변압기 부분방전 진단기술 최신 동향

한국전기연구원 전력설비진단연구그룹_강동식 그룹장 선종호 박사 (055)280-1114 / www.keri.re.kr 개요 국내의 경우 1960년대 후반부터 경제개발 계획의 추진에 따라 각종 산업이 급격히 발달되면서 전력수요 급증에 따른 전력설비의 설치가 많아졌다. 현재 이들 설비 중 일부가 노후되면서 예상하지 못한 설비사고 발생 가능성이 점차 늘고 있다. 전기기기는 장기 사용하게 되면 기기 수명을 평가하는 주요지표인 절연물이 열화 진전되어 파괴되는데, 특히 발전 및 변전설비는 매우 중요한 기간설비이므로 고압 절연물에 대한 정확한 판단이 필요하다. 이를 토대로 설비 유지 보수 계획을 수립하게 되면 경제적인 설비 운용이 가능해진다. 현재 유지 보수 및 예방정비 기술 분야의 세계적 추이는 일본, 미국 및 캐나다를 비롯한 선진국을 중심으로 상태기준 보수(Condition Based Maintenance) 개념이 도입, 활성화 단계에 있다. 이것은 기기를 정밀진단 분석하여 잔여수명을 평가하고 적절한 대체계획을 수립하여 설비 보수 유지의 신뢰도를 향상하고 설비 품질의 고도화를 달성하기 위하여 실시된다. 이러한 진단기술은 기기의 열화현상 및 이상 현상으로 진전되는 특성을 측정하여, 향후 발생이 예상되는 이상을 조기에 발견하는 것을 목적으로 한다. 전력설비에 이용되는 고압 변압기의 대부분은 유입변압기다. 유입변압기의 수명은 절연재료 뇌서지 및 개폐서지의 이상전압, 외부단락의 전기적ㆍ기계적 스트레스에 의한 열화, 과부하로 인한 열 열화에 의해 결정되는데, 파괴 위험도가 증대할 시점에 대한 열화문제를 고려하는 것이 예방보수 차원에서는 매우 중요하다. 또한 최근 전력수요에 있어 도심지역을 중심으로 증가하고 있는 변전설비에 대한 방재성, 안전성 요구가 높아지고 있다. 이러한 설치 조건을 만족하기 위해 기존의 유입변압기 대신 난연성 변압기인 몰드변압기의 수요가 증가하고 있고, 적용 범위 확대를 위한 기술개발이 진행되고 있다. 에폭시 수지 등의 합성수지로 제작되는 몰드변압기 주요 부분은 고체절연물로 구성되어 높은 초기 절연 성능을 지니지만, 절연물 내부 상태의 육안점검 또는 상태분석 등이 아직은 곤란한 실정이다. 그러므로 기기 제조공정의 품질관리 및 기기 보수점검의 관점에서 기기 내부 상태를 외부로부터 정밀하게 진단하는 기술이 매우 중요하다. 특히 고압 변압기에서 발생되는 열화 요인으로는 고온 운전 및 외부단락에 의한 열적 열화, 기계적 손상 그리고 부분방전 열화가 대표적이다. 이런 열화 요인에 의하여 변압기의 전기적 성능과 기계적 성능이 저하되며, 그 결과 변압기에서는 기계적 강도 저하, 진동 증가 및 가연성 가스 등이 발생되어 최종적으로 절연파괴로 이어진다. 유입변압기 부분방전 진단기술 유입변압기에는 각종 재료가 이용되고 있지만 전기적 성능 면에서 절연유, 절연지, 프레스보드 등의 절연재료 열화가 주요한 문제로 지적되고 있다. 이러한 절연재료 열화 지표로는 유중 용존가스 변화, 절연유 특성변화, 중합도 저하, 진동 및 소음 증가, 부분방전량 증가 등이 대표적이다. 여기에서는 이들 절연재료 부분방전 열화형태와 최근 진단기술에 대하여 고찰하고자 한다. 1. 유입변압기의 부분방전 열화 특성

[그림 1] 교류 유중 부분방전특성의 대표적인 예

실용적으로 유중 부분방전이 문제가 되는 것은 절연유와 고체절연물과의 직렬구성에서 오일 갭(Oil Gap)이 부분적으로 절연파괴되는 경우다. <그림 1>은 교류 유중 부분방전특성의 대표적인 예다. 이 경우 우선 귀나 눈으로 검지할 수 없는 수 천 pC의 간헐적인 부분방전이 시작되어 전압을 올리면 소리나 빛을 수반한 연속방전으로 이어진다. 이 방전은 같은 전극구성의 기중절연의 경우에 비하여 방전전하량이나 에너지가 104 ~ 106 pC 정도로 크다. 일단 방전이 시작되면 절연유의 분해가스가 발생하고 복합 절연계의 경우, 분해가스가 잔존하기 때문에 기포 중의 방전도 동시에 발생하여 방전 개시전압이 큰 폭으로 저하된다. 또 <그림 1>과 같이 전압이 일정해도 절연물 손상 정도가 계속 변하기 때문에 방전형태는 시간에 따라 변하기 쉽다. 유중 부분방전 개시전계는 오일 갭 길이의 증가에 따라 저하되며, 시험 시 전극구성이나 유중의 불순물 질량에 의해서도 영향을 받는다.

[그림 2] 유침지의 절연파괴 전계와 밀도 관계

유침지 단독의 절연특성은 <그림 2>와 같이 절연지 밀도(셀룰로오스 섬유의 점적률)에 의해 크게 변하며, 증가하는 전압파형에 의해서도 변한다. 또 시험 시 전극구성과 함침 절연유 특성, 절연지의 질과 양에 의해서도 영향을 받는다. <그림 2>의 파괴전계를 부분방전 개시전압과 같은 의미로 해석하면 부분방전도 전압 종류에 따른 개시전압 변화경향을 따른다고 할 수 있다.

[그림 3] 부분방전의 시간변화 특성

<그림 3>은 유침 절연 인가시간에 따른 부분방전 수량의 변화특성을 나타낸 것으로, 유침 절연이 파괴되기 전 부분방전 크기는 급격히 증가하지만 그 수는 오히려 감소한다. 이는 열화과정에서 부분방전 수가 증가하지만, 절연파괴 시에는 오히려 그 수가 감소하면서 소수의 큰 방전에 의하여 파괴되기 때문이라고 생각할 수 있다. 유중 부분방전에 의한 고체절연물의 손상은 방전에 의한 침식 또는 트래킹 발생 외에 고체절연물에서 분해가스 발생에 의한 것이다. 절연지 유중 부분방전에 의한 손상은 두께 방향(관통방향)의 절연파괴와 횡 방향(연면방향)의 Strema 침식으로 구분할 수 있는데, 일반적으로는 후자가 일어나기 쉽다. 연면방향으로 Strema가 신장되면 분해가스의 미소 기포 때문에 방전이 일어나 탄화흔적이 남게 된다. 얇은 크라프트지가 중첩되어 감긴 절연에서는 첫 번째 층의 표면보다 두 번째 층이 심하게 손상되는 것이 많다. 이것은 종이의 표면에서 발생한 가스는 쉽게 증발하지만, 종이 안쪽에서는 가스가 잔류하기 쉽기 때문이다. 일반적으로 유중 부분방전에 의한 재료열화는 건식 절연 기중 부분방전에 비해 발생하는 시간이 매우 짧다. 하지만 유침지층 내부에서의 방전과 같이, 분해가스가 잔류하기 쉬운 장소에서는 단시간 내에 기중 방전으로 이행되므로 가스가 증발하기 쉬운 장소보다도 오히려 열화속도가 지연될 수 있다. 전압 인가에 의하여 액체 중에 기포가 생겨 파괴되는 경우 전계가 인가되었을 때 기포가 일정 체적조건을 유지하며 가늘고 길게 신장된다. 이 때 기포에 의한 전압강하가 기포 내 기체에 대하여 파센(Paschen)곡선의 최소값이 되었을 때 절연파괴가 생긴다고 가정하면, 이 절연파괴 EC는 다음과 같이 부분방전 현상으로 나타나게 된다. (단, σ는 액체의 표면장력, γ는 기포의 초기 반지름(球라고 가정했을 때), Vb는 기포 내의 전압강하, ε1, ε2는 액체와 기포내기체 유전율) 또한 액체 중에 혼입되어 있는 고체 및 액체와 같은 불순물때문에 파괴되어 부분방전이 발생하는 경우가 있다. 이와 같이 부유입자가 혼입되어 있을 때는 부유입자가 전계방향으로 길게 뻗어 전극을 교락시키게 되어 절연파괴에 이른다. 불순물이 수분과 같은 액체일 때 부유입자가 불안정해지는 전계강도는 입자표면에 작용하는 힘(표면장력, 전계에 의한 힘, 액체의 압력)의 평형조건에 의해 다음과 같은 수식으로 정리된다. (단, σ는 표면장력, ε은 시료의 유전율, R은 부유입자의 반지름) 이상과 같이, 유입식 변압기 부분방전은 절연유 절연지의 복합 절연물 또는 각각의 단독 절연물 내에서 다양한 결함에 의해 발생하며, 절연물이 점차 열화됨에 따라 부분방전 크기나 수가 변화하는 것으로 보고되고 있다. 2. 유입변압기의 부분방전 진단기술 앞서 언급된 부분방전 열화요인을 파악하여 예방보수를 하기 위해서는 진단이 필요하다. 여기에서는 대표적인 진단기술에 대하여 알아보도록 한다. ⑴ 유중가스 분석에 의한 진단 변압기 내부에 국부적인 가열 및 부분방전이 발생하면 절연유 및 절연지가 분해되면서 여러 종류의 가스가 발생한다. 이 분해가스는 절연유에 용해되므로, 유중 용존가스를 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)로 분석하여 가스 성분, 발생량, 경시변화를 파악하여 변압기 열화 진전 상태를 판단할 수 있다. 유중가스 분석 진단장치에는 가스 크로마토그래피 외에도 수소가스 상시 감시장치와 다종류가스 자동분석장치 등이 있다. 일반적으로 분석 대상가스는 다음의 9종류 ‘O2(산소), N2(질소), H2(수소), CH4(메탄), C2H6(에탄), C2H4(에틸렌), CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소)’지만, 필요에 따라서 C3, C4계 탄화수소가스도 분석하기도 한다. 변압기 이상에 따른 발생가스 성분을 <표 2>에 나타냈다. 표에서와 같이 절연유중 방전에 의해 나타나는 특징 가스는 수소(H2)와 아세틸렌(C2H2)가스인데, 특히 수소가스는 부분방전과 같은 저에너지 방전에서 나타나는 가스로 잘 알려져 있다.

[표 1] 유입변압기 이상에 따른 발생가스 성분 주) * 표시는 특정발생 가스를 나타냄

<그림 4>는 실제 부분방전에 의해 고장이 발생한 유입식 변압기 유중가스 분석 데이터 중 가로축의 5가지 유중가스 농도의 합에 대한 각 가스 구성률이다. 이 그림에서도 나타나 있듯이 부분방전에서는 수소가스가 다른 가스에 비하여 월등히 높은 비율을 보이고 있다.

[그림 4] 부분방전에 대한 5가지 유중가스 농도의 구성률

⑵ 전기적 펄스 측정에 의한 진단 변압기 중대사고 중 한 가지인 절연파괴 사고는 그 전구현상으로서 부분방전 현상을 수반하는 경우가 많다. 부분방전에 의하여 절연물이 열화되면 절연 파괴 위험성이 높은 지점의 수명을 고려해야 한다. 부분방전에서 절연물 수명은 그 크기와 절연구조 및 전계 값에 의해 영향을 받기 때문에, 부분방전을 검출하면 절연파괴에 도달하지 않는 상태에서 변압기 절연구조의 이상을 검출할 수 있다. 이러한 효용성 때문에 현재 그 적용이 깊이 있게 연구되고 있다. 설비내부에 부분방전이 발생하면 펄스성 전류가 나타나는 동시에 가청주파수로부터 초음파에 걸친 광범위한 주파수 분포를 가진 음파가 발생한다. 이에 따라 부분방전을 검출하는 방법으로는 펄스전류를 중성점 접지선에 붙인 로고스키 코일(Rogowski Coil) 및 부싱 탭(Bushing Tap)으로부터 검출하는 ‘전기적 신호검출법’과 절연유를 통하여 전파되는 초음파를 변압기 외함 벽에 부착한 초음파 마이크를 이용한 음향법으로 검출하는 ‘기계적 신호검출법’이 있다. 이런 전기적 신호검출법과 기계적 신호검출법을 병행하여 실시하면 부분방전의 위치탐지도 가능하다. ① 전기적 신호(펄스전류) 검출법 대상 절연물에서 부분방전이 발생하면, 발생개소에 미소한 펄스성 전압변화가 일어난다. 이것을 전기적인 회로에서 검출하기 위한 부분방전 측정회로는 다음과 같은 4가지의 기본적인 조건을 구비해야 한다. ㈎ 대상 절연물(기기) ㈏ 검출 임피던스(Impedance) ㈐ 결합 콘덴서(Condenser) ㈑ 측정기기 또한 전압을 인가하는 고전압 전원과 전원으로부터의 잡음을 제거하고, 절연물에서 발생한 부분방전펄스가 전원측으로 유입하는 것을 방지하는 임피던스 또는 필터를 통상 설치한다. 변압기 내부에서 발생한 부분방전에 의한 펄스전류를 외부에서 검출하는 부분방전 측정회로의 예를 <그림 5>로 나타냈다. <그림 5> ⒜와 ⒞는 부분방전 시험회로로 접지된 변압기에서 사용할 수 있으며, ⒝는 비접지 변압기에 사용할 수 있다. 접지된 변압기의 부분방전 측정은 ⒞의 결합 콘덴서를 설치하여 측정하는 방법이 많이 이용되고 있다.

H, H' : 고압권선단자, L : 저압권선단자 Zd : 검출 Impedance, Ck : 결합콘덴서 [그림 5] 변압기 부분방전 측정회로

문헌에 의하면 유침 크라프트지에 손상이 인정되는 부분방전 전하량은 1,000pC 정도며, 100pC 정도에서는 손상이 없거나 아주 적은 것으로 보고되고 있다. 또한 유중에 존재하는 기포의 부분방전량은 100pC 또는 그 이하다. 기포의 부분방전은 그것이 그대로 유지되는 한 실제적인 피해는 없는 것으로 알려져 있다. 변압기에서 부분방전 크기가 증가하면 파괴에 이르는 시간이 빨라진다는 연구결과가 나와 있다. ② 음향(초음파)적 측정법 변압기 내부에서 부분방전이 발생하면 이것에 수반하여 초음파가 발생한다. 이 초음파는 변압기 내매질을 통해 압력진동파로 변압기 탱크 내부 혹은 탱크 외벽에 설치한 초음파 센서에 입력되고, 입력된 음향적 신호를 전기적 신호로 변환, 증폭시켜 전기적 부분방전량과의 상관관계를 통하여 부분방전량을 측정할 수 있다.

[그림 6] 초음파 측정회로 구성

초음파 측정회로는 일반적으로 <그림 6>과 같이 초음파 검출부인 센서, 앰프, 필터 및 기록계로 구성된다. 이러한 측정회로는 초음파 센서를 변압기에 부착하는 치공구를 포함한 ‘검출부’, 센서에서 입력된 초음파를 적정 크기 및 주파수 대역으로 증폭시키고 필터링(Filtering)하여 판정에 필요한 초음파 크기 및 평균값 등의 여러 가지 특성을 측정하는 ‘판정부’, 오실로스코프 및 기록계 등으로 출력을 기록할 수 있는 ‘기록부’로 구성된다. 부분방전에서 발생되는 초음파는 미소신호이기 때문에 측정 시 센서부착이 매우 중요하다. 서로 다른 두 물질의 경계에서는 투과 및 반사현상이 일어나므로, 접촉 불량 시 센서와 취부 벽면과의 경계면에 공기층이 존재하여 초음파의 전달을 막거나 크게 감쇄시켜 측정을 곤란하게 한다. 그러므로 센서를 취부하기 위해서는 ‘Bolt-Nut 고정법’ 또는 ‘자석식 고정법’과 같은 취부금구를 제작하여 센서를 설치하는 것이 일반적이다. 또한 초음파센서와의 부착면에서 계면 초음파 전달특성을 좋게 하기 위하여 부착면에 돌기 등을 제거하고 평활성을 유지해야 한다. 계면에는 일반적으로 공기층을 배제하고 전달특성을 확보하기 위해서 실리콘유, 광물유, 그리스, 전분풀, 합성풀, 글리세린 등을 칠한다. 부분방전 발생 시 초음파를 측정한 보고자료에 따르면, 초음파센서는 부분방전 측정감도가 좋은 공진주파수 대역이 있는 것으로 보고되어 있다. 부분방전이 발생하는 함침재인 경우에는 75㎑ 부근 주파수가 많은 것으로 알려져 있으나, 변압기 같은 설비에서는 자계로 인한 철심의 진동현상에 의해 고주파 초음파 잡음이 발생하므로 100~200㎑ 부근의 고주파 영역에서 측정하는 것이 좋다. 파장의 전파속도를 계산한 결과 공기 중에서는 340m/s, 수중 또는 유중에서는 1,400~1,500m/s, 금속 중에서는 6,000m/s 등 재질에 따라 다르게 나타나므로, 이를 이용하여 부분방전 발생위치를 추정할 수 있다. 특히 부분방전 시험에서 전기적 펄스전류 측정과 초음파 측정시험을 병행하면 부분방전 발생위치 탐지가 가능한 것으로 보고되고 있다. 일반적으로 부분방전 발생위치 측정은 현지에서 노이즈 대책 등으로 ‘전기적 측정법’과 ‘음향적 측정법’을 조합하여 사용한다. 위치측정에는 3개 이상의 음향센서가 필요하지만 위치를 변경하여 3회 이상 측정해도 가능하다. <그림 7>과 같이, 전류펄스와 각 음향센서의 검출펄스의 검출 지연 시간을 Ti, 초음파 전달속도를 Vo라 하면, 다음 식과 같은 연립방전식이 성립한다.

[그림 7] 위치측정을 위한 측정회로 구성

여기서, (Xi, Yi, Zi) : 각 센서설치 위치 좌표 (Xo, Yo, Zo) : 부분방전점의 좌표 Vo : 약 1,400m/s(유온에 따라서 변화) 위의 연립방정식을 풀면 부분방전 발생지점의 위치를 구할 수 있다. 실제 탱크 내 구조물 등의 영향 때문에 계측오차가 발생할 수 있지만, 여러 번 측정하고 그 값을 평균 처리하여 측정정도를 향상시킬 수 있었다. ③ 변압기 권선에서의 방전신호전송 특성 유입변압기 권선에서 방전원 위치와 응답특성을 보여주는 연구결과에 의하면 부분방전 크기는 발생위치에서 멀어짐에 따라 지수적으로 감소하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 접지선에서 부분방전 크기를 측정하는 접지선 측정법은 권선 상에서 방전이 발생되는 위치에 따라 측정된 결과가 달라지므로, 이러한 방법은 방전의 크기보다는 방전의 발생유무를 확인할 수 있는 것으로 만족해야 한다. 또한 이 방식에서는 외부 잡음의 영향에 따라 방전 측정 결과의 신뢰성이 좌우되므로 외부 잡음에 대한 대책방안이 필요하고, 방전 발생 가능성이 높은 고전압 부분이 측정 점에서 가장 먼 거리에 위치하기 때문에 감쇠의 영향을 가장 많이 받게 된다는 것도 고려해야 한다. 그러나 이 방식에 의해 측정되는 신호의 전송 지연시간은 무시될 수 있을 만큼 작기 때문에 초음파 측정법과 함께 사용하게 될 경우 방전발생 기준 시점으로 사용할 수 있어 위치표정에 대한 정보를 제공할 수 있다. 몰드변압기 진단기술 몰드변압기는 ‘철심 및 코일이 절연유 중에 함침되지 않고, 권선의 전 표면이 수지 또는 수지를 포함한 절연재료로 쌓여진 변압기’로 정의되며, 최근 다음과 같은 특징을 지니는 것으로 나타나고 있다. ① 권선을 소화성이 있는 내열성 에폭시 수지로 몰딩하기 때문에 발화 가능성이 적으며, 만약 화재가 발생해도 폭발위험이 없어 건축물에서 소방 설비를 고려해야 하는 중요한 설비에 적합하다. ② 권선이 에폭시 레진으로 진공상태에서 주형몰딩하게 되므로 흡습, 오손 및 먼지 등의 영향이 적고 코일의 이완이 발생하지 않아 보수 점검이 간단하며, 변압기의 소형화 및 경량화가 가능하다. ③ 권선 위에 진공 상태로 에폭시 수지가 주형 몰딩되므로 정상적인 제품인 경우 ‘부분방전 발생개시 전압’이 높아 초기 운전 상태에서 부분방전에 의한 변압기의 파손위험이 많이 배제된다. ④ 에폭시 수지로 몰딩되어 기계적 강도 및 내진성이 우수하며, 단락 기계력에도 안전율이 높다. 1. 몰드변압기 열화 특성 몰드변압기 열화는 권선 절연에서 일어나며 권선 절연특성에 크게 좌우된다. 몰드변압기 권선 절연시스템은 내부의 도체와 이를 둘러싸는 에폭시 수지로 몰딩된 절연재에 의해 이루어진다. 일반적으로 이러한 몰드변압기의 권선은 사용 중에 상시 운전 시 전압과 뇌 전압, 침입서지 등 전기적 스트레스를 받는다. 또한 절연시스템은 일반적으로 전기 절연뿐만 아니라 기계적 구조물로서의 기능도 포함하고 있기 때문에, 기계적 지지에 의한 응력 단락 시 전자력 및 온도변화에 의한 열응력 등 기계적 스트레스를 받는다. 절연시스템은 기기의 종류 등에 따라 그 상황이 다르지만 습기와 오염 혹은 약품, 특수 분위기 등의 여러 가지 환경 하에서 사용되며, 이러한 환경도 정도에 따라 절연열화의 요인이 된다. 이상과 같이 몰드변압기에는 운전 중에 전압, 열, 기계력, 환경 4종류의 열화요인(열화 스트레스)이 가해진다.

[표 2] 몰드변압기 절연시스템의 절연열화와 진행 프로세스

<표 2>는 몰드 절연의 열화 현상을 요인별로 그 원인과 진행 프로세스를 나타낸 것이다. 이런 절연 열화는 각각 단독으로 일어나는 경우도 있지만, 일반적으로는 복합적으로 작용하므로 강한 관련성을 지닌다. 즉, 기계적 열화인 응력이 절연물에 가해지면 그 열화로 인하여 크랙 등과 같은 여러 가지 보이드가 발생되고, 이들은 전압열화인 부분방전 열화의 원인이 된다. 몰드변압기의 절연물에 열 스트레스가 가해지면 재료가 산화되거나 열분해로 진행된다. 물리적 특성 변화로는 기계적 강도 저하와 절연표면 흡습성 증대 등의 현상이 나타난다. 한편 절연물에 기계적 스트레스가 가해지면 크랙 및 박리 형태로 진전되어 열화되며, 열화 진전 정도가 큰 경우에는 구조물로서의 기능을 잃게 된다. 또한 크랙과 박리가 작더라도 운전전계가 높은 경우, 이것이 전압열화의 하나인 부분방전 열화의 원인이 되기도 한다. 몰드변압기의 절연시스템에 전기적 스트레스가 가해진 경우 열화로는 부분방전열화가 알려져 있다. 부분방전 열화에서 절연물 중 보이드, 이물과 돌기 등이 열화 원인이 되는데, 이와 같은 열화의 원인이 기기의 제조 과정에서 생성되지 않도록 하는 것이 제일 중요하다. 몰드변압기 절연시스템에 환경 스트레스로 가해지는 열화인 습기 및 오염 등의 영향으로 전기적 스트레스와 복합열화를 일으키는 트래킹 열화도 많이 발생된다. 이 열화 진전현상은 [진애 등 오손물의 절연물에의 부착 및 습기에 의한 흡습] → [절연저항 저하] → [누설전류 증대] → [불꽃방전] → [트래킹 진전]으로 나타난다. 이와 같은 열화 현상의 방지 대책으로 환경조건의 개선, 충분한 연면거리 확보 및 트래킹성이 우수한 재료 사용 등 여러 가지 방법이 강구되고 있다. 2. 몰드변압기 진단기술 일본에서는 몰드변압기의 경우 일반적으로 순시점검 시 다이얼 온도계의 지시치 등을 기록해 두고, 점검 시에 절연저항 측정 등 절연측면에서 체크를 실시하고 있는 경우가 많다. 최근에는 몰드변압기 운전 상태 감시 및 진단에 관해 검토하고 있다. 즉, 기기의 열 및 절연상태를 운전 상태에서 자동 감시하는데, 열적 요인의 감시로는 경보 접점 부착용 온도계에 의한 온도 감시가 있으며 절연적 요인의 감시로는 누설전류 감시 장치 등이 검토되고 있다. ⑴ 몰드변압기에 적용 가능한 자동감시 항목 일본에서 검토된 몰드변압기용 자동감시 대상을 <표 3>에 나타냈다.

[표 3] 몰드변압기 자동 감시 방법

⑵ 현재 몰드변압기 진단기술 일본에서 몰드변압기 절연상태를 진단하는 방법은 <표 4>와 같다. 이들은 전기적 측정법과 비전기적 측정법으로 대별된다.

[표 4] 몰드변압기 진단기법

최신 변압기 부분방전 진단개발 기술 소개 1. 해외 현황 몰드변압기를 사용하는 일본의 경우 그 진단기술 향상 방안으로 아래와 같은 기술 개발에 노력하고 있다. ⑴ 이상 현상의 진전 기구 규명 현재 몰드변압기의 보수 및 장해 데이터나 운전 상태의 정량적 상태 및 이력 데이터가 적으므로, 향후 정량적인 현장 데이터를 축적하여 몰드변압기 이상 현상을 정확히 규명해야 한다. ⑵ 진단 알고리즘의 확립 몰드변압기 내부 이상과 외부에 나타나는 현상의 상관성 규명하고 이상을 판단할 수 있는 유해 레벨 기준을 확립하여, 필요 감시 데이터를 이용한 종합적 예측보전 시스템을 구축해야 한다. ⑶ 감시 및 진단 항목의 적정성 평가 향후 실증시험을 축적함으로써 감시 및 진단 목적인 유지 보수 업무의 효율화와 사고 미연 방지에 충분한 효과를 기대할 수 있는 항목인지를 판단할 필요가 있다. ⑷ 감시 및 진단 센서의 신뢰성 향상 센서의 검출 감도 향상, 내잡음성 향상, 장수명성, 취급 용이성, 유지 보수 불요(Free Maintenance) 등을 포함한 신뢰성 향상 및 자기진단기능을 지닌 센싱 시스템이 필요하다. 유입식 변압기 부분방전 측정은 유중 수소가스 측정 외에 전기적 신호를 검출하는 방법과 기계적인 신호를 측정하는 방법이 있다. 유중가스 검출기술은 주로 수소가스를 온라인으로 검출하는 데 사용하고 있다. 검출기술은 크게 수소가스를 투과하는 기술과 투과된 가스를 센싱하는 기술로 분류할 수 있다. 투과기술로는 PTFE 모세관 투과막기술, 고분자 투과막기술, 컬럼 분리기술, Head Space 분리기술, 버블링 또는 피스톤을 이용한 추출기술 등이 있다. 센싱기술로는 수소와 산소의 화학반응 시 발생하는 기전력을 측정하여 수소농도를 측정하는 전기화학식 방식, TCD(Thermal Conductivity Detector) 또는 FID(Flame Ionization Detector)를 이용하는 방식, Photoacoustic Spectroscopy 검출방식, 가스센서를 이용하는 방식 등이 있다. 이러한 방식들을 이용한 유중 수소가스 측정시스템은 대부분이 고가의 장비로 개발되며 대용량 시스템에 적합하다. 국내외적으로 전기적 신호 검출방법에는 부분방전에서 발생된 전류 펄스를 중성점 접지선에 취부한 로고스키 코일 및 부싱 탭으로부터 부분방전전류를 측정하는 진단장치, 최근에는 변압기 탱크내부의 부분방전에 의한 전자파를 안테나형 센서로 측정하는 장치가 개발되고 있다. 또 기계적인 검출방법에는 변압기 외함 벽에 부착한 음향방출센서 또는 가속도센서를 이용한 음향법이 개발되어 있다. 2. 국내 현황 2000년대 들어 유입식 변압기의 경년열화에 따른 유지 보수 및 수명연장에 대한 관심 고조와 더불어, 몰드변압기의 수가 증가하고 담당하고 있는 부하의 중요성이 커지면서 유입식 변압기 및 몰드변압기의 진단기술에 대한 관심이 증가하게 되었다. 여기서는 정지 중 진단기술에 비하여 유지 보수 효과가 큰 온라인 몰드 및 유입식 변압기의 운전 중 부분방전 감시진단기술에 대하여 설명하고자 한다. ⑴ 몰드변압기 부분방전 진단기술 동향 몰드변압기용 부분방전 진단기술 개발을 위하여 최근 ‘몰드변압기 온라인 이상검출장치 개발’ 과제를 한국전기연구원이 수행했다. 그 결과 ‘6.6kV 및 22.9kV급 세라믹 커플링 방식의 접촉식 온라인 부분방전검출 센서 상용품’, 인접한 4대의 몰드변압기까지 동시에 한 대의 시스템으로 측정이 가능한 ‘온라인 부분방전 측정시스템 상용품’, 측정된 분석 결과를 2차원 및 3차원으로 각종 인자 정보를 나타내는 ‘모니터링 알고리즘 및 프로그램 상용품’이 개발 완료됐다.

[그림 8] 몰드변압기용 온라인 부분방전 모니터링 시스템 및 측정용 세라믹 커플러

<그림 8>은 현재 본 과제의 참여기업이 양산하여 시판하고 있는 제품을 나타낸 것으로, 본 기술은 2006년 12월에 제46호 신기술(NET)로 지정(산업자원부)을 받았다. ⑵ 유입식 변압기 부분방전 진단기술 동향 국내에 들어온 유중 수소가스 측정시스템은 용량이 작은 산업용 변압기에 적용하기에는 경제성 면에서 적합하지 못한 점을 극복하고자, 한국전기연구원에서는 2005년부터 고분자 평막 멤브레인을 이용하여 유중가스를 분리하고, 분리된 유중가스 중 수소가스를 반도체 수소가스센서를 이용하여 농도를 측정하는 기술을 개발했다. <그림 9>에는 개발 시스템의 외형을, <그림 10>에는 수소가스 농도대 센서의 출력관계를 나타냈다. <그림 10>과 같이 수소가스 농도가 증가할수록 가스센서 최대 출력치는 증가하는 특성이 있다.

[그림 9] 유중 수소가스 측정시스템 외형

[그림 10] 유중 수소가스 농도 대 가스센서 출력

전기적 신호 검출방법인 부분방전 전류를 측정하는 방법은 감도가 양호하다는 장점이 있으나, 외부의 전기적 잡음에 영향을 받기 쉽다. 반면 초음파 측정법은 외부의 전기적 잡음에 비교적 강하지만 감도가 낮다는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제점 때문에 유입식 변압기에서 부분방전 진단기술은 두 가지 방법을 조합하여 내부방전을 판단하는 기능을 갖는 시스템이 이상적이다. 하지만 각각의 독립적인 방법을 조합하여 시스템을 구축하면 구축비용이 매우 커진다는 단점이 있다.

[그림 11] 부분방전 복합 센서가 설치된 모델변압기와 복합 센서 외형

최근 한국전기연구원은 유입식 변압기 내부에 전자파센서와 초음파 센서가 결합된 복합 센서를 설치하고, 이를 하나의 시스템으로 측정하여 시스템 경제성 확보는 물론 외부의 전기적 잡음에 영향을 거의 받지 않으면서 부분방전 발생위치 탐지도 가능한 유입식 변압기 온라인 부분방전 시스템을 개발하는 연구를 수행하고 있다. <그림 11>에는 복합 센서가 설치된 모델변압기 형상과 복합 센서의 외형을 나타냈다. 마무리 이상으로 유입식 변압기와 몰드변압기 부분방전 열화 및 진단기술 그리고 국내외 기술개발 현황에 대하여 살펴보았다. 변압기의 열화는 부분방전에 의해 나타나므로 부분방전 검출기술은 모든 변압기의 고장예방을 위해서는 반드시 필요한 기술이다. 진단의 효율을 높이기 위한 방법으로 오프라인보다는 온라인 방식이 유리한 것으로 평가되고 있다. 유입식 변압기는 부분방전을 검출하기 위해 유중 수소가스 를 검출하는 방식과 초음파 또는 전류를 측정하는 전기적 펄스를 검출하는 방식을 주로 사용하고 있다. 진단 감도와 신뢰성 향상 측면으로 볼 때 두 가지 방법을 복합적으로 사용하는 것이 바람직하지만, 경제성을 고려하여 진단방식을 선택할 필요가 있다. 몰드변압기는 전기적 펄스를 측정하여 부분방전을 진단하는 것이 이상적이며, 현재 국내에서 처음으로 몰드변압기 부분방전을 측정하기 위한 시스템이 상용화되어 사용되고 있다.