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진단기술을 활용한 고압기기 보수·유지설비진단, 부분방전, 적외선 열화상, FFT분석, 1/3 옥타브 분석개요전기설비는 전기적·기계적·열적·환경적 스트레스 등이 복합적으로 중첩돼 초기에 구축한 기능이 차츰 저감한다. 최악의 경우에는 운전 중의 설비가 기능을 상실하고 돌발적으로 운전이 정지된다. 이들 이상개소를 조기에 처리하고 돌발사고의 방지, 설비의 연명화를 추구하기 위해서는 점검작업이 중요하다.그러나 최근에는 전기설비의 중요성때문에 쉽게 정전되지 않으며 정전된다 해도 정전시간이 짧아졌다. 또 설비를 정지한 상태에서의 점검만으로는 운전중에 발생하는 과열, 방전, 이상 음 등의 조기검출이 어렵다. 이와 같은 현상이기 때문에 점검 작업의 효율화 및 질 향상이 요구되고 있다.본고에서는 진단기술을 활용해 전기설비점검 작업의 효율화 및 질 향상의 성과를 얻은 사례를 소개한다.진단사례설비진단은 방전·과열 등 초기이상을 조기에 검출하고 많은 전기설비 중에서 효율적으로 이상 개소를 특정하는 일이 중요하다. 이상현상 마다 설비진단의 활용사례를 나타냈다.1. 방전(설비정지상태)설비를 정지한 상태에서 수행하는 절연 진단으로 직류흡수 시험, 교류전류 시험, 유전정접 시험, 부분방전 시험을 실시한다. 직류흡수, 교류전류, 유전정접의 각 시험은 절연물의 평균적인 특성을 나타내는데 부분방전 시험은 절연물의 국부적인 특성을 보이기 때문에 돌발적인 절연파괴 사고방지 면에서 중요시하고 있다.<표1>은 건식변압기 절연 진단 결과 중에서 직류흡수 시험결과와 부분방전 시험결과의 정비 전과 정비 후(건조한 압축공기 불어넣어 먼지 제거)를 발췌한 것이다. 이 사례에서는 일반 점검작업의 절연저항 측정만으로는 정비 전이든 정비 후든 동일한 2000MΩ이상이 되어 모두 양호 판정을 받는다. 그러나 부분방전시험에서는 Qmax가 정비 전은 1400pC(4.8kV 인가)로 요주의, 정비 후는 53pC(4.8kV 인가)로 양호하다. 먼지 등으로 오손된 절연물은 건조되면 절연 특성이 극단적으로 악화되지 않지만 오손된 상태로 흡습한 경우는 절연 특성이 급격하게 악화된다. 통상 상대 습도가 75% 이상이 되면 이와 같은 상태가 된다는 것이 실증됐다.먼지 등을 제거하지 않고 이 상태에서 방치해 두면 외부 기온 급 저하, 고습도의 따뜻한 공기 유입 등으로 인한 환경조건의 변화로 건조 오손된 절연물이 흡습되어 <그림2>와 같은 트래킹 현상이 발생해 돌발적인 절연파괴에 이르게 된다. 절연 진단으로 사전에 오손 상태를 파악하고 적절한 정비를 한다면 돌발사고를 방지할 수 있다.2. 방전(설비운전 상태)고전압설비 접촉불량, 절연열화 개소가 있으면 초음파 방전음이 발생한다. 이 방전음을 검지하므로써 고압 설비의 이상 조기 발견이 가능해 진다.고압 이상 전전기설비를 운전 중에 코로나 방전검출기로 진단한 결과, <그림3> 및 <그림4>의 2개소만이 <표2>의 정비 전에 나타냈듯이 음압 레벨이 높고, 120Hz 성분 비율이 많았다. 다른 전기설비의 음압레벨은 모두 -20dB 정도 이하로, 120Hz 성분 비율은 3% 정도 이하였다. 또한 120Hz 성분 비율은 전기적 방전음(전원주파수의 2배)과 소음 등의 판단에 이용한다. <그림5>의 22kV 케이블 인입 접속부의 코로나 방전 스펙트럼은 120Hz 음압레벨이 최대이고 전기적 방전을 나타내고 있다.  <표2>의 2개소는 애자·코일의 오손, 접속부가 헐거워는 염려가 있기 때문에 후일 계획정전작업 시 집중적으로 주변부 청소, 접속부 고정 확인을 실시했다. 그 결과, 정비 후에서 가리키듯이 음압레벨 및 120Hz 성분의 비율도 다른 설비와 같은 정도로 저하되고 이상방전이 소멸된 사실을 확인할 수 있다. 만약, 계획정전작업 전에 이상개소가 특정되지 않았다면 전 설비에 대해 동일 레벨 정비를 실시하기 때문에 이상개소의 집중정비나 정비 후 품질 향상 확인도 불가능하다. 이와 같이 진단기술을 활용하면 점검작업의 효율화 및 질의 향상을 꾀할 수 있다.3. 과열어떠한 물체이든 0도 이상이 되면 원자나 분자의 진동 또는 회전을 통해 ‘파장의 방사에너지(적외선을 포함한 전자파)’를 방사하고 있다. 이 방사에너지는 플랭크 방사법 식에 나타내듯이 물체 온도의 함수가 되기 때문에 방사에너지를 검지함으로써 그 물체의 온도를 해명할 수 있다. 비접촉식 온도계측은 일반적으로 적외선 방사온도 측정기를 이용한다.적외선 방사 열화상 장치로 전 설비를 진단한 결과, <그림6>의 고압단로기와 다른 1개소 총 2개소에서 과열개소가 발견됐다. <그림7>과 같이 단로기의 U상 가동부분이 다른 개소와 비교해 온도가 높은 상태였다. 활선 클램프식 전류계로 부하전류를 측정했지만 각상 모두 차이는 없었기 때문에 U상 가동 부분의 접촉 불량으로 추정했다.후일 정기정전 작업에서 해당 부분의 고정 확인을 실시한 결과, U상 가동부분이 헐거워졌다는 사실이 판명됐다.다음 해 정기 활선 진단으로 지난 설비진단 시 이상개소였던 고압 단로기의 열화상을 측정했는데 U상 가동부분의 온도도 저하되고 각상 온도 차도 감소됐다<그림8>. 방사온도 측정에서는 측정 대상물의 방사율 설정이 중요하다. 전기도체인 동, 알루미늄 등의 방사율은 통상 사용 상태에서는 0.1 이하로 낮기 때문에 주위에서의 반사 영향을 받기 쉬워 신뢰성 있는 방사온도 측정은 불가능 하다. 그러나 동(銅)바에 방사율이 높은 도료 도포 또는 칼라 시트 등을 붙이면 <표3>에 나타냈듯이 방사율이 0.9 이상이 되기 때문에 신뢰성 높은 방사온도 측정이 가능해 진다.4. 이상전류최근 기술진보에 따라 가변속 장치 등 파워 소자의 스위칭이 고속화돼 PWM인버터의 캐리어 주파수도 상승하고 있다. 캐리어 주파수가 높아지면 고응답화, 부하 저소음화, 출력파형의 개선 등 많은 장점이 있는 반면 서지 전압 및 누설 전류도 증가한다.활선진단으로 고압변압기(3.3kV)의 B종 접지선의 누설전류를 클램프미터로 측정한 결과, 500kVA의 변압기 전류는 2.05A이고 1500kVA의 변압기 전류는 1.20A였다. 그 이외의 변압기 B종 접지선 전류는 대부분 50mA 이하이며 저압 측이 쬟결선으로 부하 케이블이 긴 변압기는 200mA 정도였다. 500kVA와 1500kVA의 변압기 누설 전류는 이상 상태이기 때문에 FFT 분석을 실시했다. 또한 모든변압기의 지락계전기 사용을 정지했다. <그림9>는 500kVA 변압기의 B종 접지선 전류의 스펙트럼 분석 결과(상한주파수 : 2kHz)이다. 최대 전류는 60Hz성분의 1.96A이며 종합전류 뒤틀림 비율은 6.08%였다. 분석결과에서 부하 측 지락, 변압기 이외의 부하 측 2점 접지 등을 생각할 수 있기 때문에 부하 측 한정구분을 실시, 조사한 결과 저압전동기의 절연불량으로 판명됐다.<그림10>은 1500kVA 변압기 B종 접지선 전류의 스펙트럼 분석 결과(상한주파수 : 2kHz)이다. 최대 전류는 60Hz성분의 0.043A이며, 종합 전류 비틀림 비율은 99.6%였다. 상한주파수가 2kHz에서는 클램프미터 측정 전류치보다 작기 때문에 상한 주파수를 40kHz으로 설정하고 재차 FFT분석을 실시했다. <그림11>에 나타냈듯이 20kHz 부근 전류가 많아졌다. 최대 전류는 19,900Hz의 1.01A였다. 누설전류의 주파수가 20kHz 정도로 높기 때문에 부하설비에 캐리어주파수가 높은 IGBT소자를 사용한 반도체 응용기기를 사용하고 있는 것으로 추정했다. 설비 조사한 결과, 부하설비에 IGBT 소자의 인버터를 사용하고 있었다. 대책으로 고조파대책형의 지락계전기 교체를 제안했다.가변속 장치 등의 갱신으로는 캐리어 주파수가 높은 주회로 소자를 사용하기 때문에 이 사례와 같이 누설전류가 증가하고 지락계전기의 불필요 동작이 발생할 가능성이 높아지기 때문에 사전 검토가 필요하다. 5. 이상 음직렬 리액터는 철심 갭의 자기흡인력과 자기 비틀림 진동으로 인해 항상 음을 발생하고 전원주파수 2배의 음압레벨이 높다. 고조파전류의 유입이 커지면 음도 증대하는데 기기 본체의 이상 시에도 커다란 이음을 발생한다.진상 콘덴서용 직렬 리액터에서 벨 소리와 같이 높은 음을 발생하고 있었기 때문에 이상 음을 마이크로폰으로 수록하고 1/3 옥타브 분석을 실시했다. <그림12> 수리 전과 같이 정상적인 자기 비틀림 음(120Hz)이외에도 3kHz~7kHz의 음압레벨이 높다. 보통 3kHz~7kHz의 고조파량은 적어 고조파가 이상음의 요인으로는 보기 어려우며 기기본체가 헐거워졌다든지 박리 등의 이상 가능성이 높다. 참고로 리액터 전류의 고조파분석을 했는데 3kHz~7kHz 고조파 함유율은 0이었다.급하게 리액터 본체를 점검한 결과 코일과 철심 간에 삽입한 코일 공간의 접착 개소의 박리가 판명됐다. 수리 후 1/3 옥타브 분석결과에서는 <그림12>의 수리 후와 같이 수리 전과 비교해 3kHz~7kHz의 음압 레벨이 30dB 정도 낮아졌고 벨 소리같이 높은 음도 없어졌다.3kHz~7kHz 대역의 음은 120Hz 부근 음과 비교해 동일 음압 레벨이라도 인간의 청감감도는 약 25dB(18배) 좋아지기 때문에 수리 전 리액터의 이상음은 수리 후 리액터보다 실제 음압 레벨 차 30dB 정도(32배) 보다 더욱 크게 들렸을 것으로 추정한다.고객 설비의 보수·유지에 관해서 최소 보전 비용으로 최대의 보전효과, 경비 삭감 등 고객에게 유용한 개선을 하겠다는 종래부터 강조해오던 사안이 최근 실현 가능해졌다. 이와 같은 시대의 요구에 대해 종래와 같은 보수·유지 서비스만으로 고객은 만족하지 않는다. 앞으로도 설비진단 기술 향상을 추구하고 고객에게 유용한 보수·유지 서비스를 제공해 당사에 대한 고객의 로열티를 높여갈 생각이다.
<Energy News>
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