절연유 안에 있는 가연성 가스 분석을 통한 유입기기의 보수관리는 전기협동연구(이하 전협연) ‘유입변압기 보수관리’에 의해 이루어지고 있다. 전협연의 진단법에 따르면 방전 모드와 과열 모드의 판별은 가능하지만 과열 모드에서 과열되고 있는 곳이 권선 부위인지 철심 부위인지를 적확하게 판별하는 것은 곤란하다.
발생 건수에서는 9할 이상이 철심 부위 이상이지만 만약 권선 부위일 경우에는 대응할 필요가 있기 때문에 보수 직장에서 대응을 고려하고 있었다.
그래서 실규모 모델을 이용한 가스 발생 실험을 하고 가스 발생 특징을 이용한 진단법을 종래의 전협연구에 추가하는 것으로 과열 개소의 추정 정밀도를 높일 수 있어 보수 직장에서는 적확한 대응이 가능해졌다.
현상의 문제점과 착안점
1. 현상의 문제점
현상의 권선 부위에 이상이 있는(이하 권선계라고 한다) 양상과 철심 부위에 이상이 있는(이하 철심계라고 한다) 양상의 판별 방법에는 가스 패턴 및 조성비(이상 진단도), 특정 가스에 의한 진단 등이 있다.
H2(수소)와 C2H2(아세틴) 주도의 가스 패턴, 조성비에서 방전 영역(<그림1> 흰색 이외의 부분), CO, CO2 등의 특정 가스가 다량으로 발생하면 권선계의 방전 상황이 좋지 않을 가능성이 높다고 판단할 수 있지만 비교적 저 에너지, 중·저 온도 열 상황이 좋지 않을 경우에는 (<그림1> 흰색으로 된 부분) 적확한 판별이 곤란해 잘못된 판단을 한 사례도 간혹 발견되어 보수 직장에서 대응을 고려하고 있다.
2. 착안점
과거 철심계와 권선계의 과열 양상이 좋지 않은 사례를 분석해 보면 철심계는 절연유에 직접 접한 나금속이기 때문에 과열 온도가 높다. 또 방열 효과가 높기 때문에 과열 면적은 커지기 어려운 경향이 있다.
여기에 대해 권선계는 절연지를 매개로 해 과열을 진전시키기 때문에 절연지가 소손(그을려)되고 과열 면적은 서서히 넓어지며 절연유에 접한 부위는 철심에 비해 과열 온도가 낮은 경향이 있다.
또 과거 문헌에 나와 있는, 유중 가스 분석을 통한 C2H4(에틸렌)/C2H6(에탄)의 비율로 등가적인 과열 온도를 산출하고 그 과열 온도와 가스 발생률 및 변압기 유량을 이용해 등가적인 과열 면적을 산출해 계수화하는 것이 가능하다는 것에 착안해 실 규모 모델을 이용, 가스 발생 실험을 해 그 특징을 고찰했다.
실험 방법
1. 실험 모델
메탄과 에틸렌이 주도 가스가 되는, 과열 모드의 분석 가스를 발생시키는 요인으로는 철심 부위의 순환 전류, 다점 접지에 의한 국부 과열 등의 다른 병렬도체간의 접촉 등 권선 부위의 사상도 생각할 수 있다.
그래서 실험 모델로 전협연의 보고와 과거의 가스 발생 사례를 참고해 권선계 3모델, 철심계 4모델을 선정했다.
① 헤리칼 권선 모델(소선 간이물 혼입)
실기 상당의 권선 병렬 도체간에 이물을 혼입하고 소선간에 전류를 흐르게 해 과열시켰다 (<그림2>).
② 리드선 접속부 모델(리드선 고정되어 있는 부분 불량)
100~200mm2 리드선 접속부의 조임 부분을 느슨하게 해 통전 전류를 변화시켜 과열시켰다(<그림3>).
③ 실드 접속부 모델(실드 내 리드선 박리)
두꺼운 절연지에 쌓인 리드선 접속부의 과열을 모의해 작은 히터를 10mm 절연지로 감싼 모델을 작성하고 통전해 과열시켰다(<그림4>).
④ 철심 코오벨 모델(철심 내 순환 전류 과열)
철심 블록간을 전기적으로 접속하고 있는 코오벨(접지편)에 통전하고 철심으로 들어가는 부분에서 과열시켰다(<그림5>).
⑤ 철심 접합부 모델(철심 내 순환 전류 과열)
철심 접합부 규소 강판의 접합부에 통전해 과열시켰다 (<그림6>).
⑥ 철심 적층간 모델(철심 내 순환 전류 과열)
규소강판을 적층한 철심 적층면에 상처를 내 전류를 흐르게 해 과열시켰다 (<그림7>).
⑦ 철심 이중 접지 모델(철심 이중 접지)
철심 모서리 부분을 코오벨, 강재와 접촉시켜 접촉부에 전류를 흐르게 해 과열시켰다(<그림8>).
2. 실험 방법
실험 모델 탱크는 실기에 가까운 분해가스 농도를 얻도록 유량을 결정하고 내부 상태를 감시하기 위한 엿보기 창, 기름을 순환시키는 기름펌프 및 콘서베이터를 준비했다. 실험 모델의 사진을 <그림 9>에 나타낸다.
실험은 탱크에 설치한 엿보기 창에서 모델의 상태를 김시하면서 외부 전원회로에서 통전해 이상 개소를 과열시켜 전압·전류를 기록함과 함께 적시에 기름을 채취해 기름을 분석했다. 가스 분석에서 분해가스 종류는 전협연 보고에 의한 분석 대상 가스 9종류로 했다.
3. 데이터 분석
종래의 전협연구에 의한 진단으로는 발생 가스의 성분비로만 진단했는데 이번에는 가스 발생 시 계열 데이터에 주목해 데이터를 분석했다. 각 모델의 가스를 분석할 때 가스 패턴뿐만 아니라 가스 생성량, 가스 발생의 흐름을 구했다.
절연유의 열분해로 인해 발생하는 가스는 과열 온도가 높아질수록 불포화 탄화수소 C2H4(에틸렌)의 비율이 높아지기 때문에 불포화탄화수소와 포화탄화수소 C2H6(에탄)의 발생 비율[C2H4/C2H6]로 열분해 온도를 추정할 수 있다. 또 과열 온도, 변압기 유량 및 가연성 가스 총량(TCG)의 발생률과의 상관에서 과열 면적을 추정할 수 있다.
그래서 각 실험 데이터에서 에틸렌과 에탄의 비율을 구하고 문헌 3의 데이터를 통해 다음과 같은 식을 이용해 등가 가열 온도, 등가 가열 면적을 추정했다.
·등가 가열 온도 T의 추정
T=320×log(C2H4/C2H6)+530
·등가 가열 면적 추정
S=(Qoil×C×10-3)/(30×24×K)
여기에서
Qoil : 변압기 유량 [Lit]
C : 가스 발생량(TCG) [ppm/월]
K : 가스 생성 속도 [ml/cm2·h]
가스 생성 속도는
Log(K)=14-12000/(t+273) T > 562
Log(K)=5.5-4900/(T+273) 562 > T > 285
Log(K)=1.2-2500/(T+273) T < 285
실험 결과와 고찰
1. 가스 패턴
각 모델의 가스 패턴은 권선계 ②, ③ 모델이 메탄 주도, 그 외는 에틸렌 주도의 M형 가스 패턴을 얻을 수 있었다. 어떤 모델이든 전협연법의 양상 진단에서는 과열로 진단되어 부위 판별에는 이르지 않았다(<그림10> 참조).
2. 가스 발생의 흐름
TCG 발생량 흐름의 예를 <그림11>, <그림12>에 나타낸다.
권선계 ①, ②, ③ 모델과 철심계 ④, ⑦ 모델로 계속적인 가스 발생을 얻을 수 있고 철심계 ⑤, ⑥ 모델로 급격히 증가한 후 정지하는 현상을 얻을 수 있었다.
권선계 과열에서는 계속 통전함에 따라 과열부의 동이 녹아 소손 범위가 넓어지면서 가스 발생량이 많아진다. 따라서 증가율이 서서히 확대해 가는 경향을 볼 수 있었다.
한편 철심의 과열은 규소 강판 절단면의 좁은 범위에서 발생하고 국부적으로 철이 녹으면 접촉 상태가 변화해 국부 온도가 변화하고 가스의 증가·정지가 일어나기 때문이라고 생각할 수 있다.
3. 등가 가열 면적과 등가 과열 온도
[C2H4/C2H6 비]
이번 실험 결과를 앞에 나온 실험방법의 데이터 분석 계산식에 의해 등가 과열 면적을 산출하고 등가 과열 면적을 횡축으로, C2H4/C2H6 비(과열 온도 지수)를 종축으로 한 그래프에 플롯해 각 모델의 가스 발생 특징을 검토했다. 실험 결과의 그래프를 <그림13>에 나타낸다.
권선계 ①, ②, ③ 모델에서 과열 면적이 큰 경향을 볼 수 있고 철심계 ④, ⑤, ⑥, ⑦은 과열 온도가 높아 과열 면적이 비교적 작은 경향을 볼 수 있었다.
이것은 권선계 모델에서는 동의 열 전도성과 절연지의 열 저항에 의해 비교적 과열부의 면적이 커지는 것에 반해 철심계의 가스 발생부는 접촉부가 국부(특히 철판 절단부의 접촉 과열)이고 유중 나금속 때문에 냉각이 좋다는 이유로 발열부가 적은 범위에 한정되는 것이 원인이라고 생각할 수 있다.
실기 데이터 분석
과거에 과열 모드의 유중 분해 가스가 발생했던 변압기에서, 내부 점검과 해체 점검에서 가스 발생 원인이 명확한 변압기에 대해서 실험 모델과 같은 분석을 했다. 대상으로 한 변압기의 가스 발생 원인은 다음과 같다.
① 권선계 : 복도체 소선간 접촉
② 권선계 : 헬리칼 권선 병렬 도체간 접촉
③ 권선계 : 실드 내 리드선 접착부
④ 철심계 : 탱크 자기 실드 끝 부분 접촉 과열
⑤ 이중 접지 : 철심 내부의 이중 접지
⑥ 이중 접지 : 철심과 접지선간의 이중 접지
⑦ 이중 접지 : 철심의 이중 접지
1. 과열 면적과 과열 온도
각 변압기에 대해서 앞에서 나온 등가 가열 면적과 등가 과열 온도 항과 마찬가지로 등가 과열 면적과 C2H4/C2H6 비의 그래프에 플롯한 결과를 <그림14>로 나타낸다.
실기에서의 데이터는 적지만 권선계에서의 가스 발생은 실험 모델과 거의 같은 범위에 들어가 있다. 또 철심계에서도 철판에 기인한 탱크 자기 실드에서의 가스 발생은 실험 모델과 같은 범위에 들어가 있다.
이상의 결과에 의해 철심 이중 접지의 양상 이외는 과거의 좋지 않은 데이터와 대조해 잘 일치하고 있다고 말할 수 있다.
2. 가스 발생의 흐름
과거의 가스 발생 사례에서 흐름을 분석한 결과를 나타낸다. 권선계에서는 ①, ②, ③의 변압기, 실험 모델과 마찬가지로 가스 발생량이 서서히 확대해 가는 경향을 볼 수 있었다. <그림15>에 실기에서 가스 발생 흐름의 예를 나타낸다.
철심계에서는 ④의 변압기 흐름이 거의 일정한 가스 발생이고 ⑤의 변압기에서는 가스 발생이 급증한 후 정지했다. 또 ⑥ 및 ⑦의 변압기(이중 접지)일 경우는 가스 흐름의 예를 <그림16>에 나타낸다.
가스 발생 흐름을 분석한 결과에서는 철심계에서 철판에 관계한 가스 발생의 사례가 적지만 경향면에서는 실험 결과와 같은 경향을 얻을 수 있었다고 말할 수 있다.
진단으로의 적용
실험 결과 및 실기의 가스 분석 데이터의 분석을 통해 철심계와 권선계에서 가스 발생의 특징이 다르다는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 이 특징을 이용해 다음과 같은 방법으로 과열 개소의 추정 정밀도 향상을 꾀할 수 있다.
1. 과열 면적과 C2H4/C2H6 비에 의한 진단
모델 실험 결과에 의해 <그림17>과 같이 범위를 구별해 진단도로 하고 실기의 가스 분석 데이터를 플롯해 좋지 않은 부위가 철심인지 권선이지 진단한다.
2. 가스 발생 흐름에 의한 판별
가스 발생의 흐름을
① 증가량이 거의 일정
② 가스 급증 후에 정지
③ 어떤 시점에서 급증
④ 증가량이 서서히 증가
등으로 분류해 과열 면적의 문턱 값과의 조합을 진단표로 만들어 놓고 좋지 않은 부위가 철심인지 권선인지 진단한다.
3. 필드 데이터 활용
본 진단 수법의 특징은 새롭게 데이터를 취득할 필요가 없이 지금까지 축적해 온 전협연 베이스의 유중 가스 분석 데이터를 활용해 과열 이상 개소의 추정 정밀도 향상을 꾀할 수 있다는 점이다.
이 때문에 현재 유중 가스 분석 결과, 과열 모드에서 이상 레벨에 있고 계속 감시 중인 변압기의 보수 대응에 유효한 진단 수법이 될 수 있다.
또 적용할 때는 과열 모드에 대해서 유효하다고 생각되고 방전 모드에 대해서는 종래의 전협연법에 근거해 진단하는 것이 유효하다고 생각되기 때문에 유의할 필요가 있다.
정리와 진단 사례
이번 모델 실험과 실기의 가스 분석 데이터의 분석 결과를 통해 과열 모드의 가스 발생이라도 권선계와 철심계는 가스 발생량의 흐름과 과열 면적, 그리고 C2H4/C2H6 비의 관계가 다르다는 결과를 얻어 과열 개소의 추정 정밀도 향상에 유효하게 되는 진단 수법을 나타냈다.
우리회사에서는 변전 설비의 데이터 관리 시스템의 개량에 맞춰 본 진단 수법을 연구하고 매뉴얼 정비와 병행해 수평 전개를 꾀해 이미 실적용 단계에 들어가 있다.
그 결과 지금까지의 가열성 가스가 증가한 변압기에 대해서 본 수법으로 진단한 바, 권선의 이상으로 판정되어 공장으로 반입해 점검한 결과 예상대로 권선 실드부가 소손되어 있었다. 이로 인해 사고를 미연에 방지하는 데 실효를 거둠과 동시에 본 진단 수법의 유효성을 확인할 수 있었다.
본 진단 수법을 적용해 전체 9할 이상을 점하는 철심계 이상과 긴급 대응을 요하는 권선계 이상의 판정 정밀도 향상을 꾀해 사고 미연 방지에 의한 계통 신뢰도 향상과 적절한 수리 시기를 판별해 경제성 효과도 기대할 수 있다.
앞으로 진단 정밀도 향상을 향해 실기 데이터 축적을 도모할 것이다.
마지막으로 본 진단 수법 확립을 위해 모델 시험 등으로 협력을 아끼지 않으신 (주)일본 AE 파워 시스템즈, (주)명전사 관계자분들게 깊은 감사의 뜻을 표한다.
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