변압기는 용량, 전압, 냉각 방식이 가지각색이며, 제작 연도에 따라서도 다르다. 사용 환경(주위 온도, 습도, 염해, 먼지, 특수가스)이나 계통에서 차지하는 중요도 등 변압기를 설치하는 조건과 상황 역시 다양하다. 따라서 유지 보수는 각각의 변압기에 맞는 내용으로 운전 개시 직후부터 실시해야 한다. 평상시 운전 중에도 세심한 관심을 기울여 변화를 놓치지 않고 적절히 조치하는 것이 필요하다. 본고는 '변압기 설비 경신'에서 변압기 수명을 고려해 적절한 변압기 경신 시기를 고찰하고, '변압기 유지 보수'에서 변압기 점검 방법과 열화 판정 방법을 설명한다.
변압기 경신 권장 시기는 일본전기공업회 기술자료 'JEM-TR 171(배전용 6㎸ 유입 변압기의 보수 · 점검 지침)'과 'JEM-TR 218(몰드 변압기의 보수 · 점검 지침)'에 다음과 같이 기재돼 있다.
· 사용 개시 후 20년을 기준으로 경신할 것을 권장한다.
· 정상으로 제작, 운반, 설치한 변압기에 대해 a) 주위온도가 25℃로 일정 b) 정격 부하에서 연속 사용 c)규격에서 정한 최고점 온도 이하 상태에서 사용한 동시에, 보수 점검과 부품 교체 등을 확실히 해 기기를 항상 양호한 상태로 유지해 사용한 경우, 수명을 30년 정도로 보고 있다. 그러나 이는 기기 수명을 30년으로 보장한다는 뜻은 아니며, 실제 변압기 사용환경이 위와 같지 않은 경우도 있어 수명은 일정하지 않다.
이 때문에 적절한 유지 보수를 통해 수명을 예측하고 사고를 미연에 방지하는 것이 중요하다.
변압기 점검 방법
평상시 점검｜평상시 보수 · 점검은 운전 중 외관점검을 통해 변압기의 운전 상태를 확인하고, 이상징후가 있으면 신속하고 적절한 조치로 피해가 커지는 것을 막고자 실시한다. 평상시 점검은 유입 변압기는 <표 1>, 몰드 변압기는 <표 2>를 기준으로 실시할 것으로 권장한다.
정기 점검｜정기 점검은 변압기의 정상 운전을 유지하고자 일정 기간마다 무전압 상태에서 행하는 점검이다. 평상시 점검에서 할 수 없는 통전 부분을 중심으로 상세히 조사하고 이상 유무를 확인한다. 첫 정기 점검은 운전을 시작하고 2~3개월 후에 실시해 변압기 상태를 파악하며, 그 후로 연 1회 이상 실시한다. 정기 점검은 유입 변압기는 <표 3>, 몰드변압기는 <표 4>를 기준으로 실시할 것을 권장한다.
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점검 시 또는 운전 시 이상 원인과 대책｜점검 시 또는 운전 시 이상을 발견했을 경우, 신속하게 원인을 규명해 대책을 강구해야 한다. 유입 변압기는 JEM-TR 171 : 2010에 '이상으로 판단하기 전 확인 사항'으로 <표 5>와 같이 기재돼 있으며, 몰드 변압기는 JEM-TR 218 : 2001에 '이상 현상의 추정 원인과 대책'으로 <표 6>과 같이 기재돼 있다.
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부속품 교체 권장 시기｜변압기를 구성하는 부품 및 부속품은 정상 운전 유지를 위해 그 상태를 보고 적절한 시기에 교체해야 한다. 교체 시기는 사용 조건에 따라 다르나, 흔히 유입 변압기는 <표 7>, 몰드 변압기는 <표 8>을 기준으로 실시할 것을 권장한다.
유입 변압기의 절연 열화 판정
절연 열화 과정 · 주요인｜유입 변압기 내용물의 경년 열화는 주로 권선을 구성하는 도체 피복이나 코일 간 스페이서 등과 같은 절연물 열화에 따라 정해진다. 열화 원인으로 주로 다음과 같은 것이 있다.
- 열로 말미암은 열화
- 흡습으로 말미암은 열화
- 산화로 말미암은 열화
- 이상 전압으로 말미암은 열화
- 기계적 응력으로 말미암은 열화
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이러한 원인은 주로 복합적으로 얽혀 열화를 일으킨다. 그중에서 가장 큰 영향을 미치는 것이 열로 말미암은 열화다. 여기에 흡습과 산소가 있으면 열열화는 한층 촉진된다.
절연물 열화가 진행되고 뇌 서지, 개폐 서지 등과 같은 이상 전압, 또는 외부 단락일 때 전자 기계력, 혹은 외부 진동과 충격 등으로 기계적 응력을 받아 변압기의 파괴 위험도가 상당히 높아진 시점이 변압기 수명이다.
<그림 1>은 절연물 열화 과정을 나타낸 것이다.
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 유입 변압기의 절연 열화 검출 방법｜▲ 절연 저항 - 이전부터 절연 열화 검출법 중 하나로 절연 저항을 측정했다. 그러나 이것은 열화 경향을 파악하는 하나의 요소일 뿐, 정확하게 판정하기란 어렵다. <그림 2>는 허용값 기준을 나타낸 것이다. 측정값이 허용값보다 낮은 데에는 흡습이 원인으로 작용하는 경우가 많으므로, 오일의 고유 저항, 수분 등도 함께 측정해 종합적으로 판단해야 한다.
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  ▲ 유전 정접(tan δ) - tan δ는 변압기 권선(절연유 포함)의 흡습과 관련이 있으며, tan δ가 큰 것은 대부분 절연 저항값이 큰 폭으로 떨어진다. 일반적으로 열화 판정 기준으로 I.W.Gross 씨가 제안한 곡선을 이용한다(<그림 3> 참조). 단, 절연유 열화 판정법으로는 이용하지 않는다.
절연유｜변압기 절연유는 철심과 권선 간, 권선 상호 간, 그 외 충전 부분의 절연을 유지하기 위해 철심, 권선 등에서 발생한 열을 대류 현상으로 냉각장치까지 유도해 냉각하는 데 이용하며, 다음과 같은 특성이 필요하다.
① 절연 파괴 전압이 높다.
② 점도가 낮고 열 전도성이 우수하며 냉각 능력이 높다.
③ 적당히 정제돼 금속 부식성 물질과 오일 열화의 원인이 되는 물질을 포함하지 않는다.
④ 수분, 섬유질 등 부유물을 포함하지 않는다.
⑤ 겨울철에 얼지 않도록 응고점이 낮다.
⑥ 증발량이 적다.
유입 변압기에서 절연유 열화 관리는 운전 신뢰성에 특히 중요한 보수 항목이다. 절연유는 사용 과정에 차츰 열화한다. 열화는 공기 중 수분이나 불순물 유입으로 일어나지만, 가장 큰 요인은 산화 현상이다. 즉, 공기와 접촉해 절연유가 산화하는 현상인 것이다. 산화 현상은 변압기의 온도 상승, 구리 · 철등 금속 접촉, 절연 광택제 용출 등으로 한층 촉진된다.
그 밖에 분해, 중합重合등과 같은 화학 반응으로 오일에 잘 녹지 않는 물질이 생겨나 철심, 권선 위 또는 탱크 내벽, 밑 부분 등에 침적한다. 이 상태의 물질을 '슬러지'라고 부른다. 슬러지는 파괴 전압에 직접 영향을 미치지 않지만, 권선 부분에서 석출析出한 것은 오일에 의한 냉각을 방해하고 방열기 또는 탱크 쪽 벽에 붙어 오일 냉각을 나쁘게 만든다. 그리고 오일과 권선의 온도를 상승시켜 절연 열화를 촉진시킨다. 충전부에 붙어 절연 저하를 촉진시키는 경우도 있다.
절연유의 열화 판정에는 이전부터 해 온 파괴 전압 측정 외에도 전산가全酸價, 체적 저항률, tan δ, 계면장력 등을 측정하는 방법이 있다.
보수를 할 때는 파괴 전압과 전산가를 측정하며, 만약 측정에서 이상이 발견되면 다시 한 번 성능 시험을 해 판정하는 것이 좋다. 확실한 열화 정도를 판정하고 싶을 때는 여러 특성을 측정해 종합적으로 판단하는 것이 바람직하다. 여기서는 절연 파괴전압과 전산가에 대해 서술한다.
▲ 절연 파괴 전압 - 절연유는 변압기의 주요 절연을 위한 것으로, 절연 파괴 전압 저하는 바로 변압기의 절연 파괴 전압 저하로 나타나기에 잘 감시해야 한다. JIS C 2320에 따르면 오일의 절연 파괴 전압값은 30㎸ 이상(JIS C 2101의 규정에 따른 전극 2.5㎜ 간극)이며, 이 수치 이상이 바람직하다.
▲ 전산가 - 전산가 0.2까지는 슬러지가 거의 발생하지 않으나 0.2를 넘어서면 슬러지가 순차적으로 발생해 0.4 정도 이상이 되면 급격하게 진행된다.
내부 이상이 있는 유입 변압기의 이상 판정 방법｜국부 과열, 부분 방전 등과 같은 내부 이상을 판정하는 방법에 유중 가스 분석이 있다.
유입 변압기 내부에 국부적인 과열이 발생하면, 이 열원과 맞닿은 절연지 등의 절연물이 열에 의해 열화 분해한다. 절연물의 열 열화는 일반적으로 화학 반응에 따른 가스가 발생하고, 이 가스는 절연유 안에서 용해돼 거품이 되어 유면 위 공간에 일부 방출된다. <표 9>는 흔히 보이는 이상 종류와 발생 가스 관계를 나타낸 것이다.
유중 가스 분석을 통한 이상 진단은 용해된 가스를 가스 크로마토그래프Chromatograph를 이용해 분석하는데, 가스 성분 · 발생량 · 경년 변화 등을 조사해 문제의 종류나 진전 정도를 판정하는 것이다.
 한편, 판정 기준 및 진단 방법 등에 관한 상세한 사항은 일본 전기협동연구 제54권 제5호 '유입 변압기의 보수 관리'를 참조하면 된다. 일례로 요주의Ⅰ 레벨(평상시 상태와 달리 내부에 어떤 변화가 있다고 판정되는 레벨), 요주의 Ⅱ 레벨(변압기 내부에 이상 징후가 나타났다고 판단되는 레벨), 이상 레벨(변압기 내부에 분명히 이상이 발생했다고 판단되는 레벨)로 판정 구분을 나눴으며(<표 10> 참조), 산출 조건 등 고려할 사항이 많기에 제조업자와 상담이 필요하다.
특히 CO는 변압기가 공기 밀봉식의 오일 열화 방지 방식을 표준으로 채택하고 있어 요주의 Ⅰ 레벨의 300ppm을 초과하는 경우도 있다. 평상시 운전에서도 코일 절연지 또는 리드 절연지의 열 열화로 경년적으로 발생하는 유중 가스 성분이기에 가연성 가스 성분 중 CO만 생성량이 많은 경우는 이상이 있다고 할 수 없다.
한편, 유중 가스 분석은 보수 관리상 정기적으로 실시해 경과를 조사하면 사고를 미연에 방지하는 데 효과가 있다.
몰드 변압기의 절연 열화 판정
몰드 변압기의 절연 열화 판정 방법으로 절연 저항, 부분 방전이 있다.
절연 저항의 열화 판정 기준은 상온(25℃)에서의 수치가 <표 11>에 나타난 수치 이상인 것이 바람직하다.
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인수 시험 시 부분 방전 특성은 JIS C 4306에 규정돼 있으나, 특별한 시험 장치가 필요해 실제 설치현장에서 실시하기는 무리가 따른다.
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여기에서 소개한 방법을 이용하면 실제 사용 중에 변압기 열화를 어느 정도 알 수는 있겠지만 수명을 정확히 예측하기란 어렵다.
최근 지구 온난화로 대표되는 환경 문제나 에너지 절약을 생각하면, 구형 변압기를 신형 고효율 변압기로 바꾸는 것이 상당히 효과적이다. 특히 사용한지 30년이 넘은 변압기는 현재 정상 운전한다 할지라도 에너지 절약, 장기 안정성 측면에서 이미 사회적 수명을 다했다고 판단해 조기에 교체할 것을 권장한다.
이상 '변압기의 설비 경신과 유지 보수'에 대해 설명했다. 수배전 설비의 주요 기기인 변압기의 신뢰성 향상과 사고 방지에 조금이나마 도움이 되길 바란다.
정리 전화영 기자
<Energy News>
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