생되는 기계적 열적 스트레스를 견디기 위해 설계되고 제조되어야 한다는 것이다. 또한 이는 코어와 코일 집합체가 단락내력을 가져야 할 뿐만 아니라 부싱이나 탭 변환기와 같은 것들도 단락내력을 가져야 한다고 돼 있다.단락내력에 대한 현재의 규격은 배전용 변압기에 대한 단락내력에 대한 요구사항을 정해놓은 ANSI C57.12.00-1987과 단락 시험에 대한 절차를 제공하는 ANSI C57.12.90-1980이 있다. 한전구매사양에도 이 규격에 만족할 것을 요구하고 있다.변압기를 설계함에 있어서 실질적인 어려움은 변압기의 기계적 강도를 계산하는데 있다. 단락회로 조건 하에 놓인 변압기는 3차원적인 진동문제로 취급될 수 있으며, 코일의 강도를 계산하기 위해서는 동적 컨디션을 고려한 단락 기계력을 분석해야 한다. 변압기 코일에 작용하는 힘을 해석하고 변압기 구조적인 면에서 개선을 하기 위해 유한요소법(FEM)을 적용하는 것이 유용하다. 또한 기계적 내량을 증명하기 위해 ANSI C57.12에 설명된 절차에 따라 제작된 변압기에 대한 실질적인 단락시험을 거쳐야만 한다. 모든 변압기 생산품에 대해 시험을 실시한다는 것은 가능하지 않으므로 부분적으로 샘플링하여 단락시험을 실시하고 있다.변압기 권선의 전기적인 중심이 잘 배열되어졌다면 축방향으로 권선이 받는 힘은 영이지만, 만일 전기적으로 균형있게 설계되지 않았다면 축방향의 힘이 커지게 된다. 이러한 경우 2차측에서 단락고장이 생기면 저압권선과 고압권선 사이에서 상호 이동이 발생하게 된다.
<그림3>은 외철형 변압기의 권선 자속분포를 나타낸 것이다. <그림3>에서와 같이 저압권선과 고압권선의 불균형이 발생할 경우 창 내의 자속분포의 변화를 가져오게 된다. 내부 저압권선의 축방향 변위에 비례하여 수직력이 증가한다. 또한 고압권선에서 탭 인출 부분에서 비대칭 자계분포로 힘의 불균형이 발생되어 수직으로 권선이동이 있을 수 있다. 방사상으로 작용하는 힘이 크게 되면 상대적으로 큰 수축력을 발생시키며, 저압(LV) 및 고압(HV) 권선의 층간절연, 저압과 고압(L-H) 공간 내의 주절연 및 철심윈도우 내의 저압 권선과 고압 권선 절연여유에 파괴적인 영향을 미친다. 높은 수직력은 층과 층을 이동시킬 수 있으며, 심할 경우 철심접합부를 벌려놓을 우려가 있다. 따라서 이러한 힘을 제한할 필요가 있다. 현재 국내에서 사용되고 있는 배전용 변압기는 단락성능 향상을 위해 프레임 구조를 보강할 뿐만 아니라, 국외 제조사에서는 거의 사용하고 있지 않은 바니시 함침법 까지 적용하여 단락에 따른 기계적 강도를 향상시키고 있다. 일반적으로 단락강도를 향상시키기 위해 보통 다음과 같이 몇 가지 단계를 취한다.① 축방향으로 작용하는 힘을 경감시키고 단락으로 인한 진동에도 견딜 수 있는 기계적으로 보다 강한 권선을 제작하기 위해 판상도체를 사용한다. 국내 일부 제조업체에서는 2차권선에 판상(sheet) 도체를 이용하여 제작하고 있으며, 단락기계력 개선 효과가 확인되었다.② 축방향으로 작용하는 힘을 경감하기 위해 힘을 최소화시키는 축방향 위치로 탭을 배열한다.③ 코일의 형태 및 임피던스를 적절히 조절하여 단락 기계력을 경감시킨다.④ 바니시와 같은 보조접착제를 사용한다. 접착제가 코팅된 절연지를 사용할 수 있으며, 권선의 바니시 함침은 상당히 효과적이나 함침조의 온도 및 점도 등의 함침공정 관리가 철저히 이루어지지 않을 경우 절연에 악영향을 줄 수 있다. ⑤ 방사상 팽창 스트레스가 책정된 한도를 초과할 경우 기계적 지지대(brace)를 부가설치하여야 한다. 또한 권선이 축방향으로 이동하는 힘을 억제하기 위해 축방향의 지지구조를 적절히 보강하여야 한다. 이때 권선의 냉각을 저해하는 구조는 피해야 한다. ⑥ 권선의 냉각을 위해 설치하는 유덕트가 축방향 힘에 대한 저항력을 감소시키므로 유덕트를 최소로 하여 설계하여야 한다.상기의 방법의 적용은 제작업체에서 제조공정 및 경제성 등을 감안하여 결정되어져야 한다. 2. 바니시 함침에 따른 문제 개선국내에서 생산되는 배전용 변압기의 대부분은 바니시 함침을 하고 있으며, 바니시 함침불량에 따른 문제가 발생하고 있다. 일반적으로 많이 적용하고 있는 바니시 함침 공정은 예열, 공냉, 함침, 여적, 본건조 순으로 행해지고 있다. 권선내부에 함유하고 있는 수분은 전기적 절연특성을 나쁘게 하므로 바니시 함침 전에 권선을 건조하고, 권선의 가장 안쪽까지 바니시가 고르게 침투되게 하기 위해 진공상태를 만들고 함침 액의 점도를 낮추어야 하며, 권선을 예열하여 수행하여야 한다. 그리고 바니시의 종류별로 각기 다른 함침 및 건조(curing) 조건을 정하여 관리하는 것이 중요하다. 또한, 함침조의 온도는 20∼30℃로 유지하는 것이 좋으며, 함침조 내의 바니시에 먼지, 찌꺼기 등의 불순물이 존재하지 않도록 청결을 유지하여야 하며 주기적인 필터링이 필요하다. 이러한 공정관리가 철저하게 이루어지지 않는다면 전기적인 특성 측면에서 부정적인 역할을 할 수 있다. 권선의 바니시 함침 시 다음과 같은 문제가 야기될 수 있다.(1) 표준 공정 관리가 어려움제조업체별로 고유의 공정을 체계화하여 제품 생산에 적용하고 있으나, 자사 제품에 대한 충분한 시험데이터의 부족으로 작업자의 경험에 의존하는 경우가 많아 품질 관리가 이루어지지 않고 있다. 바니시 함침 온도 및 점도 관리가 중요한 요소로 작용하는데, 작업자의 노하우에 전적으로 의존하는 업체가 있었으며, 자체에서 제작한 점도곡선이 있더라도 생산 현장에서 제대로 적용되지 않고 있는 실정이다. 또한 권선 절연지의 수분 흡수를 최소화하기 위해 건조로에서 권선을 건조한 후 권선이 일정온도가 되면 즉시 함침 공정이 이루어져야 수분흡수에 의한 수명단축 영향을 배제할 수 있기 때문에, 권선의 수분 흡수를 최소화할 수 있는 공정 개선이 필요하다.(2) 절연유의 원활한 순환 제한<그림5>과 같이 바니시 함침 시 점도 관리가 되지 않아 함침 바니시가 권선의 유로(oil duct)를 제한하여 냉각작용에 영향을 주고 있다. 바니시 함침 권선의 온도 측정결과 미함침 권선에 비해 100% 부하에서 2∼7℃ 정도 온도상승이 있는 것으로 확인되었다. 또한 함침불량으로 인해 국부적인 과열 개소가 발생할 가능성이 높아 진다. 이것은 변압기 수명에 직접적으로 영향을 주게 된다.
(3) 전기적 특성 저하진공 분위기에서 함침을 하고 있지만 함침으로 인한 권선 내의 보이드가 존재할 가능성이 높으며, 동일한 함침조에서 권선을 반복적으로 함침할 경우 함침조 내부에 절연지 조각 및 동분진 등과 같은 이물이 축적될 수밖에 없다. 이들이 함침 시 권선 내로 유입되어 전기적인 절연을 약화시키고 있다. <그림6> <그림7>은 권선 내에 보이드가 존재할 때 전기적 스트레스의 집중 현상을 해석한 결과이다. 금속분진이 권선 내에 삽입되었을 경우 전기적 특성이 급격히 떨어지게 된다. 시험검사에서 충격시험이나, 유도내전압에서 불량이 발생하는 것도 이러한 원인이 크게 작용하였을 것이다. 함침조의 청결 유지가 중요하며, 주기적으로 필터링을 할 필요가 있다.
3. 변압기 외함 도장 성능 향상변압기 외함이 변압기 성능에 큰 영향을 주지 않을 것으로 여겨 지금까지는 중요하게 고려되고 있지 않았다. 국내 배전용 변압기 외함 부식에 따른 교체 및 재도장에 소요되는 비용이 매년 수 십 억원 이상이 소요되고 있다. 국외에서는 부식 대책으로 일부 특수한 개소에서는 스테인리스 외함을 사용하고 있으나 제조원가가 높기 때문에 사용량이 많지 않다. 변압기의 운전수명을 연장뿐만 아니라 일반 대중이 전력회사나 공업용 시설물이 그들의 사유재사 근처에서 보기 좋은 형상으로 설치되는 것을 원하기 때문에 현장에서 변압기의 도장이 잘 유지되는 것이 중요하다. 북미의 일부 전력회사에서는 변압기 재도장에 수 백 달러 이상의 비용이 소요되고 있으며, 상당수의 변압기는 7∼10년 마다 재도장을 필요로 하고 있다. 따라서 제조당시 공장에서 마무리한 도장의 내구성은 전력회사 입장에서 유지보수 예산에 상당한 충격을 줄 수 있다. 한전구매규격에 있어서 외함의 도장 규격은 도장막의 두께만 규정되어 있을 뿐이다. 현장의 다양한 환경적인 열화에 대한 내구성을 평가할 수 있는 시험항목이 추가돼야 할 것이다. 국외 변압기 제조업체에서는 오손된 환경에서 장시간 사용되어야하는 변압기 외함의 성능시험 및 요구사양을 만족시키기 위해 도장방법에 대한 연구를 지속적으로 수행하고 있어, 상당한 성과를 보이고 있다.국내 배전용 변압기 개술개발 동향변압기 신뢰성을 국외 경쟁사 수준으로 향상시키기 위해 전력회사 뿐만 아니라 제조사의 노력으로 최근 들어 현장에서 운용중 고장이 발생하는 비율은 많이 감소되었으나 아직 만족할 수준은 아니다. 과거 5년 전까지는 배전용 변압기 관련 연구가 많지 않았으나, 최근에 많은 연구가 진행되어 품질수준이 점차 향상되고 있다. 전력회사에서는 환경적인 측면과 수명연장에 대한 관심을 보이고 있으며, 변압기 제조업체에서는 신제품 개발로 매출 증대를 위해 노력하고 있다. 해외시장에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 지속적인 연구개발이 필요하다.
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