일본에서 플랜트와 설비 건설이 활발하던 때는 1960년대부터 1970년대로, 그중 많은 전동기가 펌프, 팬, 압축기 등의 구동용으로써 현재까지 다년간 운전 중이다. 고압 전동기는 대 · 중용량의 주요 기계를 구동하는 기기로, 각 제조사와 유지 보수 회사가 절연 열화 진단에 대해 연구하고 각종 진단법을 개발해 왔다. 여기서는 미쓰비시전기의 고압 전동기를 바탕으로 절연의 변천을 비롯해 열화 요인과 열화현상을 통한 열화 진단의 최근 동향을 소개한다.
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절연은 열, 전기, 환경, 기계력 스트레스에 내성을 키우고자 재료와 제조 과정에서 꾸준한 개선 작업이 있었다. <그림 1>은 절연의 변천과 열화의 주요인 그리고 열화를 평가하기 위한 절연 특성을 나타낸 것이다. 1960년 이전에 많이 적용한 A종 절연은 열경화성 수지를 표면 처리하는 방식으로 제조했으며, 내환경성 특성이 낮아 흡습 · 오손으로 말미암은 열화가 문제였다. 열화 상태는 절연 저항, tan δ, PI를 계측해 평가했다. 그 후 B종에서 F종으로 바뀌면서 재료와 제조 과정에서 개선이 있었고, 바니시의 충진 밀도를 높여 내환경성 · 내열성 · 내기계력을 향상시켰다. 한편, 전동기 제조사는 컴퓨터 소프트웨어를 적용해 설계 기술력을 끌어올림으로써 크기는 작고 출력은 큰 제품으로 발전시켜 왔다. 이는 ① 절연의 허용 상한 온도에 대한 운전 온도의 여유 감소, ② 전자 가진력加振力증대, ③ 절연의 전계 강도 증대로 이어졌다. 이 때문에 열, 기계력으로 말미암은 절연 조직 내 보이드Void가 발생했고, 보이드부에서 일어난 코로나 방전이 절연 열화로 나타났다. 이 열화 현상은 부분 방전의 최대 방전 전하량(Qmax)을 계측해 평가한다.
에폭시 고정자 진공 전함침 절연의 열화 평가 1970년 전후부터 에폭시 바니시의 고정자 진공전함침이 주류를 이뤄 현재 이 절연 방식을 채용한 고압 전동기를 가장 많이 가동 중이다. 이 방식은 <그림 2>와 같이 고정자 철심에 코일을 삽입하고 결선을 마친 고정자를 압력 용기 사양의 탱크에 넣는다. 이후 진공에서 당겨 잔류 공기를 없애고 그 상태에서 바니시를 주입해 고정자 전체를 담근 다음 가압해 구석구석까지 바니시가 스며들게 한다. 수시간 동안 가압한 후 고정자를 끌어올려 건조로에서 중합 건조하면 견고하게 절연이 된다.
이렇게 제작한 고정자 코일의 단면이 <그림 3>이다. 절연 열화가 진행되면 최종적으로 두 가지 형태의 절연 파괴에 다다른다. 하나는 주 절연이 열화해 관통하는 전로를 형성해 지락에 이르는 경우다. 다른 하나는 소선 절연이 열화해 소선(회전)간 절연 저항이 떨어지고 층간 단락(Layer Short)으로 큰 순환 전류가 흘러 소선의 구리가 녹을 정도로 열이 발생하는 경우다.
주 절연의 열화 메커니즘과 평가 | <그림 4>는 주 절연의 열화 메커니즘을 나타낸 것이다. 주 절연은 운모 테이프 층과 바니시 층으로 구성되며, 장시간 운전에 따른 열화로 층상 보이드가 발생한다. 게다가 시동 시 생기는 시동 전류로 큰 전자 가진력이 반복해 관통 방향에 보이드가 형성된다. 이처럼 전로가 진전해 잔존 절연 두께부에 걸리는 분담 전압이 높아지면 최종적으로 전기 트리가 발생하고, 진전해 관통전로를 완성해 지락에 이른다. 이 열화 과정의 진전 정도를 파악하려면 소선과 접지 간 정격 전압(E)의 1/√3 인 전압을 인가해 발생하는 방전량을 일반적으로 계측해 평가한다. <그림 5>는 오랜 세월 운전해 온 전함침 고압 전동기의 절연 특성 계측과 파괴 시험을 실시해 서로 관련이 있는 Qmax와 절연 파괴 전압 값(BDV : Break Down Voltage)의 관계를 통계 처리한 것이다. 또한, <그림 6>은 운전 연수와 BDV 데이터를 배치해 BDV의 저하 특성을 구한 것이다. 20년 뒤면 이 저하 특성이 직선 형태로 떨어질 것으로 보이며, 운전 연수가 길수록 저하 속도는 커질 가능성이 높다. 이 두 특성에서 절연의 잔존 수명을 추정한다. 운전한 지 20년이 경과해 절연 진단을 실시했을 때 Qmax at E/√3 =20000pC이 계측됐다면, <그림 5>의 95% 신뢰 하한 곡선보다 BDV가 초기 값의 70%까지 떨어진 것으로 보인다. 이어 <그림 6>에서 운전 연수 20년과 BDV 70%가 만나는 점을 통과하고 평균선과 평행한 저하 특성선을 그린다. 이 선과 안전 운전 하한선이 만나는 점이 곧 허용 운전연수(30년)다. 따라서 절연의 잔존 수명은 앞으로 약 10년으로 추정할 수 있다.
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소선 절연의 열화 메커니즘과 평가 | <그림 7>은 소선 절연의 열화 메커니즘을 나타낸 것이다. 1960년대부터 1980년경까지 소선으로 이중 유리권(DGC : Double Glass Covered) 구리선을 많이 사용했다. 전동기의 발생 손실이 최대인 것은 고정자 코일 도체에서 발생하는 일차 동손이며, 운전중 온도가 가장 높은 것은 소선 부근이다. 이 때문에 그림에서 보듯이 장기간 운전에 따른 열 열화로 소선 부근에 보이드가 발생한다. 소선과 철심(접지) 사이에 걸리는 운전 전압(E/√3 )의 보이드부 분담 전압으로 코로나 방전이 발생한다. 소선과 주절연 간 방전으로 말미암아 소선 절연에 함침된 바니시가 없어지고 DGC의 유리 섬유가 드러나 하얗게 보인다(소선의 백화). 이러한 상태가 계속되면 소선 간 절연 저항이 떨어져 층간 단락에 이른다. 층간 단락의 일례로 2004년 고압 전동기의 코일이 소손한 사고가 있었다. 이 전동기는 전해인 2003년에 절연 특성 계측을 실시했으며, Qmax의 전압 특성은 <그림 8>과 같았다. 앞서 이야기한대로 주 절연의 열화는 E/√3 의 전압을 인가했을 때 나타나는 Qmax로 평가하나, 이 측정 결과에서 보면 소선 절연의 열화는 E 전압을 인가했을 때 나타나는 Qmax로 평가해야 할 것이다. 이 사례를 비롯해 다른 층간 단락 사례 그리고 약 30년 이상 운전한 전동기 10대를 대상으로 절연 특성 계측과 절연 열화 상태를 조사한 결과, <그림 9>와 같은 열화 평가법을 제안한다. 절연 특성 계측 데이터와 고정자의 설계 지수를 통해 열화 평가점을 산출하고 산정 값에 대해 예방 보전 내용을 권장하는 평가법이다.
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온라인 부분 방전 계측(운전 중 진단) 그동안 절연 진단은 전동기를 정지한 상태에서 온라인으로 절연 특성을 계측 평가해 왔다. 그러나 정지 중에는 운전중 생긴 온도 상승과 전자 가진력에 따른 ① 열에 의한 보이드 변형, ② 고온에서 절연 특성 변화, ③ 전자력에 의한 미세진동 등의 조건이 다르다. 또한, 전동기를 정지해 실시하는 진단은 일반적으로 수년에 한 번 계측하기에, 계측 전인 수년간은 열화 진행 상태를 모른 채 운전하는 것이다. 이러한 위험을 없애기 위한 방법으로 운전 중(온라인)에 부분 방전을 계측해 열화 진행을 평가하는 다양한 시스템을 제안했다. 운전 중 부분 방전신호는 방전 전류, 전파, 오존, 초음파로 표시하며, 정량적 평가를 위해 방전 전류를 CT로 뽑거나 전파를 안테나로 받아들이는 방법을 흔히 택한다. <그림 10>은 단자함 내 고정자 리드에 설치한 CT로 방전 전류를 뽑아 측정 장치를 거쳐 A/D로 변환한 신호를 고압 케이블의 차폐층을 이용해 전기실 내에 있는 수신 장치에 전송하는 시스템의 예다. 이 시스템은 수신 장치 1대에 측정 장치 4대를 연결할 수 있으며, 하루에 1회에서 수회에 걸쳐 데이터를 채취해 트렌드를 관리한다.
계측 대상인 전동기 주위에 인버터 고조파 등 노이즈가 많이 있는 경우가 있다. 이 경우 CT 혹은 안테나는 이러한 노이즈도 함께 인식해 방전 신호가 노이즈에 파묻히는 상황이 일어난다. 이렇게 뒤섞인 신호 내에서 방전 신호를 얼마나 골라내느냐가 문제다. <그림 11>은 큰 인버터 노이즈가 섞인 신호에서 디지털 필터를 이용해 방전 전하량을 추출한 사례다.
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장기간 운전해 온 전동기를 가장 적절한 때에 갱신할 것인가, 아니면 코일을 교체할 것인가 하는 것은 절연의 종류와 열화 스트레스에 따른 절연 특성의 트렌드 파악에 달려 있다. 플랜트와 설비 상황에 따라 오프라인과 온라인의 절연 진단을 적절히 병행함으로써 절연의 열화 상태를 적확하게 파악해 전동기를 안정적으로 운전하도록 한다.
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