유입변압기를 장기간 안정적으로 운전하는 데 있어 유지보수는 매우 중요한 문제이다. 본고에서는 배전용 6kV 유입변압기의 유지보수 방법을 거론하며 특히, 절연유의 열화 판정 및 교체시기에 대해 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
유입변압기에 대해
유입변압기에 대한 기초지식으로서 구조 및 주재료를 아래에 기술한다.
변압기의 구조
유입변압기의 내부구조는 [사진 1]에서 보이는 바와 같이 탱크 안에 권선과 철심이 있고, 그 주위를 절연유로 채운 구조이다.
철심
변압기의 철심재료에는 주로 전자강판이 사용된다. 전자강판이란 자력선을 통과하기 쉬운 물질 중에 경제적으로 유리한 철에 다양한 가공(합금원소로서 규소를 추가, 결정방위의 정렬, 자구의 폭 제어)을 실시하여 자기적 특성을 개량한 철판을 말한다.
권선
변압기의 권선재료에는 주로 알루미늄과 동이 사용된다. 양자 모두 환선(丸線), 평각선(平角線), 가늘고 긴 형태를 지니며, 크라프트지, 합성수지 에나멜 등으로 절연하여 사용한다.
절연유 · 절연유의 성능
변압기의 절연유는 JIS(일본공업규격)에 적합한 광유(鑛油)가 사용되며 아래와 같은 특성을 가진다.
1) 파괴전압이 높다. 2) 점도가 낮다. 3) 금속에 대한 부식성 물질을 포함하지 않는다. 4) 수분, 섬유질, 기타 부유물을 포함하지 않는다. 5) 응고점이 낮다. 6) 증발량이 적다
· 절연유의 열화현상
절연유의 열화현상은 공기 중의 수분 흡수 및 불순물의 혼입에도 기인하지만, 최대요인은 산화현상이다. 즉, 공기와의 접촉에 의해 절연유가 산화되고, 변압기의 온도상승, 구리·철 등의 금속과의 접촉작용, 절연니스의 용출 등에 의해 산화가 더욱 촉진된다. 기타 분해와 중합(重合, Polymerization) 등 화학반응에 의해 기름에 녹기 어려운 물질이 생성되어 이것이 철심 및 권선상 또는 탱크 내벽 및 바닥 부분 등에 침적하게 된다. 이 상태의 물질을 슬러지라고 하며, 절연파괴전압에는 직접 영향을 미치지 않지만, 권선 부분에 석출된 것은 기름에 의한 냉각을 저해하며, 방열기 및 탱크 측벽에 부착되어 기름의 냉각을 악화시킨다. 그리고 절연유 및 권선의 온도상승을 증가시켜 절연열화를 촉진시킨다.
유입변압기의 유지보수에 대해 변압기에는 용량·전압·냉각방식이 다종다양하며 제작연도에 의한 차이도 있다. 또한 사용환경(주위온도·습도·염해·먼지·특수가스 등), 변압기가 계통에서 차지하는 중요성 등 그 설치조건도 다양하다. 따라서 변압기의 유지보수는 각각의 변압기에 적합한 내용으로 운전개시 직후부터 실시하고 사소한 변화도 놓치는 일 없이 일상의 운전에서도 충분한 주의를 기울여 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다. 여기서는 유입변압기의 중요 요소인 절연유를 중심으로 유지보수에 대해 설명한다.
유지보수 시의 주의사항 · 일반 주의사항 1) 유지보수작업 시에는 위험성이 큰 작업을 동반할 가능성이 있기 때문에 사전에 작업계획과 공구·재료를 준비한다. 2) 사전에 면밀한 계획을 세워 안전과 기기보전에 충분한 주의를 기울여 실시한다.
· 충전부에 접촉하는 작업의 경우 1) 차단기와 단로기의 개방을 확인하여 그 기기가 회로에서 분리되어 있음을 확실하게 체크 한다. 2) 회로전압에 적합한 검전기로 무전압 상태임을확인하고 공사용 접지를 실시한다. 3) 작업구획을 명확히 하고, 조작반에 ‘작업 중’ 표시를 하는 등의 실수를 하여 통전하는 일이 없도록 감독자를 두어 감시한다.
유지보수의 종류
유지보수에는 이하의 종류가 있다.
· 설치 시 및 운전개시 직후의 유지보수 · 일상 유지보수 · 정기 유지보수
상기 작업 중 내부의 유지보수를 필요로 하는 경우는 제조업자와 상담한다. 또 자사에서 내부 유지보수를 실시하는 경우는 내부에 이물질을 혼입되지 않도록 세심한 주의를 기울여 만전을 기한다. 공구류는 끈으로 묶는 등 대책을 세운 뒤 사용한다. 또 작업 전후에 인원수 확인을 철저히 한다. · 설치 시 운전개시 직후의 유지보수 운전개시 직후는 특히 이하의 항목에 주의하여 유지보수를 실시한다. 1) 소리·진동 2) 냄새 3) 변색 4) 온도 및 유면(油面)
· 일상 유지보수 일상 유지보수란 운전 중 외관 및 계기류에 의해 변압기의 상태를 확인하여 이상 징후가 발견되면 적절한 조치를 취해 그 확대를 조속히 방지하기 위한 것이다. 유지보수의 방법은 육안, 여자진동의 이상음 여부, 이상 취기(臭氣)의 유무 등 오감을 사용한 확인으로 이상을 조기에 발견하는 것이 중요하다. 일반적인 일상 유지보수의 항목은 아래와 같다.
1) 운전상황 2) 변압기 온도 3) 소리·진동 4) 냄새
5) 절연유 6) 오일(기름) 열화 방지 장치 7) 외관
· 정기 유지보수 정기 유지보수는 변압기의 정상운전을 유지하기 위해 어떤 일정기간별로 정전하여 실시하는 방법으로 일상 유지보수에서는 실시 불가능한 개소(통전부분 등)를 주 대상으로 조사하여 이상유무를 확인하는 것이다. 유지보수의 주기는 변압기를 새로 도입한 경우 운전개시로부터 2~3개월 후에 실시하며, 그 상태를 파악한 뒤 1~3년에 1회 실시가 바람직하다. 일반적인 정기 유지보수의 항목은 아래와 같다.
1) 절연유 2) 탭 전환장치 3) 오일 열화 방지 장치 4) 탱크·방열기
5) 부싱 6) 온도계 7) 유면계 8) 각 부품의 패킹 · 부속품의 교체권장시기 변압기를 구성하는 부품 및 부속품은 변압기의 정상적인 운전을 유지하기 위해 그 상태에 따라 교체 작업이 필요하다. 교체 시기는 각종 사용조건에 따라 달라지지만, 유지보수 시에 이상이 발견된 경우 외에는 통상 [표 1]에 준하여 실시하는 것을 권장한다.
절연유의 관리 및 교체
절연유 관리 시 채취방법과 열화판정 및 교체에 대해 아래에 기술한다.
· 절연유의 채취 절연유 관리 시에는 대상 변압기에서 절연유를 채취한다. 채취 시에는 그 시료에 수분·먼지 등의 이물질이 혼입되지 않도록 충분한 주의가 필요하다. 혼입 시 이 소량의 이물질들에 의해 절연유의 특성이 대폭 변화하게 되어 시료의 정확한 값을 측정하기가 어려워진다. 시료를 채취할 시 사용하는 용기는 유리병 또는 캔 등을 사용한다. 용기는 탈지·세정하여 충분히 건조시키고 수분이 들어가지 않도록 마개를 꼭 막아서 보관해둔다. 용기에는 수분·먼지·용제· 녹·기름·산 등이 부착되지 않도록 각별히 주의해야 하며 채취 시에는 시료로 1~2번 세척해주면 좋다. 시료의 채취장소는 원칙적으로 본체 바닥부분 기름의 검유(檢油) 또는 배유 밸브에서 취한다. 채취구가 더러워졌을 경우에는 약간의 기름을 흘려 씻어낸 후에 채취한다.
· 절연유의 열화판정 및 교체 기준 절연유의 열화판정 방법으로는 기존의 파괴전압 측정 외에 전산가·체적저항률·tanδ·계면장력 등의 측정이 있다. 보수 면에서는 파괴전압·전산가를 측정하고, 측정결과가 이상으로 나온 경우 성능시험을 실시하여 판정한다. 열화도를 확실하게 판정하고 싶은 경우에는 각각의 값을 측정하여 종합적으로 판단하는 것이 바람직하다. 본고에서는 일반적인 열화판정법인 전산가 및 내부 이상진단에 대해 아래에 기술한다.
1) 전산가(全酸價, Total Acid Number) 전산가란 유중의 산성 성분의 총량을 말하며, 일반적으로 열화 진행에 따라 증가하는 경향이 있다. 전산가 0.2까지는 슬러지의 발생이 거의 없지만, 0.2 이상이 되면 슬러지의 발생이 순차적으로 진행되고 0.4 정도를 초과하면 급속하게 진행된다. 일반적으로 연평균 0.02 정도 증가하게 되는데 이 값은 기기의 형식·보수의 정도·설치장소 등에 따라 차이가 있으며 대략적인 경향을 나타내는 것이다. 또 온도에 따라서도 상당한 영향을 받는다. 절연유의 교체 기준은 [표 2]를 따르는 것이 바람직하다.
2) 변압기의 내부 이상진단 a) 유중가스 분석 변압기 내부 이상진단의 방법으로 유중가스 분석이 있다. 변압기 내부에 국부적인 과열 등 이상이 발생하면 이러한 열원과 접하고 있는 절연지 등의 절연물이 열에 의해 열화·분해된다. 절연물의 열열화(熱劣化)는 일반적으로 화학반응에 의한 가스를 발생시키고, 이 가스가 절연유 중에 용해, 거품화되어 일부 유면상(油面上)의 공간에 방출된다. 유중가스 분석에 의한 이상진단은 이 용해된 가스들을 가스 크로마토그래프에 의해 분석하고 △가스 성분 △발생량 △경년적 변화 등의 조사를 실시해 이상의 종류 및 진전 정도를 판정하는 것이다. 이상의 종류와 발생가스와의 관계를 [표 3]에 나타냈다. 판정 기준은 산출 조건 등 고려해야 할 사항이 많기 때문에 제조업자와 상담하는 것이 바람직하다. 특히, 일산화탄소(CO)에 대해서는 공기 밀폐식 변압기의 경우 많이 발생될 수도 있지만, 통상의 운전에서도 절연물의 열열화에 따라 경년적으로 발생하는 유중가스 분석이라는 점에서 CO 생성량만 많은 경우를 두고 반드시 이상이 있다고 볼 수는 없다. 또한, 이 유중가스 분석은 보수 관리상 분석을 정기적으로 실시하고 경과를 관찰하기 때문에 사고를 미연에 방지하는 데 효과적이다.
b) 유중 푸르푸랄량 및 CO₂+CO량 측정 유중가스 분석 외에 내부 이상진단 방법으로서 「푸르푸랄량 및 CO₂+CO량 측정」이 있다. 이것은 유중의 「푸르푸랄량 및 CO₂+CO량」을 측정·분석함으로써 내부 절연지의 평균 중합도를 측정하는 진단법이다. 절연지의 기계적 강도가 경년에 의해 저하되면 섬유에 보풀이 일고 평균 중합도의 값이 초기값의 약 절반으로 줄며 접힌 부분에서 균열이 발생한다. 기준으로서 평균 중합도가 400~600(평균 중합도 잔율이 40~60%)이 되면 잠재적 파손 확률이 높아지게 된다. 내부 절연지의 이상 진단으로는 효과적인 방법이지만, 절연유를 교체한 경우 판정이 어려워진다는 단점이 있다. 평균 중합도와 CO₂+CO량 및 푸르푸랄량의 관계를 [그림 1, 2]에 나타냈다.
절연유 교체 시 유의사항
절연유 열화 판정에서 절연유 교체의 필요성이 생겨 부득이하게 현지에서 교체를 하는 경우 아래의 사항에 유의하여 교체작업을 실시한다.
1) 교체에 사용하는 새로운 기름은 JIS C 2320 2호에 적합한 광유를 사용한다. 2) 절연유의 교체는 수분이 침투하지 않는 실내에서 또는 맑은 날에 실시한다. 3) 유입변압기 탱크 안에 공구류 및 볼트 등을 떨어뜨리지 않도록 주의한다. 4) 커버 및 핸드홀 커버에 열화 및 균열이 생긴 경우 교체를 실시한다. 5) 주유 후 하루 이상 방치한 다음 통전한다.
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