대형 유입변압기의 고감도 온라인 유중 가스 감시장치의 개발

이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다. 대형 유입변압기의 고감도 온라인 유중 가스 감시장치의 개발 유입변압기 내부에 일어나는 이상의 조기발견에는 고밀도의 유중가스 분석에 의한 과열·방전등의 내부 이상 시, 특징가스인 아세틸렌, 에틸렌 2성분 및 가연성 가스 총량에 따른 판정이 유효하게 활용된다고, 전기협동연구회보고 ‘유입변압기의 보수관리’ 제 54권 제5호(목차 1)에 보고 되고 있다. 전기협동연구회(이하 전협연이라고 부름)에 따르면 관리지침(이하 신전협연관리기준이라 부름)의 분석정도를 만족하는 온라인 감시 장치는 국내외를 통틀어 실용화되지 못하고 본 연구에서 새롭게 분석부등의 개발 실증실험을 행해 온라인에서 업계 최초로 장치의 실용화에 성공했기 때문에 그 연구내용에 관해 소개한다. 화력발전소에 설치된 대형유입 변압기의 역할과 고장 영향도 화력발전소에서는 발전한 전력을 송전계통에 내보내기 위해서 주요 변압기<그림1>를 시작으로, 발전소 내 전원수전용 발전소 내 변압기나 기동용 변압기 등의 대형 유입 변압기가 사용되고 있다. <그림2>에 발전소 주 회로에 이미 상세한 구성을 설명했지만, 이곳에서의 변압기에 있어 만일 고장발생이 생기면 발전지장이나 운영지장과 연결되고, 또 대량의 절연유를 사용하고 있기 때문에 방재·보안상으로 높은 신속성을 요구하는 설비여서, 순시점검에 기초를 두고 여러 가지 보전을 정기적으로 실시해 변압기 안전·안정운전을 확보하고 있다. 대형 유입변압기의 보전내용 대형유입변압기의 정기적인 보전내용을 <표1>에 서술했다. 보전의 목적으로서는 ‘보안확보’와 ‘변압기 수명갱신’으로 크게 나눠, 일상의 순시, 감시 및 정기점검을 실시하고 있다. 변압기 이상의 발생 개소는 크게 구분하면 내부, 외부 및 부속품으로 나뉜다. <표1>의 ‘보안확보’의 점검 내용은 이것들의 이상을 조기에 발견해 안전·안정운전을 계속하기 위해 필요불가결인 것이다. 특히 중대사고로 진전하는 위험성이 커서 내부이상에 관해 초기 이상 조후를 적확하게 판단해 미연 방지를 추구하는 것이 가장 중요사항이다. 현재, 내부이상 진단기술로서는 유중가스 성분이 넓게 활용되고, 이상개소 및 진전도가 대개 판단 가능하다. 다음에 ‘변압기 수명갱신’에 관계하는 기술로서는 권선도체절연지의 평균중합도에 따른 수명추정이 제창되고 있고 절연지 샘플링 수집에 따른 평균중합도의 실측, 절연유 프루프랄량에서 수명추정을 활용하고 있다. 유중가스 분석의 개요 유입변압기 내부에서 과열·방전이라는 이상이 발생한 경우, 내부에서는 절연유나 고체절연물의 일부분이 열분해해 각종 가스가 발생한다. 이상의 종류와 발생하는 가연성 가스를 <표2>에 기술했다. 유중가스분석이란 운전중·정지중에 관계없이, 변압기 외부에서 소량의 절연유를 채취해, 분석기관에 갖고 와서 색층 분석 장치 등 가스 고밀도의 분석 장치를 이용해 절연유 안의 용해한 가연성 가스량을 분석하는 것에 따라 변압기 내부의 이상 유무를 진단하는 방법이다. 전협연 보고에 의하면 이상진단도나 가스패턴도에서 어느 정도 이상 내용이나 그 규모를 추정하는 것이 가능하고, 그 용이함과 유효성에서 대형유입변압기를 사용하고 있는 많은 유저가 표준적인 보전항목을 채용하고 있다. 유중가스 분석의 유효성 주요 변압기 본체는 화력발전 플랜트 안에서 중요도 높은 설비가 되고 있지만, <그림3>에 나타난 대로 종축에서 고장 나기 쉬움, 횡축에 피해 큼라고 한 리스크매트릭스도 상에 있어서 그 레벨은 오른쪽 아래 ★의 위치가 된다. 주요변압기의 내부고장은 극히 희박해서 고장이 쉽게 일어나지 않는다. 한편으로 피해 크기를 고려할 때 만일 변압기가 정지할 때의 사고 발생은 변압기 교체나 권의 교환이 필요할 정도로 큰 사고를 예측할 수 있어, 복구비용이나 복구공정에서 피해가 매우 크게 된다. 주요 변압기에는 이런 만일의 사고에 대비해 여러 가지 보호 장치가 설치되어 있다. 그러나 오퍼레이터로의 경보발신이나 보호 장치 동작에 의한 이상검지는 일반적으로 상당히 이상이 진전한 단계라고 생각돼 피해 확대를 방지할 수 있더라도 변압기 본체는 큰 데미지를 입게 된다고 예측할 수 있다. 한편 유중가스 분석은 열화도합의 지전을 비교적 초기 단계에서 검지할 수 있다고 생각되고, 그 타이밍이 빠를수록 이후 운전계속이나 점검실시 판단이 용이해지고 또 변압기에 데미지가 적을 때 처리할 수 있기 때문에, 복구공정기간, 복구비용 점에서도 유리하게 된다. 다시 말해, 높은 정밀성의 유중가스 분석은 주요 변압기 내부 이상에 따라 발생하는 리스크를 저감할 수 있다고 생각된다. 연구개발의 배경 1999년 2월 보고의 전협연에서는 최근의 분석기술 향상이나 필드 데이터의 축적부터 내부이상 특징 가스인 아세틸렌을 0.5ppm으로 관리하는 것이 보고 되고 있어 현재 이 신전협연 관리기준이 넓게 이용되고 있다. 한편으로 유저가 많은 설비의 고 경년화가 진행되고 있는 동안에 설비의 연명화와 신속성 유지에 몰두하고 있다. 관리기준 값의 하락에 의한 앞으로 경향 감시를 필요로 하는 기구가 증가할 것이 염려되지만, 현 상태의 정밀분석에서는 높은 분석정도를 갖고 있어서, 1회 분석에 필요한 시간이나 비용 면에서 경향감시에서는 적당하지 않아, 만의 하나 고장을 방지하는 것과 함께 이상의 조기발견을 위해서 유익한 고감도 온라인 유중가스 감시 장치를 실용화가 강하게 요구되고 있다. 이번에 이러한 과제를 해결하고 변압기의 안전·안정운전의 확보와 라이프사이클 비용 절감을 실현하기 위해 연구개발을 실시하게 됐다. 연구개발에 있어서 과제와 목표 본 연구 과제는 높은 분석성능을 갖는 것은 물론이지만, 유저가 감시 장치에 요구하고 있는 기능, 비용을 만족시키는 장치를 실현한 것으로 구체적인 다음 5항목을 중점 목표로 내걸고 연구를 실시했다. ① 신전협연관리 기준을 적용할 수 있는 가스분석정도 ② 안전한 절연유의 채유와 반송 ③ 원격지에서의 운전조작, 감시 ④ 소형·경량화, 변압기의 개조 불필요 ⑤ 장기 안정 운전 연구 개발 성과 고감도에서 유저필요성에 적응한 감시 장치를 실현한 것이 가능했다. 본 장치의 기본구성을 <그림4>에 게재했다. 1. 분석정도(<그림4>의 ①분석부) 새로운 기술로서는 분리 컬럼, 센서의 1컬럼 1센서 방식을 개발해 분석부의 간소화, 소형화를 추구하는 것과 동시에 고감도 분석정도를 실현했다. 2. 절연유의 안전한 채유, 반송(<그림4>의 ② 채유·가스 추출부) 요구되는 기능(채유, 가스추출, 반송) 전부 높은 성능을 갖는 벨로스 방식을 채용했다. 3. 원격지에서의 운전조작·감시(<그림4>의 ③제어부) 원격지의 컴퓨터에서 장치의 운전·정지 및 제어를 실시해 분석결과를 감시하는 것과 동시에 장치 이상경보 발신 시는 장치를 안정하게 정지하고 그 상황을 컴퓨터로 전송한다. 4. 소형·경량, 변압기 개선 불필요(<그림5>) 장치는 W650×H1,000×D650㎜, 중량 140㎏으로 소형 경량화를 실시해, 변압기 드레인 배관을 유용한 것으로 변압기 운전 중에 장치를 설치하는 것이 가능하다. 또 개발 당사의 플로토기에서는 용적 비에 약 50%, 중량 비에 약 60%의 소형·경량화를 추구해 현재 시장에서 사용되고 있는 온라인 감시 장치 크기의 사이즈가 됐다. 5. 장기간 안정 운전 오사카발전소 2호 주요변압기에 플로토기를 설치해 실제 기기에 따른 성능, 내구성 등의 검증을 실시했다. <그림6>에 분석결과 (검출파형), <표3>에 정밀분석 값과의 비교를 표시했지만, 각종 가스 성분을 고감도에서 안정적으로 검출가능하고, 그 측정치는 정밀 분석 치와 거의 일치하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 기대할 수 있는 활용효과 아세틸렌이나 에틸렌이 발생한 사례를 <그림7>에 나열했다. 이 사례에서는 30ppm 전후의 에틸렌을 검출하면서 운전을 계속했지만 에틸렌이 84ppm으로 증가하면서 동시에 아세틸렌이 0.63ppm 검지되었기 때문에 이후 분석 간격을 짧게 함으로써 감시강화를 꾀하고 당초 계획했던 정기점검까지 운전을 계속하고 있다. 내부점검의 결과에서 무전압 타입 절환기의 절연실드부에서 작은 방전흔을 발견했지만 구전협연관리기준에서는 에틸렌은 250ppm, 아세틸렌은 20ppm까지 허용되어 있던 것을 고려해 신전협연관리기준에 의해 이들의 이상을 빠르게 단계적으로 검지할 수 있는 것을 알 수 있는 것과 동시에 정밀성 높은 온라인 유중 가스 감시 장치가 있으면 이들의 가스 발생상황을 연속적으로 감시할 수 있어, 보다 안심하고 운전연속 및 그 판단이 가능한 것을 알 수 있었다. 이번에 개발한 장치는 온라인에서 정밀성 높은 유중 가스 분석이 가능하고, 전협연의 가스 패턴도나 이상 진단도를 이용한 진단기능을 대비하고 있기 때문에 중요한 변압기 신속성 유지, 중대사고 방지에 활용하는 것과 함께 합리적으로 적확한 내부점검·수리계획 등의 역할을 할 예정이다. 또, 본 연구 개발은 메카기술, 분석기술, 그리고 유저기술을 하나로 잇는 것으로 실용화를 목적으로 실현할 수 있지만 앞으로 중요해지는 것은 미량의 가연성 가스를 검지한 결과부터 그 데이터를 어떻게 해석하고, 어떤 판단을 하는가 여서 꾸준한 필드 테스트 축적에 따른 이상 판정 정도의 향상에 몰두하는 등 한층 더 보전 고도화를 지향해 가고 있다.