[중전 기기의 리더 변압기 ⑤] 몰드 변압기 사고 특성과 조치 방법

국내 몰드 변압기 시장은 매년 큰 폭으로 증가하는 추세다. 조사 대상 고객 22.9kV 수전 설비 약 12만 1400여 개소 중 몰드 변압기 설치 시장을 20% 정도로 추정하면, 국내 전체 시장에서 차지하는 비율은 약 10%이므로 현재 20만 개소 이상에서 몰드 변압기를 사용하는 셈이다. 또한, 세계적으로도 기존 유입 변압기의 폐절연유 처리 문제를 획기적으로 개선한 몰드 변압기가 대세다. 일각에서 몰드 변압기는 유입 변압기보다 효용성이 떨어진다는 견해도 있으나, 그럼에도 플라스틱의 발달과 절연유 관리가 필요 없다는 요인이 수요를 꾸준히 증가시킨다. 반면, 몰드 변압기의 사고 증가로 전력 설비 진단을 위한 기법 개발이 필요하다. 여기에서 몰드 변압기 사고 원인과 진단 기술, 사고 발생 시 조치 사항에 대해 설명하고자 한다.

글 송길목<전기안전연구원 진단기술연구부 책임연구원> (031)580-3061 natasder@kesco.or.kr

국내 전력 설비 진단 기술 활용은 전체 적용 기술에서 매우 미약하며, 진단 기술과 시스템을 전적으로 해외 기술에 의존하는 상태다. 이러한 상황에서 무정전 상태의 고신뢰성 진단 장비를 개발할 경우, 전체 시장의 5%만 대체하더라도 약 100억 원의 수입 대체 효과를 기대한다. 또한, 세계시장에 접근하기 위해 국내 기술의 장점 중 하나인 IT를 접목하면, 진단 시스템을 통한 해외 시장 접근이 매우 효과적으로 이뤄질 것이다. 최근 IT 발달에 따라 통신 장치를 중전 기기에 장착하나, 통신용 전원 장치는 중전 기기와 달리 설비 교체 주기가 3년에서 5년이다. 따라서 일정 기간이 지나면 대다수 통신용 전원 장치를 교체해야 하므로, 중전 기기와 혼용하면 대형 사고로 이어질 가능성이 매우 높다.

국내 몰드 변압기 사고 원인

사고 지점에 의한 패턴 분류 | 몰드 변압기는 그 위치에 따라 다양한 사고 원인을 제공한다. 이를 신속하게 검출해 정전 사고를 최소화하고, 또한 설비 사고의 파급이나 전기 화재로 전이되는 것을 차단해야 한다. 국내 몰드 변압기의 사고 유형을 분석하기위해 사고 경험 고객을 중심으로 시장 조사한 결과를 보면 <그림 1>과 같다.

확인 결과 가장 많이 분포하는 몰드 변압기의 사고 발생 지점은 고압 측 에폭시 부분과 고압 측 코일 부분이다. 고압 측 사고 분포가 전체의 약 55%에 해당한다. 따라서 몰드 변압기의 내부 또는 외부영향으로 인한 소손燒損과정에서 초기 전조 징후로 나타나는 다양한 신호 중 진동 신호를 효과적으로 검출하고 분석해 전기 화재를 미연에 방지하는 기술이 필요하다. 기존 진단 방법은 HFCT를 활용한 부분 방전 진단과 열전대를 이용하거나 열화상 카메라를 이용한 온도 상승 확인 등이며, 최근 자외선 카메라와 진동 분석에 의한 기술을 개발 중이다.

몰드 변압기 소손에 의한 정전 사고 | 몰드 변압기는 내화성을 갖고 있으나, 전기 에너지에 의해 소손될 때 강력한 열에 의해 화재로 진전되는 특징이 있다.
이때 차단 장치가 동작하지 않는 경우가 많은 것으로 나타났다. 이러한 몰드 변압기를 조사하면, 내부 코일 부분에서 열 팽창하는 경우가 다수이고, 고조파에 의해 진동이 발생해 균열로 이어지는 사고를 추정할 수 있다. 이러한 사고 과정을 통해 진동에 대한 특성을 이해하고 측정과 분석이 가능하다면, 몰드 변압기에 의한 전기 재해는 감소할 것으로 판단한다.

표면에서 탄화도전로炭化導電路 형성에 의한 소손 | 간혹 몰드 변압기 표면에 탄화도전로가 발생해 사고로 이어진다. 부하 특성상 순간 부하가 높게 발생하며, 고체 절연체로 구성된 몰드 변압기에 대한 안정성과 시스템 진단이 필요한 상황이다.
<그림 3>은 몰드 변압기의 소손 상태를 촬영한 것이다. 원을 통해 볼트 부분에서 용융돼 비산된 것을 확인할 수 있다.

<그림 3>에서 하단 볼트 부분의 동일한 흔적을 통해 지락 흔적으로 추정하나, 지락 지점을 확인과 재료 분석을 통한 검증이 필요한 사항이다. 또한, <그림 4>에서 가리키는 V상 변압기의 7번 탭과 하부볼트 부분에서 발생한 연면방전沿面放電에 의한 탄화도전로를 확인할 수 있다. 이는 과거 동일 제조사에서 생산된 제품 중에 동일한 형태의 탄화도전로가 발생해 사고가 일어난 이력이 있다. 특히, 줄열에 의해 산화 부식됐을 것으로 예상되는 2번과 6번 탭의 연결 부분이 확인됐다. 봉대의 경우 W상 변압기 하단부와 U상 변압기 상단부를 잇는 중앙 부분에 용융 흔적이 확인됐다.

<그림 4>의 V상 변압기 상단 연결부에서 아크 비산의 흔적을 확인할 수 있다. 3상 변압기 중 중앙에 위치한 V상 변압기의 사고 피해가 가장 큰 것으로 확인됐다.

몰드 변압기 사고 발생 메커니즘 | 몰드 변압기는 절연유가 없기에 기존 진단 방법으로 열화 및 부분방전 상태를 정확히 파악하기 어렵다. 그러나 몰드 변압기의 내부 또는 외부 요인에 의해 소손될 경우, 온도가 상승하고 진동을 일으키는 등의 전조 현상이 나타난다.

몰드 변압기 진단 기술

몰드 변압기 진단 기술은 1980년대 국내 적용 시점부터 어려움을 많이 드러냈다. IEC60216에서 제시한 전력 설비의 수명 주기는 초기 고장률은 설치시공이나 제조 불량에 근간을 두며, 안정기를 거쳐 절연 열화가 지속되는 시점에서 사고가 다시 증가하는 추세를 보인다. 국내 몰드 변압기는 한국전기안전공사(KESCO)의 설치에 따른 사고율 분석 결과에 따르면, 설치 후 1년 이내 약 11.6%, 1년에서 5년 사이 약 9.0% 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 5년에서 10년 사이 사고율은 약 4.7%로 초기에 발생한 사고의 지연이 오랜 기간에 거쳐 진행됐음을 알 수 있다. 이를 통해 초기 개발 과정에서 나타나는 제조 불량 사고가 많았던 것으로 판단한다. 현재 현장에 설치하는 몰드 변압기의 경우, 초기 사고 건수가 확연히 줄어들었지만, 중전 기기의 사용 연수 도래에 따라 절연 열화에 따른 사고가 빈번할 것으로 예측한다.
변압기를 진단하는 방법은 다양하다. 무정전 상태에서 가능한 진단법은 적외선 열화상 진단, 초음파 코로나 진단, 절연유 분석, 내압 및 산가 측정, 가스분석, 부분 방전 진단 등이며, 정전 작업을 수행한 후 진단하는 방법은 AC 절연 진단, 권선 저항 측정, 권수비 측정, DC 고전압 진단 등이다. 이렇듯 진단기술은 다양하지만, 몰드 변압기에 해당하는 것은 그리 많지 않다. 무정전 진단은 적외선 열화상으로 판별하는 방법과 초음파 코로나 진단, 부분 방전 진단, 자외선 이미지 분석, 진동 분석 등이다. 특히, 최근에 제시된 자외선 이미지를 이용한 진단법은 연면방전이나 기중에서 고전계에 의한 방전 상태를 진단하는 데 매우 효과적이며, 진동 분석은 내부 계통상이나 기계적 열화에 의한 진동 변화를 효과적으로 측정해 판단하는 방법의 하나다.
몰드 변압기의 진단 기술을 명확하게 제시되지 않은 상황에서 원인 불명의 사고가 많이 발생하는 게 현실이다. KESCO에서 무정전 상태 진단 기술을 확보하기 위해 레이저를 이용한 진동 측정 기술과 분석 시스템을 개발 중이다.

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다음은 몰드 변압기 사고 발생 시 조치 사항으로, 가장 중요하게 판단하고 처리해야 할 부분이다.
첫째, 빠른 사고 조치로 사고 파급을 막아야 한다.
둘째, 사고 당시 신호 또는 자료를 수집해, 이를 초기 분석 자료로 활용해야 한다.
셋째, 사고 대상물에 대한 처리 방법에 있어 원형을 최대한 보존해 제3자, 또는 분석자가 확인하도록 해야 한다.
넷째, 사고 분석의 원칙은 철저하게 사고 대상물이 파괴되지 않은 부분에서 수행해 더 이상의 수행절차가 없다고 판단될 때 파괴 검사를 수행한다.
다섯째, 사고 분석의 오류를 줄이기 위해 가능한 방법을 최대한 동원해 검증 절차를 실시하고, 사고추정 시나리오에 대한 절차를 수행한다.
이러한 절차가 이뤄지지 않으면, 과거 경험이나 답습에 의해 동일 또는 유사 사고가 다시 발생할 수 있으며, 원인 분석 없이는 대책을 세우지 못한다.