배전설비의 열화진단 기술

서론 전력설비 지중화 확대에 따라 각 설비에 접속하는 케이블 단말부와 접속부에 EP 고무재료가 많이 사용되고 있다. 최근 장기간 가동중인 설비가 증가하면서, 경년열화 진행으로 오는 설비사고 증대가 우려되고 있다. 이에 대해 정확한 설비운영과 사고를 미연에 방지하기 위한 목적으로 예방보전의 관점에서 설비상태의 정확한 파악과 부재의 계획적 갱신을 진행할 필요가 있다. 또 점검으로 생기는 빈번한 정전은 안정적인 공급을 하기 어렵고, 각각의 재료에 대한 열화진단을 활선하에서 실시하는 기술이 불가결하다. 이번에 활선중인 절연고무 재료의 절연 열화진단을 행할 기술을 개발했기 때문에 그 개요를 소개한다. 전기 설비에 사용되는 유기 절연재료가 절연저하에서 파괴될 때의 대표적인 전조현상은 미세한 부분방전과 연면방전이다. 부분방전이 생기면 절연재료가 직접적으로 침식될 뿐만 아니라, 방전으로 생성된 오존, 활성산소 등으로 물리적, 화학적인 열화가 진행되고, 최종적으로 절연파괴에 이른다. 따라서 전력설비 단말부의 열화진단 기술 확립을 목표로 설비가동 상태에서 절연고무 재료의 부분방전을 검지하기 위해 이미 대형변압기, 차단기 등의 고압기기 진단기술로써 부분방전 계측에 사용되고 있는 Acoustic Emission(이하 AE)법의 절연고무 재료에 대한 적용성을 검토했다. 검토는 다음의 두 단계로 나눠 시행했다. 첫째, 모의로 결함을 만들어 시험체에 따른 부분방전 시험에 따른 AE법 검지성을 검증한다. 둘째, 가동중인 기계및 현장철거 재료에 대해 AE 계측을 실시하고, 방법의 유효성을 평가했다. 이에 따라 AE법의 현장적용이 가능해졌고, AE법에 따른 진단을 현장에서 간편하게 시행하기 위한 진단기 개발에 착수하고, 시작품을 현장 배비하여 한층 진단기능을 향상시켰다. 부분방전 시험에 따른 AE법 검증 고무 재료 중의 부분방전으로 발생하는 AE 특징을 확실히 하기 위해 모의 결함을 만든 시험체와 현장철거한 재료에 대해 교류전압을 인가하는 부분방전 시험을 실시하였다. 1. AE법 개요 종래의 부분방전 검출장치는 배전선로를 정지시킨 상태에서 시험전압을 인가해 절연재료의 보이드와 공극으로 일어난 부분방전 전하를 장치에 투입하여 진단하는 시험방법이다. 따라서 AE법은 AE센서를 활용하고, 방전으로 발생하는 고주파음파(AE파)를 검출하는 것으로, 활선 상태에서 진단이 가능한 시험방법이다. 2. 계측계 개요

AE법의 부분방전 계측계에 대해 각종 기기류의 구성과 블록도를 <그림 1>에 나타낸다. AE 센서는 그리스 등을 끼워 대상설비에 접속시킨다. 설비내부에서 부분방전과 연면방전 같은 현상이 생기면 AE파가 발생하고, 설비내부를 거쳐 외면에 설치된 AE파에 도달한다. 미세한 수신신호를 장거리 전송에 견딜 수 있도록 프리앰프로 증폭시키고, 그 증폭신호가 AE 시스템에 입력시켜 신호처리에 필요한 레벨까지 신호증폭과 불필요한 성분을 제거하는 필터링이 행해진다. 처리된 파형은 파형기록기에 표시됨과 함께 필요에 따라 기록된다. 3. 부분방전으로 인한 AE 특징 모의결함을 만든 재료와 결함을 일으켜 현장 철거된 다양한 재료에 대해 부분방전 발생시험을 행하고, 부분방전이 생길 때에 AE에 관한 자료를 모았다. 그 결과로 얻은 부분방전에 따른 AE 특징을 진폭 및 발생주기의 관점에서 설명한다. (1) 발생진폭

부분방전으로 발생하는 AE 진폭(크기)은 일어난 부분방전의 크기, 즉 부분방전 전하량과 강한 상관관계를 갖는다. <그림 2>에 몰드 동대모선 모의시험체에 직류전압을 인가했을 때의 부분방전 전하량과 AE 진폭의 관계를 나타낸다. 인가전압의 상승과 함께 부분방전 전하량은 증대하는데, AE 진폭도 이 같이 증대하는 것을 알았다. 따라서, 계측한 AE 진폭에서 부분방전 정도를 추측할 수 있는 가능성이 있고, 동일한 재료를 정점에서 관측하면 열화진행 평가도 가능하다. (2) 발생 주기성 고체절연체 결함에서 부분방전 발생주기는 전원주파수에 비례하고, 그 주기성은 전원주파수의 2배가 된다. 따라서 부분방전으로 발생하는 AE 또한 전원주파수에 관련된 주기성을 갖는다. <그림 3>은 지상용 변압기 로드 브레이크 엘보부의 접촉불량으로 방전현상의 AE를 측정한 파형이다. 상용전원 50Hz(0.02초 주기)의 +, - 전위 피크 부근에서 방전이 발생하는 것으로 100Hz(0.01초 주기)의 AE 파형이 검출된다.

<그림 4>에 모의결함이 있는 몰드 강대모선에 교류전압을 인가한 경우에 장소를 바꿔 계측한 AE 검파 파형을 나타낸다. 모든 경우에서 명료한 주기성이 보이고, 그 주기는 0.01초(100Hz)로 전원주파수의 2배다. 이것의 특징은 AE가 부분방전에 따라 발생하고 있는 것을 뒷받침해주는 것이고, 바꿔 말하면 발생주기를 조사하는 것이 AE법을 이용한 부분방전 진단에 필수 항목이다. 센서 위치에 주목하면 센서 위치가 결함에 가까울 정도로 AE가 진폭이 크게 계측되는 한편, 모의 결함을 만든 재료이어도 모의 결함에서 약 200mm 떨어지면, 이미 주기성이 있는 파형이 계측되지 않는다. 따라서 어떤 재료에 대해 여러 면에서 측정하고, 진폭 변화를 조사하면 대략 부분방전 발생 위치를 알 수 있다. 이같이 몰드 동대모선, 종단 절연재료, 절연마개, 고압 분기장치 말단(로드 브레이크 엘보) 등, 다양한 시험체를 이용한 기초시험의 결과, 절연고무 재료 내부의 결함에 의해 적어도 약 50pC 정도의 부분방전이 생긴 경우, AE법에 따라 검지가 가능하고 발생주기와 계측장소에 따른 진폭변화를 이용하면 신뢰성 있는 계측이 가능하다. 현장 검증 기초시험에서 얻은 자료를 바탕으로 다양한 부설조건, 부설시기, 제조시기별로 2000개 이상의 가동중 설비에 대해, AE 계측을 하고, 적용성 검증을 실시했다. 그 결과 30개 재료에서 전원 주파수 아닌, 그 2배의 주기성을 갖는 AE가 계측되어 부분방전이 생기는 것 및 AE법에 따른 부분방전을 검지할 수 있는 것을 확인했다. 또 이 재료를 사전에 수리하여 사고를 미연에 방지할 수 있다. 지금까지 현장 검증 결과, AE법으로 결함을 검지할 수 있는 가능성이 높다고 판단된 재료는 절연고무 재료인 몰드 동대모선, 로드 브레이크 엘보, 종단절연재료, 절연마개 외에 에폭시 수지재의 몰드 지스콘, 금속재인 고압가공 케이블용 접속체, 주상용 개폐기의 검지를 들 수 있다. 휴대용 진단기 개발 1. 휴대용 진단기 개요 지금까지 현장 검증에는 각 재료를 조합하여 사용했지만 보다 현장 데이터 취득을 얻기 위해 그 기능을 집약해서 작업성과 진단결과의 시인성을 향상시킴과 함께, 진단기술의 간소화 및 정확화를 도모하기 위한 휴대용 진단기 개발에 착수했다. 작업성의 관점에서 ① 프리앰프 내장형 센서 헤드 유닛 도입, ② 디지털 오실로스코프의 소형화, 조작성의 향상, ③ 기기의 배터리 구동화를 실현하고, 진단결과 시인성 향상 관점에서 ① 특정주기 성분 강도의 표시, ② 신호에 포한된 주기성의 도시, ③ PC에 따른 계측 스케줄·취득 데이터 관리에 중점을 두고 개발했다. 이 가운데 파형기록·해석용 하드웨어(FFT 분석기) 및 PC에서 데이터 관리 시스템에 대해서는 JFE 아드반테크 주식회사에서 실적인 회전기기 진동 진단용의 진동 데이터 관리 시스템을 베이스로 하여 개발기간 단축과 개발비용 저감을 도모했다.

개발품의 블록도를 <그림 5>에 외관도 및 사용상황을 <그림 6>에 나타낸다. 센서 헤드는 고압용 절연장갑 착용하에서 사용하고 협애부에서 센서 부착성을 고려하고, 현장에서 계측작업성의 의견을 기초로 하여 치수를 결정했다. 신호의 주기성 도식과 특징 주기성분 강도의 표시에 대해서는 AE 신호를 검파한 후에 AD변환하고, FFT에 의한 주파수 해석을 이용하고 있다. 검파처리에 의해 신호정보를 압축할 수 있기 때문에 보다 장시간의 데이터가 계측 가능하고, 주파수 스펙트럼에 있어서는 신호의 주기성만을 추출해 표시할 수 있다. 기존의 디지털 오실로스코프에 의한 파형관찰에는 파형형태에 주기성이 명확히 나타나지 않아 AE 검지를 판단하기 어려웠지만 현장에서 검파파형의 주파수 분석을 하는 하드를 도입함으로써 주기성분의 인지성을 대폭 향상시켰다. 현재 이 개발품 및 시작품을 현장에 이용하고, 진단성, 작업성 관점에서 AE법에 의한 전력설비 진단을 검증해가고 적용범위 확대를 꾀하고 있다. 2. 휴대용 진단기에 의한 진단사례 이 휴대용 진단기로 진단한 몇 가지 사례를 소개한다. 1. 고압가공 케이블용 접속체 배전선에 간헐적으로 지락현상이 검지되어 고압가공 케이블용 접속체의 진단을 휴대용 진단기로 실시했다. 3상 가운데 흑상에서 특징 주기성분이 검지되고, 장소를 바꿔 성분 강도를 조사한 결과, 절연 마개 부근에 손상이 있는 것으로 추측됐다. 따라서 고압가공 케이블용 접속체를 철거해 원인을 조사한 결과, 절연마개의 EP고무계면에 다수의 트래킹 자국이 보이고, 손상부위와 AE법에 의한 진단부위가 일치했다(<그림 7>). 가공선 재료는 햇빛의 영향을 받기 때문에 열화상 진단은 어렵지만, AE법으로 정확한 진단이 실시된 사례다. 2. 주상용 고압기중 개페기 절연저하가 일어난 고압기중 개페기에 대해 휴대용 진단기로 AE법에 의한 진단을 실시한 결과, 특정주기 성분을 검지했다(<그림 8>). 내부에 침수 점검을 실시했지만 이상이 확인되지 않아 상세조사를 실시한 결과, 개폐기 뚜껑 패킹부가 열화하고 기밀이 유지되지 않아 습기·결로에 의한 절연저하를 일으킨 방전현상이 발생한 것을 알았다. 이것은 미량의 수분 침입이 원인으로, 발생한 부분방전에 의한 AE를 직접 계측하는 AE법에 의한 이상을 발견한 사례라고 할 수 있다. 3. 배전탑용 단로기(몰드 지스콘) 배전선의 정기 순시시(점검시) 써모그래피에 의한 발열측정을 실시했다. 공급용 배전상자 내의 몰드 지스콘 1상에 변색이 보이고, 다른 것 보다 약 10℃ 높은 발열 현상이 검지되었기 때문에 AE법을 적용해서 가동전극 W상을 중심으로 몇 개의 측정점에서 계측을 실시한 결과, 각 측정점에서 특정주기 성분이 현저히 검지되었고, 특히 W상의 가동전극 말단부에서 최대치를 나타냈다(<그림 9>).

이 재료를 제외하고 내부를 조사한 결과 AE법에서 결과와 같이 통전경로가 되는 접속면 주변에 발열에 의한다고 생각되는 리크흔적과 변색이 보이고, 탑내의 결로가 원인으로 침수 리크에 의한 발열이 생겼다고 결론지었다. AE법에 의한 써모그래피 발열이 부분방전에 의한 것으로 확인되어, 철거 판단을 내린 사례다. 결론 전력 케이블 단말에 사용된 절연고무 재료의 열화진단을 행하기 위해 부분방전 검지기술로써 AE법을 검토하고 다음의 결론을 얻었다. ① 절연고무 재료중에 발생하고 있는 부분방전을 AE법으로 고감도로 검지가 가능하다. ② 교류설비의 부분방전과 함께 발생하는 AE는 전원 주파수 또는 그 2배의 주기성을 갖는다. ③ 절연고무 재료 자체의 열화뿐만 아니라 내부의 접속부에서 접속불량 등도 AE법으로 검지 가능하다. 한편, 다양한 설비의 열화진단 방법을 확립하기 위해서는 현장의 의견과 기초적인 의견을 융합하는 것이 중요하다. ④ 현장에서의 작업성과 결과 판독성 향상을 목적으로 해서 휴대용 진단기를 개발했다. 이에 의해 고감도 진단과 함께 결과를 수치로 표시하는 것으로 진단기술의 간소화 및 적확화를 꾀할 수 있다. 또, 진단 데이터를 수치화함으로 보수를 유지하고 데이터 관리, 설비의 이상관리 등이 가능하다. ⑤ AE법은 국소적인 계측정도가 뛰어나지만 광범위를 간편히 검사한다는 점에서는 부적한 면도 있다. 예를 들면 써모그래피같은 연면검사가 가능한 기술과 조합하여 보다 정확한 진단이 가능해질 것이다. 개발한 AE법으로 열화진단 장치에 의한 절연체 내부의 미세한 부분방전뿐만 아니라 연면방전 같은 비교적 큰 방전 현상도 무수히 발견되고, 이 장치가 열화설비의 정확한 개수와 사고방지 등 예방보전의 추진에 기여할 수 있다고 기대된다. 앞으로는 이미 실시하고 있는 개발품의 현장배치로 다종에 걸친 배전기재에 대해 이 장치의 유효성과 남은 수명진단의 지표 등, 현장데이터의 채취·축적과 분석에 대해 대처를 계속해나갈 예정이다.