변압기 성능향상을 실현시키는 복합 절연 시스템

변압기 성능 향상을 실현시키는 복합절연시스템 배전용 변압기의 운전 수명은 절연물의 상태에 따라 좌우된다. 변압기 절연물의 열화는 유전강도 및 변압기의 단락강도의 감소의 원인이다. 국내 배전용 변압기 제조업체들은 바니쉬를 사용하여 권선의 기계력 향상을 도모한다. 그러나, 경화된 바니쉬는 시간이 지남에 따라 변압기의 특성에 불리하게 영향을 미친다. 배전용 변압기의 절연성능 개선 및 단락강도의 향상을 통하여 이러한 배전용 변압기의 유지 보수 및 교체를 위한 비용이 절감 될 수 있다. 아라미드 절연지(Aramid Paper)와 셀룰로오스 절연지를 함께 사용한 복합 절연 시스템을 적용하여 많은 수의 주상 변압기에서 일어나는 고장을 막을 수 있다. 이러한 새로운 형태의 주상변압기는 기존의 변압기의 설계의 일정부분의 변경을 필요로 하는데, 예를 들어 층간 냉각용 덕트의 사용을 최소화해 단락 강도 기계력의 향상을 위한 변압기의 구조를 강화시키는 것이다. 또한 최소한의 덕트 사용으로 단락 기계력이 향상됨에 따라, 본 복합 절연 시스템에는 바니쉬 함침 공정을 필요로 하지 않게 되었다. 이러한 복합 절연 시스템이 적용된 변압기는 높은 신뢰성과 향상된 변압기 수명을 가질 수 있게 되었고 궁극적으로는 전력사의 원가 저감에 기여하게 될 것이다. 국내 주상 변압기 실태 <실험 결과 분석> 2002년 현재 국내에서 가동되고 있는 주상변압기의 숫자는 약 160만대에 이르고 있다. 한국 전력 공사(KEPCO)는 최근에 신규 변압기의 성능 검사를 실시하였는데, 이들 중 많은 수의 변압기의 성능이 기준에 부합되지 못하는 것으로 판명되었다. <그림1>에서는 성능 검사에서 불합격된 제품들의 불합격 원인을 보여주고 있는데, 그 주요 원인은 변압기의 단락에 기인함을 가리키고 있다.

복합절연시스템을 적용한 변압기 설계의 기본적인 개념 절연시스템의 한계 온도는 권선과 직접 접촉하고 있는 절연지의 열적 특성과 직접적인 관련이 있다. 기존의 주상 변압기에 사용되고 있는 셀룰로오스 절연지(Kraft지)의 경우, 최대 허용 온도는 섭씨 95도(평균 권선 온도로는 55K)이다. 내열 성능을 보강한 절연지의 경우의 최대 허용 온도는 섭씨 110도(평균 권선 온도로는 65K)이다. 한편, 아라미드(Aramid) 절연지의 경우 최대 허용 온도는 최소한 섭씨 190도 이상이다. 일반적으로 변압기는 허용 온도 값이 올라 갈수록 소형화 될 수 있다. 예를 들어 평균 권선 온도의 10% 상승을 통하여 변압기에 사용되는 규소 강판과 동의 사용량을 20%로 감소시킬 수 있다. 복합 절연 시스템을 적용할 경우 절연 수명의 저하 없이 섭씨 110도를 초과한 최대 권선 온도 값을 갖는 설계가 가능하게 된다. 그럴 경우라도 권선 설계는 통상적인 65도 권선 온도 상승 값을 갖도록 설계되어진다. <그림2>는 복합 절연 기술에 대해 설명한 것인데, 복합 절연 시스템의 열적 열화요인을 최소화하도록 아라미드(Aramid)절연지가 1차 권선 도체와 직접 접촉하는 부위에 사용되며, 기타 다른 부분에는 일반적인 셀룰로오스 절연지(Kraft지)가 사용되고 있다.

시험용 변압기의 성능 시험 동일 전압, 용량 및 %임피던스를 갖는 두 가지 형태의 변압기(외철형(Shell Type)과 내철형(Core Type))가 일반형 저손실 주상변압기와의 비교를 위해 제작 됐다. 그리고, 이 변압기들에는 전압 변동에 대비하기 위해 13.2kV 일차 전압단에 2개의 탭을 설치했다. (1개의 + 탭 과 1개의 - 탭) 바니쉬 함침을 하지 않고도 기계적 강도를 강화한 새로운 방식의 변압기 디자인이 단락 기계력 특성을 향상시켰다. 전체적으로 4대의 복합 절연 방식 변압기와 4대의 일반형 주상 변압기가 실험을 위해 제작 사용되었다. <그림3>은 외철형(Shell Type) 변압기의 내부 사진이다.

상기 외철형 변압기의 평균 권선 온도 상승은 65도이며 일반 변압기에 붙는 6판넬 구성의 방열판 대신 8판넬 구성의 방열판이 장착되었다. 권선 배치는 저압-고압-저압 방식으로 2차 권선인 저압부를 둘로 분리하여 제작됐다. 클램프 부분은 일반 절연시스템이 사용된 변압기의 단락 강도 성능이 미흡하다는 사실을 테스트하여 밝혀진 후에 보강 개선됐다. <그림4>는 내철형 (Core Type) 변압기의 내부를 찍은 사진이다. 복합 절연 시스템의 높은 내열 온도 특성이 절연유의 순환을 위한 냉각 덕트 사용을 상당부분 감소시켜 주었다. 일반 주상 변압기의 저압 권선부에 사용되는 2층 구조의 냉각용 덕트 시스템이 단층 구조로 대체되었고, 고압 권선부의 4개의 마감 냉각 덕트가 완전히 제거됐다. 이로 인하여, 손실 값의 감소와 소형화 설계가 가능해 졌으며 기계적인 강도도 더욱 개선됐다. 가속 열화 시험 온도와 시간은 다양한 조건의 부화와 가동 년 수를 가지고 운전중인 주상 변압기의 권선 절연부의 열화에 영향을 미치는 주요 원인들이므로, 열주기 시험(Heat Cycle Test) 장비를 사용하여 변압기들의 열화 성능이 측정됐다. 변압기 설계자들과 전력회사의 운전 엔지니어들은 변압기의 권선 온도가 규정된 최대 허용 온도를 초과하였을 때, 절연 시스템이 급격하게 열화 되기 때문에, 셀룰로오스 절연 변압기의 경우 온도 상승 시험을 가장 중요한 시험으로 인식하고 있다. 시험용 변압기들에 사용된 과부하 시험 조건은 아래 <그림5>에 설명 되어있다.

부하 주기는 전부하의 90%에서 15시간 후 전부하의 150%에서 9시간으로 구성되었다. 이러한 가속 열화 시험이 약 40일 동안 지속적으로 수행되었다. 전부하의 150%시에 권선의 온도는 약 155∼160도 정도까지 상승했다. ANSI/IEEE C57.92의 Loading Guide에 따르면, 최대 평균 권선 온도가 55도 일 경우 이 온도에서 변압기의 예상 수명은 약 500시간으로 정의 되어있다. 상기 과부하 시험을 40일 동안 실시한 변압기의 예상 수명은 일반 변압기 예상 수명의 72%정도로 추정된다. 따라서, 이러한 열화 시험법을 통하여 약 14년의 가속 열화 조건을 시뮬레이션 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. <그림6>, <그림7>, <그림8>은 변압기의 열화도를 측정하기 위한 센서, 센서의 유중 취부 상태, 절연유의 열화 진단 시스템의 개념도이다.

센서에 의해 측정된 누설 전류량은 온도의 변화에 따라 차이가 발생하게 되므로, 진단 시스템은 실시간으로 측정된 절연유 온도와 그 보정 값을 표시한다. 유면의 최하부와 방열판의 상부, 방열판에서 인출되는 샘플부 등 변압기의 주요 부위에 장착된 4개의 센서를 통해 온도는 측정된다. 또한, 시험 주기동안 각각의 변압기의 비교를 위해 두 가지 형태의 시험용 복합 절연 변압기와 일반 주상변압기에 취부된 Toid 센서에 의해 누설 전류 값이 측정된다. 열화 시험 동안 누설 전류량의 증가량의 비교를 통하여 복합절연시스템으로 적용한 변압기가 일반형 저손실 주상 변압기에 비해 과부하에 의한 영향을 적게 받는다는 것을 알 수 있었다. 절연지의 열화 동일 조건에서의 가속 열화 시험 후 외철형(Shell Type) 복합 절연 변압기와 일반 주상 변압기의 층간 절연용 절연지의 Tan-delta값이 측정됐다. <그림9>에서 복합 절연 변압기의 tan-delta값이 일반 주상 변압기의 값보다 현저히 작음을 알 수 있다. 이는 절연 열화 후 전기적 특성이 복합 절연 시스템을 적용함으로서 개선되어질 수 있다는 것을 의미하는 것이다. 절연유 중 누설 전류

<그림10>은 복합 절연 변압기와 일반 저 손실 주상 변압기에 취부된 열화 진단 센서에 의해 측정된 누설 전류값을 나타내고 있다.

상기 <그림10>을 통하여 변압기의 부하가 누설 전류량에 영향을 미치게 하는 것을 알 수 있다. 본 측정 시스템이 자동 온도 측정을 위해 조정이 되었다 할 지라도, 부하의 증감에 비례하여 변압기의 내부 온도에 의해 누설 전류량이 증감되고 있음을 알 수 있다. 그러나, 평균적으로 볼 때 누설 전류는 시간이 지남에 따라 점차적으로 증가되는 것으로 나타나고 있으며, 이는 변압기 권선의 열화가 점진적으로 진행되고 있음을 말해주는 것이다. 본 열화시험 동안 누설 전류의 증가 추이를 고려해볼 때도 또한 복합 절연 변압기가 일반 저손실 주상 변압기에 비해 과부하에 의한 영향을 적게 받았음을 알 수 있었다. 결론 일반 셀룰로오스 절연지와 아라미드(Aramid) 절연지로 구성된 복합절연방식을 적용하여 제작된 복합 절연 주상 변압기는 아래와 같은 장점을 갖는다. · 과부하 조건 시 Cellulose 절연지의 열화 감소 · 단락 시 낮은 기계적 강도에 의한 이차 권선의고장요인 감소 · 일반형 저손실 주상 변압기와 비교시 장기 사용 신뢰성 개선 일반형 저손실 주상 변압기에 비해 제조단가는 약 10%정도 증가하지만, 일반 저손실 주상 변압기에 비해 훨씬 증가된 예상 수명과 신뢰도를 종합해 보았을 때 복합 절연 변압기를 사용하였을 경우 전체적으로는 상당한 경제적 이득이 발생한다.