현대중공업㈜ 전기전자시스템사업본부(www.hyundai-elec.com) 이창호 부장 (052)203-8822 / bluesky@hhi.co.kr
개요
비약적인 산업 발전으로 고전압의 대형화된 전력계통이 필요해짐에 따라 대용량 변압기에 대한 수요가 늘고 있다. 그러나 이러한 대용량 변압기에서 갑작스런 사고가 발생한다면 방대한 피해 범위와 막대한 경제적 손실을 불러올 수 있다. 변압기 사고의 경우 광범위한 사회적 파장을 복구하는 데 장기간이 소요되기 때문에 보다 안전하고 안정적인 전력 공급을 위해 사고의 조기 진단을 위한 장치가 요구된다.
<그림 1>은 1999~2000년 사이에 발생된 154㎸이상 변전기기별 고장률 분포를 나타낸 것이다. 이 중 주변압기(MTR)의 고장률이 전체의 42%로 상대적으로 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 주변압기의 고장 내용을 분석한 <그림 2>를 살펴보면, 절연 이상이 35.7%, OLTC 13.4%, 접촉 불량 1.9%, 오동작 21%, 온도 상승 0.6%, 누유 0.6%, 기타 26.8%로 나타났다.
이와 같은 고장 요소에 대하여 지속적이고 효과적인 모니터링이 필요하나, 기존의 변압기 온라인 모니터링은 단순한 유온도, 권선온도 감시가 대부분이며 주로 자체 관리기준에 의거한 정기점검 방식으로 관리되어 왔다. 이에 정기점검 기간 사이에 발생할 수 있는 불시의 사고에 대비해 적절한 상시감시 진단 장비가 요구되는 실정이다. 최근에는 유중가스 센서를 이용한 변압기의 상시감시가 증가 추세에 있으며, 또한 다양한 온라인 진단 센서들이 소개되고 있다. 여기서는 이러한 주요 센서 데이터를 종합하여 취득하고 체계적인 이력 관리를 통해 보다 향상된 진단 정보를 제공할 수 있는 변압기 모니터링 시스템에 대해서 살펴본다.
변압기 모니터링 시스템과 주요 센서
변압기 모니터링 시스템이란 변압기 상에 설치된 복수의 감시 센서로부터(<표 1> 참조) 측정된 값을 통해 온라인 상시감시 모니터링 및 진단 기능을 제공할 수 있는 시스템을 이야기한다.
최근의 변압기 모니터링 시스템은 변압기 제어반에 변압기의 운전 정보를 취득할 수 있는 모니터링 IED(Intelligent Electronic Device)를 각기 설치하여 통신을 이용해 변압기 모니터링 서버에 계측 값 및 운전 정보를 제공한다. 이러한 구성을 통해 각 변압기별 이력 관리가 가능하며, 변압기 모니터링 서버와는 별개로 현장에서 운전 정보를 저장하고 접근하는 일이 가능하다. 또한 제어반에 설치되어 있는 변압기 모니터링 IED까지만 제어 케이블을 포설하면 되기 때문에 상당량의 케이블을 줄일 수 있어 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 변압기 모니터링 시스템은 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 변압기에 설치되는 센서 부분과 센서의 출력을 취합할 수 있는 모니터링 IED, 그리고 원방(Remote) 감시 장치인 모니터링 서버로 구성된다. 우선, 주요 센서의 각 기능에 대해 간략히 살펴본 후 이를 통합 관리할 수 있는 변압기 모니터링 IED의 기능을 중심으로 이야기한다. 이어 원방 모니터링 서버 기능에 대해서도 간략히 소개하고자 한다.
주요 센서
변압기의 상태 모니터링을 위해서는 변압기 상에 검출 센서가 설치돼야 하며 그 종류와 기능에 대해 간략히 살펴보면 다음과 같다.
1. 유중가스 센서 유중가스 센서는 변압기의 내부 이상을 검출하기 위한 기본 장치로, 절연유 내의 용존가스 분석을 통해 변압기 내부의 절연 이상 진단이 가능하다. 수소(H₂)와 수분(H₂O)을 검출할 수 있는 단순 가스 모니터, 8종류의 가스 및 수분을 검출할 수 있는 다중가스 모니터링 제품들이 이미 시장에 출시되어 있다(<그림 3> 참조). 분석 결과 값을 통합 모니터링하기 위해 4~20㎃ 출력 및 통신을 이용하여 가스의 농도를 읽을 수 있다.
2. 부싱 모니터링 센서 부싱 모니터링 센서는 유입식 콘덴서 부싱의 절연열화를 진단하는 장치로, 부싱 레이어 간에 단락이 발생하면 주로 캐패시턴스(Capacitance)에 변화가 일어난다. 부싱 내부에 가스 발생 및 수분 증가 시탄델타(Tandelta)의 변화를 감지하여 부싱의 이상 유무를 판단하는 장치로 통합 관리를 위해 통신 인터페이스가 필요하며, <그림 4>와 같은 제품들이 출시됐다.
3. 전류, 온도, 레벨(Level) 센서 부하전류 및 모터 운전전류 계측을 위해 CT(Current Transformer)의 설치가 요구되며, 절연유 및 권선온도를 계측하기 위해 주로 백금 측온센서(PT100)가 사용된다. 또한 절연유의 유면 높이 감시를 위해 4~20㎃ 출력 트랜스듀서(Transducer) 등이 설치된다.
4. 변압기 보호 릴레이 변압기 이상 압력 방출 장치인 방압변, 순간 이상 압력 검출 장치인 충격 압력 릴레이 등의 동작을 감시할 수 있도록 트립 접점 외에 변압기 모니터링 시스템을 위한 추가 접점 확보가 요구된다.
변압기 모니터링 IED
변압기 모니터링 IED는 앞서 언급한 변압기에 장착된 센서 및 기기로부터 출력을 받아들여 내부 알고리즘을 이용해 각종 경보 및 제어 기능을 담당한다. 원방 서버로 통신 중계 역할을 수행하는 지능형 데이터 수집 및 제어 장치로, 기존의 PLC 형태의 데이터 수집 장비에 비해 LCP(Local Control Panel) 상에 장착되므로 설치가 손쉬우며 케이블, 설치 공간 절약 및 관리 측면에서 많은 이점을 가진다. 변압기 모니터링을 위해 전용 연산 및 제어 기능을 탑재해 다양한 부가 기능을 제공받을 수 있는 제품들이 현재 시장에 출시되고 있다. 그 기능을 살펴보면 다음과 같다.
1. 센서 통신 인터페이스 센서 통신 인터페이스는 데이터 양이 많은 다중가스 분석 장치 및 부싱 모니터의 분석 값을 읽어 취합할 수 있는 기능을 위해 구비되어 있다. 변압기 모니터링IED는 시리얼 통신 마스터(Serial Communication Master) 기능을 가지고 있어 읽어 들인 데이터를 통하여 경향 분석을 위해 SD 메모리에 주기적으로 데이터를 저장하는 기능을 지원한다. 또한 실시간 경보 및 이력 정보를 발생 시간별로 저장할 수 있는 기능을 지원하며, 모든 경보 사항은 SD 메모리에 저장, 휴대용 컴퓨터에 업로드(Upload)가 가능하여 Backup 데이터로 사용할 수 있다.
2. 계측 기능 삼상 부하전류, 전압 계측을 통해 변압기의 기본적인 운전 정보의 제공이 가능하며, 유온도, 권선온도 연산을 위하여 부하전류 값이 사용된다. 또한 냉각팬 모터 전류 및 탭 절환 모터의 전류 계측을 위해 클램프 타입의 전류 계측용 CT를 적용하여 설치의 용이성 및 신뢰성 확보를 도모할 수 있도록 구성된 제품도 출시되고 있다(<그림 7> 참조). 백금 측온 센서(PT100) 입력을 통하여 변압기 유온도 및 권선온도의 계측이 가능하며, 유면의 높이 계측을 위해 전류(4~20㎃) 입력을 받을 수 있도록 구성된다.
3. 알고리즘 기능 ⑴온도연산 IEC 60354(IEC 359) 및 IEEE std.C 57.91에 따라 Hot Spot(최고점) 온도 및 권선온도 연산 기능이 기본적으로 구비되어 있어 몇 가지의 변압기 데이터만 주어진다면 각 변압기별 최고점 온도 계산 및 현재 부하율에 따른 온도 예측까지 지원한다.
이렇게 연산을 통해 얻어진 온도에 따라 냉각팬 예측 제어를 수행하는 변압기의 온도 변화 폭을 줄여줌으로써 변압기 부리씽(Breathing)을 줄이고 변압기 내의 수분 함침을 낮출 수 있어 결국 변압기 절연유의 수명 연장에 도움을 줄 수 있다. <그림 8>은 냉각팬 제어 방식에 따른 온도 변화 그래프를 나타낸 것으로, 온도 예측에 의한 냉각팬 제어를 통해 변압기 온도 변화 폭을 줄여줄 수 있음을 보여준다.
또한 냉각팬의 운전 시간을 감안하여 자동으로 그룹 절체스위치(43) 기능을 가지고 있어 냉각팬의 수명 연장을 도모하도록 하는 기능이 구비되어 있다. 게다가 낮은 부하에서 운전되는 변압기에 있어서 오랜 기간 냉각팬이 멈춰져 있을 경우 발생될 수 있는 냉각팬 모터의 녹 방지 및 이물질 제거를 위해 냉각팬 자동 기동 모드가 지원된다.
⑵ 잔여수명 연산 현재 부하율을 감안하여 연산된 변압기의 최고점 온도 값을 이용해 변압기의 잔여수명 연산 기능을 제공한다. 이는 변압기의 유지, 보수 방향 결정 시에 유용한 참고 값이 된다.
⑶ 탭 절환기(OLTC) 감시 <그림 9>와 같이 탭 절환기(OLTC)의 제작사별로 제공되는 접점(Contact) 마모율 그래프를 참조하여 절체 시 부하율에 따른 접점의 마모율을 연산할 수 있는 기능이 지원된다.
또한 접점의 마모도에 따라 OLTC 스위칭 시 구동모터의 전력이 증가하므로 구동모터의 전력 경향을 참조하여 접점 마모도를 간접 예측할 수 있도록 구동모터의 전력 경향 값을 지원한다. 탭 절환기 탱크(Tank)의 오일 온도가 메인 탱크(Main Tank)의 오일 온도보다 높을 경우 탭 절환기 내 사고로 인해 온도가 역전될 수 있다. 이때를 대비한 경고 발생 기능도 갖추고 있어 사용자의 점검을 유도하고 있다.
⑷ 입 · 출력 변압기 모니터링 IED는 변압기 상의 각종 경보 및 상태 접점을 수용하기 위한 입력 접점, 냉각팬 제어 및 경보 출력 접점을 보유하고 있으며, 백금 측온센서(PT100), 전류, 전압 및 4~20㎃ 전류 입력을 위한 아날로그 입력부가 구비되어 있다. 또한 변압기 측에서 현재 운전 및 경보 상태를 확인할 수 있는 지시 화면을 보유하고 있다.
⑸통신기능 원방(Remote)에 위치한 모니터링 서버에 변압기 모니터링 IED를 통하여 입력 및 연산된 값을 전송하기 위하여 통신 기능이 구비되어 있다. 모니터링 IED는 범용 통신 프로토콜(Protocol)인 Modbus, DNP3, IEC 61850 등을 지원하고 있으며, 변압기 주변의 전 · 자기 노이즈에 영향을 받지 않도록 주로 광통신 포트가 후면에 준비되어 있다.
모니터링 서버
모니터링 서버는 변압기 모니터링 시스템을 구성하는 마지막 구성 요소로, 데이터 수집 및 연산을 위한 서버 컴퓨터와 표시 화면으로 구성된다. 여기에는 변압기 모니터링 IED를 통하여 연산, 취합된 데이터를 원방 감시실에서 모니터링 및 상태 진단이 가능하도록 다양한 모니터링 및 진단 화면이 지원되어야 한다. 또한 변압기의 동작 상태 및 경보 위치 파악이 용이하도록 변압기 형상의 심벌(Symbol)을 제공, 심벌 상에 냉각팬 동작 상태, 권선, 유온도, 용존가스량 등의 상태를 보여줌으로써 직관성 및 시인성을 향상시킬 필요가 있다. 온도, 용존가스, 부싱 관련 값의 변화 추이를 분석하기 위하여 경향(Trend) 화면이 제공되고, 단순 상태 모니터링을 넘어 운전 중인 변압기의 건전성을 진단하여 사용자에게 제공할 수 있는 전문가 시스템으로구성이발전되고있다.
마무리
변압기 모니터링 시스템의 적용으로 주기적인 점검에서 변압기의 온라인 모니터링에 따른 상시 상태 점검(Condition Based Maintenance)으로 그 패러다임이 진화하고 있다. 갑작스런 변압기 고장에 대한 예방은 물론, 관리 비용 측면에서 도움을 줄 수 있으며 나아가 변압기 수명 연장에 있어서도 주요한 역할을 할 것으로 기대한다. 지금까지 변압기 모니터링 시스템에 있어 일부의 예를 필자의 경험에 비추어 그 적용을 간략하게 이야기했다. 변압기 모니터링 시스템은 이 외에도 부분방전 검출 장치 및 광 온도 센서 등 언급되지 않은 다양한 모니터링 장치가 적용되고 있다.
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