[변압기의 효율 및 유지 보수 ②] 변압기 보수

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[변압기의 효율 및 유지 보수 ②] 변압기 보수 · 점검 포인트

2012년 11월 1일 (목) 14:23:47 | 지면 발행 ( 2012년 10월호 - 전체 보기 )

최근 사회 활동과 생산 활동이 고도화·복잡화해짐에 따라 전력에 대한 에너지 의존도가 점점 높아져 정전은 물론이고 순간 전압 강하조차 허락하지 않는 상황이다. 전력 설비의 주요 기기 중 하나인 변압기는 고장률이 낮긴 하지만, 만에 하나 고장이 발생하면 정전 등 사회적으로 큰 영향을 끼칠 수 있다. 일본 전기학회기술보고Ⅱ부제230호<공장전기설비의수명 예지 기술에 관한 조사 보고서>(1986년 10월) 등의 통계에 따르면 변압기 고장의 과반수가 일상 점검과 정기 점검에서 발견된다. 또한, 이러한 고장은 비교적 경미해 바로 수리할 수 있는 것이 대부분이다. 2차로 일어날 수 있는 큰 고장을 방지한다는 점까지 생각해보면 점검이얼 마나중요한지알수있다.

최근 변압기의 열화 진전에 입각한 일상 점검·정기 점검으로 기기 이상을 조기에 발견하고, 정상 작동하도록 보수·교체하는 한편, 기기고장을 미연에 방지하는 예방 보전에 중점을 두고 있다. 본고는 변압기 열화의 원인과 보수·점검에 관해 소개한다.

변압기의 열화 요인
변압기의 열화 요인은 크게 ▲열적 열화 ▲전기적 열화 ▲응력 열화 ▲환경 열화로 나눈다. 그런데 유입 변압기와 몰드 변압기의 열화 양상이 다르기에, 각각의 경우에 해당하는 요인과 영향을 설명한다.

유입 변압기의 열화 요인과 영향
열적 열화 | 변압기를 설치한 주위 온도에다 변압기 운전 중 발열에 의한 온도 상승으로 절연유의 내전압 특성, 혹은 고체 절연물의 기계적 강도, 내전압 특성이 떨어진다. 열적 열화는 평소 운전 중에도 발생한다. 거기다 주위 온도가 극도로 높거나, 과부하 운전 등으로 과대 온도 상승이 있으면 열적 열화는 빨라진다. 또한, 습기가 차는 경우와 산소가 존재할 경우에 더욱 촉진된다. 유입 변압기는 여러 열화 요인 중에서도 열적 열화의 영향을 가장 크게 받는다.
전기적 열화 | 유입 변압기의 평소 운전 전압에서 전기적 열화는 거의 영향을 미치지 않는다. 그러나 계통의 이상 전압 등으로 변압기의 내부 절연물에 가해지는 전계 강도가 한계치를 넘으면 절연물 내에서 부분적으로 방전이 발생해 열화가 촉진된다. 이로써 절연물의 기계적 강도, 내전압 강도가 떨어진다.
응력 열화 | 과전류로 말미암아 권선 내부에 생기는 전자 기계력, 변압기 외부 단락 시 전자 기계력, 혹은 진동·외력 등과 같은 기계적 스트레스로 고체 절연물이 기계적으로 파괴되면 절연 내력이 떨어진다. 특히 열적 열화를 받아 절연물이 약해진 상태에서 기계적 응력이 작용하면 더욱 쉽게 파괴된다.
환경 열화 | 유입 변압기를 설치한 환경적 영향으로외함이나 방열기 등에 녹, 부식이 발생하는 경우가 있다. 변압기 내부와 바깥공기를 차단하는 개스킷 Gasket이 경년 열화로 탄력성이 떨어지고 변형이나 균열을 일으켜 누유로 나아가는 경우도 있다. 게다가 개스킷의 열화로 밀폐성이 떨어져 절연유와 고체 절연물에 습기가 차 절연 내력이 떨어지는 경우도 있다.

몰드 변압기의 열화 요인과 영향
열적 열화 | 몰드 절연의 주재료인 에폭시 수지나 절연물을 구성하는 유기 재료는 운전 기간 도체 발열 과 과부하 시 과열로 말미암아 서서히 열화한다. 열열화는 절연물이 공기 중 산소와 화학 반응해 분자사슬이 절단되는 산화·열 분해 열화가 주가 되며, 온도 상승으로 말미암아 촉진되고 기계적 강도의 저하가 빨라진다. 열 열화는 평소 운전에서도 발생하나, 변압기 주위 온도가 극도로 높거나, 과부하 운전 등으로 과대 온도 상승이 있으면 급격히 빨라진다.
전계 열화 | 절연물에 결함이 없고 운전 전압을 바탕으로 한 내부 전압 스트레스가 거의 균등하게 인가된다면 운전 전압 레벨이 문제되는 경우는 없다. 그러나 절연층 내에 틈이 잔존하거나 돌기가 존재할 경우, 또는 과도 과전압이 반복해 인가되는 경우 등은 절연물의 내전압 특성이 떨어지고 내부 부분 방전이 발생해 절연물 자체의 열화가 빨라진다.
응력 열화 | 몰드 부분은 일반적으로 전기 절연 기능외에 기계적 구조물 기능도 겸비한다. 변압기 운전시 몰드 코일 절연층에 발생하는 응력은 기계적 파괴 강도에 대해 충분한 여유를 두고 설계되지만, 열순환이나 진동 응력을 장기간에 걸쳐 반복하면 몰드 절연층의 기계적 강도가 떨어질 수 있다. 특히 절연물의 강도 저하나 열 분해가 진행되면 절연물 내에 보이드Void나 박리가 발생해 부분 방전의 발생레벨이 떨어져 차츰 전계 열화로 이행할 것이다.

환경 열화|몰드 변압기는 이미 서술한 열적 열화, 전계 열화, 응력 열화에다 몰드 코일 표면의 오손이나 흡습으로 말미암은 환경 열화 요인이 미치는 영향도 크다.
일반적으로 환경 열화는 <그림 1>과 같은 과정으로 진행되는데, (1)~(3)까지 단계는 절연 열화를 동반하는 현상은 아니라서 적정한 청소만 제때 하면 거의 초기 상태로 돌아갈 수 있다. 보수·점검 관점에선 절연상의 열화를 동반하는 (6)단계에 도달하기 전에 현상을 발견하는 것이 중요하며, 이를 위해선 부분 방전 또는 누설 전류 감시가 효과적이다. 또한, 외관을 육안 점검해 찾을 수 있는 경우도 많아 일상 점검 확인이 중요하다.
이상 설명한 대로 변압기를 열화시키는 요인으로 ▲열적 열화 ▲전계 열화 ▲응력 열화 ▲환경 열화가 있으며, 각각의 요인이 단독으로 작용하기보다 복합적으로 작용하는 경우가 많다. 게다가 개개 변압기의 운전 조건, 주위 환경 조건 등의 차이도 복합 요인이 되어 열화가 일어난다. 이러한 열화를 제대로 아는 동시에, 열화의 가속을 피하고 열화
요인을 없애는 것이 바로 변압기 보수·점검의 목
적이다.

변압기 점검의 종류와 내용
변압기의 보수·점검은 대상이 되는 변압기의 중 요도, 용량, 전압, 운전 방법 등 다양한 요인을 토대로 실시 방법을 구분해 하는 경우가 많다. 또한, 실시 시기, 내용, 주기 등에 따라 ▲통전 개시 전후 점검 ▲정상 운전 시 일상 점검 ▲변압기를 정지하고 실시하는 정기 점검 ▲이상 상태 발견 시의 임시 점검으로 크게 나눈다(<그림 2> 참조).

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<표 1>은 유입 변압기, <표 2>는 몰드 변압기의 점검 내용과 주기를 나타낸 것이다. <표 1, 2>는 공통성이 높은 항목을 중심으로 기술했으며, 제조사에 따라 점검 항목의 세부 사항이나 주기가 다른 경우가 있다. 따라서 실제 운용에선 각 변압기의 취급설명서를 확인하기 바란다.
한편, 유입 변압기에서 내부 이상을 진단하는 방법으로 유중 가스 분석을 중요시한다. 유중 가스 분석은 변압기의 절연유를 채취해 용존 가스량과 구성비 등을 통해 내부 이상 진단과 절연지 열화 진단을 하는 방법이다.

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유입 변압기 내부에 이상이 생기면 절연 파괴나 국부 과열을 일으키고 발열원에 접하는 절연유나 고체절연물은 열 분해해 분해 가스를 발생시킨다. 가스발생 원인과 특징 가스는 <그림 3>과 같다. 한편, 판정 기준, 진단 방법 등에 관한 상세한 내용은 일본 전기협동연구 제54권 제5호 '유입 변압기의 보수 관리'을 참고한다. 일례로 요주의 Ⅰ레벨(평소 상태에서 벗어나 어떠한 내부 변화가 있을 것으로 판단되는 레벨), 요주의 Ⅱ레벨(변압기 내부에 이상 징후가 나타난 것으로 판단할 수 있는 레벨), 이상 레벨(변압기 내부에 이상이 분명히 발생한 것으로 판단할 수 있는 레벨)로 판정 구분을 나눴을 때 판정 레벨은 <표 4>와 같다. 실제로 산출 조건 등 고려해야 할 사항이 많기에 진단 시 제조사에 의뢰한다.

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변압기는 신뢰성이 높고 수명이 긴 제품이다. 이 때문에 평소 예방 보전이나 경년 열화에 대한 인식이 소홀해지기 십상이다. 그러나 일단 변압기가 고장 나면 사양에 딱 들어맞는 대체품을 바로 준비하지 못하는 경우가 많고 복구까지 막대한 시간과 비용이 든다. 변압기를 안심하고 사용하기 위해서라도 예방 보전을 적극 해나가는 동시에 이상 상태를 발견하면 조기에 보수하고, 열화가 이미 진행된 상태라면 교체 계획을 세울 필요가 있다. 한편, 교체시기가 다가오는 변압기의 경우 지구온난화 방지와 에너지 절약에 효과가 큰 변압기로 교체할 것을 권장한다.