[전기 설비 진단 기술] 전기 설비의 정밀 안전 진단

한국전기안전공사(www.kesco.or.kr)
김원년
(02)440-2469 / kwnlove@kesco.or.kr



개요

우리나라 전기의 역사는 1887년부터 시작됐다. 그로부터 120여 년이 지난 지금 산업화의 동맥이라고 할 수 있는 전기는 급속한 발전을 이루었으며, 인간이 행복을 추구할 수 있는 근간을 만들었다.
1970년대 이후 산업의 급속한 발전으로 송 · 변전 설비의 대용량화와 전기 설비의 양적인 증가가 두드러졌다. 이어 정보화 시대로 넘어가면서 안정적인 전력 공급의 중요성이 부각되고 있다. 이에 안정적인 전력 공급에 있어 필수 요건인 점검과 진단으로 사고를 방지해 사회적, 경제적인 피해를 예방해야 한다. 한국전기안전공사에서는 다양한 진단과 점검 기법 도입을 통한 전기 재해 예방으로, 국민의 생명과 재산을 보호하고 가정의 행복과 사회의 안전을 지키는 데 최선을 다하고 있다.



한국전기안전공사는 전기 설비에 대해 안전진단업무를 수행하던 중 보다 나은 서비스를 위해 1995년 엔지니어링 활동 주체 신고를 시작으로 정밀 안전 진단을 수행하고 있다. 또한 정립된 정밀 안전 진단 업무를 위한 관련분야의 ISO A 9001(2000년)인증을 획득했다.


정밀 안전 진단

한국전기안전공사에서 수행하는 정밀 안전 진단은 크게 전력계통분석, 전기 설비별 진단으로 구분 할 수 있다.
전력계통분석은 EDSA, CYME, ETAP 등을 이용해 고장전류, 보호협조, 전력계통 전압강하, 전력조류, 전력계통 안정도, 중성점 접지장치(GPT, CLR), 변류기(CT) 적정성, 전력기기 정격 및 비율차동계전기(RDR)의 적정성 분석을 통한 보호시스템의 신뢰성 향상과 사고 파급 및 정전 피해를 최소화 할 수 있는 최적의 설비 구성 및 운영 방안을 제시한다.
또한 전력 설비의 분야별로 진단을 수행하고 있으며, 설비 특징에 따라 다양한 진단 기법을 적용해 이상 유무를 판단할 수 있다.

1. GIS
GIS는 대부분 초고압 대용량 수용가에서 사용하는 가스절연개폐장치이다. 따라서 정전 중 진단이 어렵기 때문에 활선진단 기법이 필요하다.
GIS의 대표적인 진단 기법으로는 UHF(Ultra High Frequency)를 이용한 부분방전 진단, SF6 가스 내의 SO₂, 수분 함유량 측정, SF6 가스 누기 검출 등이 있다.



⑴ UHF 부분방전 진단
GIS에 많이 적용하는 부분방전 진단은 UHF 대역의 주파수 대역을 이용해 대부분의 노이즈는 감쇄되기에 내부 결함을 검출하는 데 효과적인 진단이다.



⑵ SO₂가스 측정
SF6 가스는 불활성 가스로 국부 과열과 이상 발생시, SF6 가스 분해 시 발생하는 SO₂(이산화황) 가스를 검출해 내부 이상을 진단한다.
⑶수분측정
SF6 가스 중에 수분이 함유되면, 탱크 내부 표편에 결로 현상이 생겨 부분방전 및 지락사고로 이어지는 것을 예방할 수 있다.
⑷기밀상태점검
GIS 연결부에서 SF6 누기를 측정함으로써 탱크의 기밀 상태를 점검할 수 있다.

2. 케이블
케이블의 열화진단은 크게 활선과 정전 상태로 구분할 수 있다. 그 중 활선진단 기법인 부분방전 진단, 수트리 진단에 대해 간략히 기술하고자 한다.
활선 상태에서는 케이블 전압에 따라 22.9㎸ 이상에서는 부분방전 진단, 6.6㎸, 3.3kV 등 고압 케이블에서는 부분방전 진단과 수트리 진단을 병행하는 것이 효과적이다.
⑴ 부분방전 진단
요즘 많이 부각되고 있는 부분방전 진단 기법은 전력 설비의 절연 내부의 방전 현상을 측정해 열화정도를 판정하는 효과적인 진단으로 다양한 센서와 측정 신호 분석을 통해 열화 상태를 진단할 수 있다.
부분방전은 측정 센서와 측정된 신호의 처리 방법에 의해 다양한 전력 설비에 적용이 가능한 진단 기법이다. 케이블 부분방전 진단은 22.9㎸에서는 접지선에 흐르는 고주파 전류(HFCT : High Frequency Current Transformer)를 측정하는 방법과 RF 안테나를 이용해 전자파를 측정하는 방법이 있으며, 154㎸ 이상의 케이블에 대해서는 박전극 센서와 HFCT 센서를 이용한 방법이 주로 사용되고 있다.
분석기법으로는 펄스패턴 분석과 주파수 튜닝, 3PARD, PRPDA를 이용한 분석이 있다.



⑵ 수-트리(水-Tree) 진단
수트리 진단은 6.6㎸ 이하의 케이블에 효과적으로, 직류성분시험이라고도 불린다. 고압 CV 케이블의 수-트리에 의해 발생되는 직류성분 전류를 쉴드(Shield) 접지선을 통해 검출하여 그 전류 크기 또는 변동 폭 등을 분석함으로써 케이블 열화 정도를 분석하는 진단법이다.

3. 변압기
⑴ 절연유 유중가스 분석
유입변압기의 대표적인 진단 기법은 절연유 유중가스 분석이다. 절연유를 채취하여 가스량과 조성비에 따라 내부 상태를 판별함으로써 효과적인 유지 보수를 할 수 있다. 내부에서 결함이 발생하면 결함 원인에 따라 발생하는 가스의 종류가 다르게 검출되는데, 이를 이용해 결함 원인을 추정한다.
⑵ 절연유 수분 측정
유입기기의 절연유에 함유된 수분량을 측정하여 절연유의 절연 성능 및 절연지의 열화 상태를 분석 할 수 있다.
⑶ 부분방전 진단
유입변압기는 절연유 유중가스 분석을 통해 열화진단이 가능하지만, 몰드변압기 보급과 더불어 이에 대한 유지 보수의 필요성이 제기되고 있다. 몰드변압기는 열화상을 통해 일상적인 관리가 이루어지고 있으나, 절연체의 열화 정도를 판단하기에는 부족하다. 따라서 몰드변압기는 부분방전 진단이 필요하고 효과적인 방법으로는 커플링 캐퍼시터를 이용해 진단하면 절연열화 상태를 판정할 수 있다.

[그림 7] AC 절연 진단(Tanδ)

⑷ AC 절연 진단
유입, 몰드변압기, 케이블, 전동기 등에 적용하는 사선 진단 기법으로 AC 절연 진단(Tanδ)을 통해 열화 정도를 판정할 수 있다. AC 절연 진단은 진단 대상 설비의 대지(對地)전압에 상당하는 상용 주파 교류 전압을 인가해 절연물의 흡습(吸濕), 오손(汚損) 및 공극(Void)에 의해 발생하는 유전손을 측정 · 분석함으로써 절연물의 열화 상태를 진단한다.
진단은 정전 상태에서 수행하며, 진단 데이터의 관리를 통한 경향 분석을 수행한다.



4. 전동기
전동기는 활선 상태에서 전압, 전류를 측정해 전력품질(고조파), 돌입 · 기동전류 측정, 편심 상태를 확인한다. 정전 상태에서는 절연저항, 권선저항, 정전용량, 임피던스 측정 및 회전자의 상태를 확인함으로써, 전동기의 이상 상태를 조기 발견하고 전동기 신뢰도 향상으로 생산성을 증대할 수 있다.
또한 전동기도 활선 상태에서 부분방전 진단을 통한 열화진단을 할 수 있다. 부분방전 진단 방법은 활선 상태에서 시행하는 방법과 정전 상태에서 별도의 전압을 인가하여 시행하는 방법이 있다. 센서는 주로 커플링 캐퍼시터, 고주파 CT, RF 안테나 등을 이용할 수 있다.



5. 가공선로
가공선로에서 결함 발생 시 나타나는 코로나 방전은 발광 현상을 동반하지만 육안으로 관찰하기는 어렵다. 이를 UV 필터를 이용해 코로나 방전 현상을 측정함으로써 결함 위치를 검출할 수 있다.


사고예방 사례

1. 변압기
2007년 서울, 전기 설비 정밀 안전 진단 실시 도중 유입변압기(22.9㎸)에서 부분방전 신호가 검출됐다.



그리고 절연유 유중가스 분석, AC 절연 진단 등을 실시한 결과 내부결함이 있는 것으로 최종판정했다.
부분방전 진단은 부착식 RF 안테나와 고주파 CT를 사용했으며, 펄스 패턴에 따라 노이즈와 부분방전 신호를 구분하는 기법을 적용했다.
<그림 10>에 나타난 데이터에서 부분방전 의심 신호가 검출된 것을 시간에 따른 크기의 변화량(QMAX), 부분방전 패턴(PD Pattern), 펄스 패턴(Pulse Pattern)을 분석했다. 그 결과 시간에 따른 크기의 변화가 있으며, 180°의 위상차를 가진 2개군의 신호가 검출됐다. 이 때 부분방전으로 추정되는 펄스 패턴 분석 시 변압기 내부 부분방전으로 판정됐다.
또한 동일한 변압기에 대해 절연유 유중가스 분석을 실시했다(<표 2> 참조).
절연유 유중가스 분석을 실시한 결과 C₂H6(에탄)가 기준치 300ppm을 초과한 370ppm이 검출됐다. 에탄은 절연유 과열 또는 유침 고체 절연물 방전 시 검출되는 가스이기에 변압기 내부에 결함이 진행중인 것으로 판단됐다.
마지막으로 진단 신뢰성을 높이고자 정전 상태에서 AC 절연 진단을 실시했으며, 진단 결과는 <표 3>과 같다.

2. 케이블
2008년 대형 유통상가의 22.9㎸ 인입선로에 대한 절연열화 진단을 실시했다. 상기 선로는 3년을 주기로 진단을 실시해 경년열화의 변화 추이를 관찰하는 수용가이다.
AC 절연 진단을 실시한 결과 R상에서 진단 데이터의 심한 변화가 관찰됐으며, 케이블 외관 상태를 관찰하던 중 케이블 외피에서 탄흔이 발견됐다(<표 4>, <그림 11> 참조).

3. 전동기
2009년 6.6㎸ 고압전동기에 대해 부분방전을 실시했다. 상기의 전동기는 현장 설치 전 별도의 내압기를 이용하여 전압을 인가했다. 진단 방법은 전압인가용 케이블에 고주파 CT를 이용해 고주파 전류를 측정했으 전동기 외함에 RF 안테나를 부착해 전자파를 측정했다. 측정된 데이터를 분석하면, 시간에 따른 크기의 변화가 심하고 발생하는 신호의 위상과 패턴도 전형적인 부분방전 형태이다(<그림 12> 참조).




마무리

산업화의 기초 자산인 전기 설비의 수명은 통상 20~30년 정도로 가늠할 수 있는데, 현 시점에서 전력 설비의 운영차원에서 교체가 필요한 시기라고 할 수 있다. 경제적인 관점으로 볼 때, 전력 설비의 사용연한 경과에 따른 교체 시기가 도래됐기 때문에 설비 투자비가 증가하고 있다. 하지만 전력 설비 진단을 통한 진단 데이터의 변화 추이를 관찰함으로써 교체 시기 연장, 경제적인 이익을 실현할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 새로 설치되는 설비에 대해서는 열화의 진행 상황을 초기치부터 진단 이력을 관리함으로써 안정적인 설비 운영을 도모할 수 있다.
최근에 전력 설비 진단의 필요성에 따라 설비 진단에 대한 다양한 기법이 개발되고 있으며, 그 신뢰성도 상당한 궤도에 올라왔다. 더욱 안정적인 설비운영을 위해서는 많은 전기인들의 관심이 필요할 것이다.