[전기 설비 진단 기술] 유입식 변압기 유지 보수 기술

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개요

변전기기의 점검 보수는 기기 성능의 유지 회복을 위하여 불량개소의 조기 발견으로부터 사고의 미연 방지를 목적으로 하고 있으며, 설비 보전에 중요한 역할을 담당하고 있다. 최근 도심지역의 확장과 산업의 발전으로 전력 수요가 급격히 증가하고, 정보산업의 급부상과 컴퓨터에 의한 산업시설 제어 시스템의 사용이 범용화 되면서 갑작스럽게 발생하는 변전기기의 고장은 큰 경제적 손실과 사회적 혼란이 예상된다.
변전기기 분야에 있어서 특히 변압기는 구조가 복잡하고 절연 시스템도 액체와 고체 절연체가 혼합되어 있어 다양한 형태의 유지 보수 기술을 요구한다. 또한 고도 성장기에 대량으로 설치된 대용량 변압기가 경년 30년을 넘어서고 있어 이러한 경년변압기를 장시간 건전하게 사용할 수 있도록 하는 것이 요구되고 있다. 이와 같은 상황에서 가동 중인 변압기의 건전성 진단을 한층 고도화시키고 경년변압기의 열화 진단이나 수명 판정 기술이 필요하게 된다. 이를 위하여 운전 데이터를 축적하고 진단 기술과 같은 최신의 기술 지식을 도입한 변압기 보수 관리 지침을 확립할 필요가 있다.
본고에서는 보수 기술이나 진단 기술, 최근의 연구동향 등을 중심으로 변압기 유지 보수 기술을 소개하고자 한다.


유입식 변압기의 열화

유입식 변압기의 구성 부품을 내부 부품과 외부부품으로 분류할 경우 외부 부품에 비하여 고장시 변압기에 치명적인 내부 부품의 열화 패턴을 나타내면 <표 1>과 같다. 이 표에서와 같이 유입식 변압기의 내부 고장은 주로 절연물의 열화에 의해서 나타나고 절연지나 프레스보드와 같은 고체 절연물의 열화는 열 열화나 부분방전 열화에 의해서, 절연유의 열화는 흡습에 의해서도 열화된다. 이 외에도 산화에 의한 열화, 기계적 응력에 의한 열화 등이 있다.

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이들 열화 요인은 모두 단독으로 발생하는 경우는 적고 두 가지 이상이 서로 중첩되어 절연물을 열화시킨다. 일반적으로 변압기 절연에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 열적 열화 요인이며, 산화열화는 열적 요인이 가해지지 않으면 유침 절연에서는 거의 발생하지 않는다. 또한 이 외에도 절연지, 절연물 속의 불순물 같은 내적 열화 요인도 생각할 수 있고, 운전 중 뇌 서지(Surge)의 침입 등으로 교류전압과 임펄스(Impulse) 전압이 중첩되어 발생하는 복합 요인의 경우도 있다.




전력기기의 실부하 상태에서는 도체 중의 전류나 누설전류에 의한 열의 발생과 유전체손 등에 의해서 절연층과 도체와의 계면 부분에 온도 상승이 생기게 된다. 근래에는 전력기기의 이용전압은 높고, 국부적인 고전계화에 의해서 이상 부위에서의 부분방전과 스파크(Spark), 아크(Arc) 등이 많이 발생한다. 고체 절연물과 절연유가 조합된 유침계 절연에서는 고체 절연재료와 절연유의 상호작용도 매우 중요하다. <그림 1>에 기본적인 열화 Process를 표시했다.


유입식 변압기의 유지 보수 기술

1. 일반적인 유지 보수 기술
앞에서 설명한 바와 같이 유입식 변압기는 여러가지 원인에 의하여 열화되며 열화된 변압기는 외부적으로 이음, 온도 상승, 진동, 계기 고장, 녹, 누유와 같은 현상이 나타난다. 내적으로는 절연지의 기계적 강도 저하, 권선저항과 여자전류 및 변압비의 변화, 유중가스의 발생, 절연유의 절연강도 저하와 같은 현상이 발생한다. 유입식 변압기의 보수 관리 기술에서는 이와 같은 현상의 지속적인 감시를 통해 고장을 예방하고자 점검 및 진단시험 실시를 권장하고 있다. <표 2>는 유입식 변압기의 점검 및 목적을 보여주고 있으며, <표 3>은 여러 가지 진단항목을 보여주고 있다. 이러한 점검 및 진단시험으로 얻은 기록은 잘 관리해야 하며, 기록의 절대치보다 전 기록과의 비교를 통해 변화의 경향을 분석하여 이상 상태를 파악하는 것이 중요하다.




2. 온라인 진단 기술
온라인 진단은 상시감시가 가능하기 때문에 주기적으로 수행하는 오프라인에 비하여 고장 발견에 매우 효과적이다. <표 3>에서 보듯이 유입식 변압기의 내부 이상 진단에 사용이 가능한 온라인 진단 기술에는 대표적으로 부분방전과 유중가스 분석, 그리고 수분량 측정과 열 열화 감시 기술 등을 들 수 있다. 이 중 유입식 변압기의 부분방전 기술은 본 저자 등에 의하여 2008년 5월호《월간전기》에 소개된 바 있어 본고에서는 생략하기로 한다.
유입변압기에 아크 또는 부분방전과 같은 국부과열 현상이 발생하면 이 열원과 접촉하고 있는 절연유나 절연지 등의 절연물은 열에 의해 열화분해된다. 절연물의 열 열화 현상은 화학반응에 의해 가스를 발생시키고 이 가스는 절연유중에 용해되기도 하고 일부는 유면 상의 공간에 방출된다. 일반적으로 열분해가스는 수소, 저급 탄화수소(CH4, C₂H6, C₃H8, C₂H4, C₃H6, C₂H₂)가스, 일산화탄소, 탄산가스 등 10여 종에 이른다. 이상의 종류에 따른 주요 열분해가스를 다음 <표 4>에 정리했다. 이상의 종류에 따라 발생가스가 다른 것은 이상 발생부의 재료 및 과열에 의한 온도가 상이한 데 기인한다. 또한 변압기에 치명적인 고장을 일으키는 부분방전과 아크에 의한 열분해가스의 특징은 국부적인 높은 온도 때문에 다량의 수소가스와 아세칠렌 및 기타 탄화수소가스를 함유하는 것이 특징이다. 이와 같이 유중가스를 측정하여 특징가스의 분포 형태를 분석하면 고장의 종류를 파악할 수 있으며, 또한 농도의 크기와 증가율로부터 고장의 정도를 예측할 수 있기 때문에 각 규격에서는 유입식 변압기의 고장 진단을 위하여 가스 조성비와 가스 농도의 크기를 규정하고 있다.




최근에는 센서 및 디지털 기술의 발전과 더불어 다종가스 또는 수소가스의 측정이 가능한 다양한 온라인 유중가스 측정 시스템이 개발되어 사용되고 있다. 다종가스 측정 시스템은 고가의 장비라는 특징 때문에 대용량 변압기 및 매우 중요한 부하를 담당하고 있는 변압기에만 적용되고 있으며, 상대적으로 경제적이고 측정 감도가 양호하며 부분방전이나 아크와 같은 치명적인 고장 감시가 가능한 유중 수소가스 측정 시스템이 일반적으로 많이 보급되고 있다. <그림 2>는 온라인으로 부분방전에 의한 유중 수소가스 측정을 위한 실험장치의 개략도 예를 나타낸 것이며, <그림 3>은 <그림 2>의 실험으로부터 구한 부분방전 에너지와 수소가스 센서의 출력전압과의 관계를 보여주고 있다. <그림 3>에서와 같이 부분방전 평균 에너지가 증가할수록 수소가스 센서의 출력도 비례하여 증가하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 국내에서는 <그림 2>의 수소가스 센서를 이용한 유중 수소가스 시스템이 상용화되어 현장에서 사용되고 있 다. 또한 여러 가지 규격에서 사용되고 있는 유중수소가스 농도에 의한 판정기준은 100~400ppm인 것으로 알려져 있다.




다음은 <표 3>에서와 같이 온라인 측정이 가능한 유입식 변압기 진단 기술 중 유중수분 측정 기술이 있다. 유입식 전력기기들은 일반적으로 유중용해 수분 농도를 수십 ppm 이하로 제한하여 운영되며 주기적으로 유중수분 농도도 측정되고 있다. <표 5>는 여러 가지 규격에서의 유중수분 기준을 보여주고 있다. 기존의 유중수분 측정은 칼피셔법을 사용하는 거치형 유중수분 농도 측정기 또는 수분센서를 사용하는 휴대형 수분 활성도 측정장치를 이용하고 있다. 거치형 유중수분 농도측정기는 화학적인 방식을 사용하기 때문에 측정에 숙련된 측정 기술을 요하며, 측정기의 가격이 높은 것은 물론 유지 보수 비용도 크고 온라인 적용이 불가능한 단점을 가지고 있다. 한편 기존의 휴대형 유중수분 측정기는 수분 활성도를 측정하는 장치로서 수분 농도를 결정하기 위해서는 교정과정을 거쳐야 한다. 따라서 온라인으로 중량비(ppm) 단위로 유중수분을 측정하기 위해서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 장치가 필요하다. <그림 4>는 한국전기연구원에서 개발된 유중수분 측정기이다. 절연유 분위기에서 수분 측정센서를 사용하여 수분을 측정하는 장치로서, 센서가 설치되어 있는 센싱프루브를 변압기 탱크 또는 배유변에 결합하면 온라인으로 유중수분 측정이 가능하다. 또한 절연유를 채취하여 채취용기 속의 절연유에 센싱프루브를 함침하여 측정하면 휴대형으로 사용할 수 있다. 이와 같은 수분 감시 기술은 변압기가 완전 밀폐되어 외부에서 수분 침입이 곤란한 대용량 변압기에 비해 높은 부하율로 고온으로 인한 절연지에서의 수분 생성이 많고 수분 침입이 용이한 구조로 되어 있는 배전용 변압기에 효율적인 기술이다.







다음은 <표 3>에서 온라인으로 측정할 수 있는 기술 중 변압기의 열 열화 감시 기술을 소개하고자 한다. 이상 현상에 의한 돌발적 고장을 제외하고 유입식 변압기의 사용기간에 따른 수명은 열 열화 정도에 의해서 결정된다. 열 열화는 사용온도에 의해서 발생하므로 IEC나 IEEE 표준규격에서는 변압기의 사용온도를 규정하고 있다. 사용 중 변압기의 온도를 기준 범위 내로 제한하면 변압기는 평균적으로 목표 수명만큼 사용이 가능해진다. 온도 제한에 대한 예로서 IEC에서는 최고사용온도를 <표 6>과 같이 규정하고 있다. 일반적으로 변압기의 수명은 권선의 최고온도에 따라 결정되는 것으로 되어 있지만 실제 최고점 온도를 정확하게 측정하는 것은 불가능하며, 권선의 최고온도는 측정이 가능한 상부유온으로부터 추정할 수는 있다. 그러나 상부유온도 변압기에 설치되어 있는 유온센서로부터 측정이 가능하면 측정된 상부유온을 사용하여 최고점 온도를 추정할 수 있지만, 이것이 불가능하면 상부유온은 계산돼야 한다. 사용된 상부유온 계산 결과가 실제 상부유온과 일치하는가는 실험을 통하여 증명돼야 한다. <표 5>에서와 같이 IEC에서는 상부유온의 경우 정상상태에서의 최고 사용온도는 105℃, 장시간 위기상황에서는 140℃, 단시간 위기상황에서는 180℃로 규정하고 있다. 언급된 바와 같이 변압기의 상부유온의 직접적인 측정이 불가능할 때는 정확한 계산 결과를 사용하여 상부유온을 추정해야 하며, 그 계산 결과로부터 최고온도와 열 열화율에 따른 잔여수명률을 계산할 수 있다.




<그림 5>는 상부유온을 온라인으로 계산하여 상시 권선 최고온도와 열 열화율을 추정하는 유입식 변압기 온라인 온도 관리 시스템 개략도와 실제 제작된 장치의 예를 보여주고 있다. 이 그림에서와 같이 계산에 필요한 입력사항은 주위 온도와 부하전류 측정에 의한 부하율이다. <그림 6>은 실제 부하인가 시험을 통해 <그림 5>의 시스템을 사용하여 계산된 상부유온과 실제 변압기에 설치된 온도센서를 이용하여 측정된 실측 결과와의 비교 예를 보여주고 있다. 이 그림에서 같이 24시간 부하변동에 따른 실측치와 계산치는 거의 일치하는 것으로 나타났다. 그러므로 이와 같은 기술을 사용하면 부하율 감시는 물론 온도 감시, 그리고 열 열화율을 효율적으로 감시하여 충분한 수명까지 변압기를 사용할 수 있다는 이점이 있다. 본 기술은 현장에서 부하율 및 온도 감시가 잘 이루어지고 있는 대용량 변압기에 비해 경제성 측면이나 고장 예방 효율 측면에서 부하율이 높은 반면, 온라인 온도 감시가 소홀한 배전용 변압기에 적합한 기술로 생각할 수 있다.




마무리

이상에서 유입식 변압기의 유지 보수를 위한 열화 원인과 점검 방법 및 진단 기술에 관하여 살펴 보았다. 유지 보수를 위해 여러 가지 점검 종류와 시험 기술이 있지만 특히 감시 진단에 효과적인 유입식 변압기의 온라인 진단 기술로서 부분방전 측정과 유중가스 측정, 그리고 유중수분 측정과 열 열화 및 온도 감시에 대하여 소개했다. 이러한 온라인 감시 기술은 변압기의 상시감시가 가능해 유지 보수의 효과를 높일 수 있지만 변압기의 설치 비용에 비하여 진단 장치의 적용이 경제적이어야 함은 물론, 용량에 따른 중요성이나 부하율 및 구조와 같은 환경적 특징에 따라 고장 유형 그리고 감시 효율을 고려하여 적절한 온라인 진단 기술을 적용하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서 대용량 변압기는 부분방전 및 유중가스 감시, 그리고 배전용 변압기는 수분 및 온도 감시가 효과적일 것으로 생각된다.

유전체손(Dielectric Loss) 흡수현상을 수반하는 고체 유전체에 교번전압을 인가하면 그 실효치와 동일한 직류전압을 인가할 때보다 큰 전력 손실이 생기며, 이것을 일반적으로 유전체손이라 한다. 이 유전체손은 쌍극자배향에 의한 흡수전류로 인한 것이며, 따라서 흡수전류가 크면 유전체손도 커진다. 칼 피셔(Karl Fischer)의 원리 칼 피셔(Karl Fischer)에 의해 발견된 방법으로 피리딘, 아류산가스, 요드, 메탄올의 혼합액이 수분과 정량적으로 작용하는 반응을 이용하는 원리이다.