고압전동기 절연열화 분석

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고압전동기 절연열화 분석

2006년 7월 1일 (토) 23:03:00 | 지면 발행 ( 2006년 6월호 - 전체 보기 )

서론필자는 지난 5월 전력연구원에서 개최한 ‘전기설비 진단기술 세미나’에서 고압전동기 절연열화에 대한 분석자료를 발표했다. 여기에 간략하게 소개한다.장기간 사용된 고압전동기 고정자 권선의 절연재료는 슬롯 부분보다도 단말권선(endwinding)에서 열화가 진행되는 경우가 많으며, 단말권선 표면의 오손, 습기조건에 의해 파괴전압이 저하할 수 있다. 고압전동기는 사용 환경이 다르기 때문에 고정자 권선 표면이 약품, 유독가스, 분진 및 수분 등 다른 분위기에서 운전되어 단말권선 단부의 절연재료에 도전성 물질 부착과 정지중에 흡습으로 인해 절연층의 열화가 진행한다. 또한, 고압전동기는 기동할 때 흐르는 전류로 인해 전자력이 크게 발생됨에 따라 피로열화에 의한 박리, 균열 및 보이드 등에 의해 절연열화가 가속되어 최종적으로 절연파괴가 일어난다.발전소 주요설비에서 운전중인 고압전동기의 갑작스런 절연파괴 사고는 전력공급의 신뢰성을 저하시키고, 단시간에 복구가 곤란할 뿐만 아니라 상대적으로 경제적인 손실이 매우 크게 된다. 따라서 대용량 고압전동기 고정자 권선에서 절연파괴가 발생하기 전에 열화상태를 평가하리 위해 주기적인 정밀점검과 절연진단 시험을 수행하고 있다. 정밀점검은 대략 3년 주기로 계획예방정비 기간 중에 실시되며, 절연진단 시험은 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 등에 의하여 절연열화 정도를 판정하고 있다. 미국 EPRI는 정격전압이 2.3kV 이상의 대용량 전동기가 설치되어 운전중인 발전소에서 7,500대를 조사한 결과, 37%는 고정자 권선에서 절연파괴가 발생한 것으로 발표하였다.이번 연구에서는 실제 6.6kV급 고압전동기에서 절연열화 상태를 평가하기 위해 그룹권선을 도체표면과 주절연재료 내부에서 공극, 반도전층 손상 및 소선 단락 등과 같은 인위적인 결함을 갖도록 제작하고 한 가지 종류는 정상적인 권선으로 만들어서 고정자 권선에서 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 등을 측정하고 실제적으로 교류전압을 인가하여 절연파괴 시험을 시행하였다. 최종적으로 고압전동기 절연진단 결과와 절연파괴전압 사이의 상관관계를 검토하여 절연열화 특성을 분석하였다. 고압전동기의 절연진단 데이터 분석<표 1>은 전력연구원에서 1999~2005년까지 7년 동안 연도별 고압전동기 총 4,845대의 절연진단 결과를 나타내었으며, 양호 4,276대, 권선교체 129대, 분해점검 126대 및 주기적 진단 314대로 판정하였다. 고압전동기 고정자 권선 교체는 교류전류, 유전정접 및 부분방전 등에 의해 평가하였으며, 수화력과 원자력 발전소에서 정밀 절연진단을 통해 최적의 유지정비, 수명연장 및 안정적인 운전에 크게 기여하고 있다. 시험방법이번 연구에서는 인위적인 결함을 갖도록 제작한 그룹권선과 정지중에 고압전동기 고정자 권선에서 절연진단과 파괴시험을 수행하였다. 정지 중에 고정자 권선의 교류전류, 유전정접 및 부분방전 시험을 위해 쉐링브리지(Schering Bridge), 커플링 캐퍼시터(Coupling Capacitor) 및 부분방전 측정기(Partial Discharge detector : PDD, Tettex Instruments TE 571)를 사용하였다. 쉐링브리지는 전원장치(HV Supply, Type 5283), 브리지(Bridge, Type 2818) 및 공진인덕터(Rsonating Inductor, Type 5285)로 구성되어 있다. <그림 1>은 그룹권선을 설치한 고압전동기 고정자 권선에서 교류전류, 유전정접 및 부분방전 시험을 위한 절연진단 장비와 회로도를 나타내었다. 고압전동기 고정자 권선에 쉐링브리지(Tettex Instruments)를 연결하여 교류전압을 인가하며, 커플링 캐패시터(Tettex Instruments, 4,000pF)는 권선에서 유입되는 신호를 커플링 유니트(Coupling Unit, Tettex Instruments AKV 572)에 보내어 증폭한 후 부분방전 측정기에서 방전크기 및 패턴을 측정하였다. 부분방전 측정기의 주파수 대역폭은 40~400㎑이다.시험결과 및 고찰1.결함요소별로 제작된 그룹권선의 특성

<그림 2>와 <그림 3>은 그룹권선의 모형도 및 단면도를 나타냈으며, 12개의 도체가 2병렬로 구성되어 있고 <표 2>에 나타낸 절연재료를 사용하여 아래와 같이 그룹권선을 제작하였다.○ 리드선 절연은 마이카 테이프(Mica Tape)를 1/2Lap으로 7회 감은 후, 글라스 테이프(Glass Tape)를 1/2씩 중첩하여 2회 감는다.○ 리드선 절연 후, 코일 전 둘레로 Mica Tape를 1/2씩 중첩하여 7회 감은 후, 직선부는 도전성 테이프(Conductive Tape)로 1/2씩 중첩하여 1회 감는다. 또한, 곡선부는 반도전성 테이프(Semi-conductive Tape)를 이용하여 1/2씩 중첩하여 1회 감는다.

<표 3>은 5개 그룹권선의 결함요소를 나타냈다. <표 4>는 그룹권선의 절연저항 및 성극지수를 나타냈으며, 1분값에서 절연저항은 소선단락과 정상적인 권선에서 각각 98.5GΩ과 90.7GΩ으로 높게 나타났다. 반면에 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선에서는 각각 20.5GΩ, 31.77GΩ 및 64.9GΩ으로 나타났다. 10분값에서 절연저항은 소선단락과 정상적인 권선에서 각각 392GΩ과 360GΩ으로 높게 나타났으며, 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선에서는 각각 111GΩ, 139GΩ 및 287GΩ으로 나타났다. 성극지수값은 소선단락과 정상적인 권선에서 각각 3.98과 3.97로 나타났으며 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선에서는 각각 5.42, 4.38 및 4.42로 나타났다. 따라서 고압전동기 고정자 권선의 절연상태를 평가할 때 성극지수값 자체보다는 1분과 10분에서 절연 저항값의 크기로 평가하는 것이 더 효율적인 방법인 것으로 사료된다. 단지 성극지수값은 어느 값 이상이 되면 절연상태가 양호하다고 판정할 수 있으며, 그 값 자체가 크다고 해서 절연상태가 양호하다고 판단하기는 어렵다.<표 5>와 <그림 5>에서 알 수 있는 바와 같이 소선단락과 정상적인 권선에서 ΔI는 각각 6.29%와 6.88%로 낮게 나타났으며, 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선에서는 각각 40.17%, 31.6% 및 13.65%로 나타났다.

<표 6>과 <그림 6>에서 알 수 있는 바와 같이 소선단락과 정상적인 권선에서 Δtanδ는 각각 3.44%와 3.65%로 낮게 나타났으며, 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선에서는 각각 21.83%, 18.76% 및 11.95%로 나타났다.

<표 7>에서 알 수 있는 바와 같이 상전압에서 소선단락과 정상적인 권선의 부분방전 크기는 각각 380pC, 1700pC으로 낮게 나타났으며, 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선에서는 각각 8700pC, 3700pC 및 1600pC으로 나타났다. 그러나 상전압의 1.25배인 4.76kV에서 소선단락과 정상적인 권선의 부분방전 크기는 각각 2700pC, 6400pC으로 낮게 나타났으며, 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선에서는 각각 3500pC, 1900pC 및 9700pC으로 나타났다. 따라서 부분방전 크기는 상전압에서는 결함요소에 따라 차이는 있지만 모두 10000pC이하로 측정되어 양호하지만, 결함을 갖는 권선의 경우 상전압의 1.25배인 4.76kV에서 부분방전 크기는 현저하게 차이가 발생함에 따라 고압전동기 고정자 권선의 절연열화 상태를 평가할 때는 4.76kV에서 평가하는 것을 고려해야 한다.<표 8>에서 알 수 있는 바와 같이 5개 그룹권선을 종합적으로 분석한 결과 소선단락과 정상적인 권선은 양호하게 분석되었으며, 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선 등은 권선 교체로 판정되었다. 절연파괴시험 결과 도체표면에서 공극(Group B)은 12.7kV로 가장 낮고 정상적인 권선(Group E)은 40kV로 가장 높게 나타났다. 절연파괴 위치는 Group A~Group D권선은 슬록단부이며, Group E 권선은 단말권선에서 발생하였다. 2. 고압전동기 절연진단 및 파괴시험<표 9>는 6.6kV급 고압전동기 9대 및 4.16kV급 고압전동기 2대의 정격을 나타냈으며, 본 논문은 6.6kV급 고압전동기 8대에서 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 등을 측정하고 실제적으로 교류전압을 인가하여 절연파괴 시험을 수행하였다. 또한 절연진단 결과와 절연파괴전압 사이의 상관관계를 세밀하게 검토하여 절연열화 특성을 분석하였다.4대의 동일한 정격을 갖는 고압전동기에서 절연진단과 파괴시험의 결과 및 육안점검에 의한 오손정도를 <표 10>에 나타내었다. 고압전동기의 유전정접, 교류전류, 파괴전압, 절연파괴 위치 및 오손정도를 종합적으로 분석하였다. 4대의 고압전동기 모두 재권선을 시행하였으며, 절연저항, 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 등을 측정한 후에 절연파괴 시험을 수행하였다. 절연진단 결과 No.1,2,3은 양호하고 No.4는 불량으로 판정되었다. 따라서 오손정도와 절연진단 데이터를 분석한 결과 가장 양호하게 나타난 No.3에서 절연파괴 전압이 17.46kV로 가장 높으며, 오손정도가 가장 심하고 절연진단 결과도 불량으로 판정된 No.4에서 절연파괴 전압이 6.99kV로 가장 낮게 나타났다. 절연파괴 위치는 No.1,3,4는 슬롯 단부, No.10은 단말권선과 철심사이에서 발생하였다.<표 11>은 No.7 고압전동기에서 Flashover 전후 특성을 나타내었으며, flashover전 데이터는 절연파괴 시험 전에 측정하였다. flashover후 데이터는 15kV에서 flashover가 발생한 후에 다시 유전정접과 교류전류를 측정하여 비교하였다. flashover전에 측정한 데이터에 비해 flashover후에 측정한 데이터는 절연열화가 상당히 진행된 것을 의미한다. 단순히 flashover 전후에 ΔI와 Δtanδ의 결과를 분석하면 flashover전 데이터에 비해 flashover후 데이터가 오히려 낮게 나타났으나, <그림 7>과 <그림 8>에에서 나타낸 바와 같이 절연물이 손상됨에 따라 유전정접과 교류전류의 측정값이 증가하고 있음을 확인하였다. 그동안 고압전동기 절연열화를 판정할 때 ΔI와 Δtanδ의 값을 갖고 평가하였으나, 이제는 유전정접과 교류전류의 측정값 자체도 참고할 필요가 있다. No.7 고압전동기는 15kV에서 1차 flashover가 발생하였고 8.7kV에서 최종적으로 절연파괴가 일어났다.

<표 12>에서는 6.6kV급 고압전동기 8대의 유전정접, 교류전류 및 절연파괴 전압 등을 나타내었다. No.3 고압전동기의 절연파괴 전압이 17.46kV로 가장 높고, No.4 고압전동기의 절연파괴 전압이 6.99kV로 가장 낮게 분석 되었다. 오손정도가 심하고 ΔI와 Δtanδ의 크기가 높게 분석된 고압전동기에서 절연파괴 전압이 낮게 나타났다. <그림 9>와 <그림 10>에서 알 수 있는 바와 같이 Δtanδ 및 ΔI와 절연파괴 전압 사이의 관계가 거의 비레적으로 나타나고 있다. 따라서 ΔI와 Δtanδ가 낮은 고압전동기 No.1,2,3,8은 절연파괴 전압이 높고, ΔI와 Δtanδ가 상대적으로 높은 고압전동기 No.4,9는 절연파괴 전압이 낮게 분석되었다.

연구결과실제 6.6kV급 고압전동기에서 절연열화 상태를 평가하기 위해 그룹권선을 도체표면과 주절연재료 내부에서 공극, 반도전층 손상 및 소선 단락 등과 같은 인위적인 결함을 갖도록 제작하고 한 가지 종류는 정상적인 권선으로 만들어서 고정자 권선에 설치하였다. 또한, 발전소에서 10년 이상 운전된 8대의 6.6kV급 고압전동기 고정자 권선에서 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 등을 측정하고 교류전압을 인가하여 절연파괴 시험을 시행한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.(1) 5개 그룹권선을 종합적으로 분석한 결과 소선단락과 정상적인 권선은 양호하게 분석되었으며, 도체표면에서 공극, 주절연재료 내부에서 공극 및 반도전층이 제거된 권선 등은 교체로 판정되었다. 절연파괴시험 결과 도체표면에서 공극(Group B)은 12.7kV로 가장 낮고 정상적인 권선(Group E)은 40kV로 가장 높게 나타났다. 절연파괴 위치는 Group A~Group D 권선은 슬롯단부이며, Group E 권선은 단말권선에서 발생하였다.(2) 고압전동기 고정자 권선의 절연상태를 평가할 때 성극지수값 자체보다는 1분과 10분에서 절연저항값의 크기로 평가하는 것이 더 효율적인 방법인 것으로 사료된다. 그리고 결함을 갖는 권선의 경우 상전압의 1.25배인 4.76kV에서 부분방전 크기는 현저하게 차이가 발생함에 따라 고압전동기 고정자 권선의 절연열화 상태를 평가할 때는 4.76kV에서 평가하는 것을 고려해야 한다.(3) No.3 고압전동기의 절연파괴 전압이 17.46kV로 가장 높고, No.4 고압전동기의 절연파괴 전압이 6.99kV로 가장 낮게 분석되었다. 오손정도가 심하고 ΔI와 Δtanδ의 크기가 높게 분석된 고압전동기에서 절연파괴 전압이 낮게 나타났다. No.7고압전동기 flashover전후에 절연진단 결과 flashover 발생으로 인해 절연물이 손상됨에 따라 유전정접과 교류전류의 측정값이 증가하였으나 ΔI와 Δtanδ의 값은 오히려 감소하였다. 따라서 그동안 교압전동기 절연열화를 판정할 때 ΔI와 Δtanδ의 값을 갖고 평가하였으나 유전정접과 교류전류 측정값의 크기 자체도 참고할 필요가 있다. 고압전동기 절연진단과 파괴시험 결과 ΔI와 Δtanδ가 낮은 고압전동기 No.1,2,3,8은 절연파괴 전압이 높고, Δtanδ와 ΔI가 상대적으로 높은 고압전동기 No.4,9는 절연파괴 전압이 낮게 분석되었다.