변압기 진단기술라이프사이클 기술자, EGA법, 열화진단, 예방보전변압기를 비롯해 수변전설비에 대한 신규 투자는 억제되는 경향에 있으며 안정 운용기를 지나 마모 고장기에 들어선 이들 설비 또는 기기에 대한 정확한 열화진단 및 연명화 조치 등 시장 요구가 높아지고 있다.이제까지 유입변압기를 중심으로 변압기 열화 메커니즘의 해명 및 유효 진단방법과 주로 메이덴샤에서 장기적으로 실시하고 있는 분석 방법에서 실적을 올리고 있다.또 건식변압기를 대상으로 장래 실용화를 목표로 하는 메이덴샤 독자 진단 기술의 기초연구도 지속적으로 수행하고 있다.경제 고도성장기에 다수 출하된 수변전설비는 20년 이상을 경과한 것도 많이 볼 수 있다. 그러나 설비 투자는 억제되는 경향이 있고 안정운용기를 지나 마모고장기에 들어선 수변전설비를 얼마나 적정하게 보전 관리해 갈 수 있을지가 시장의 요구이기도 하다. 순환형 사회에서 환경보호 입장에서도 노후된 기기를 단순히 폐기·갱신하기에는 어려움을 수반하는 배경도 있다.변압기는 수변전 시설의 주요 기기중 하나이며 변압기에 대해서도 적절한 진단과 연명화 대책을 강구, 전력공급 신뢰도를 유지하면서 총 라이프사이클 비용을 최소화하는 솔루션이 요구되고 있다.본 고에서는 전기설비, 특히 수변전설비의 라이프사이클 기술자에게 빼놓을 수 없는 변압기 진단기술 및 응용 중 한 부분을 소개한다.
변압기 열화와 수명1. 열화 메커니즘변압기 열화 진전에 관한 특성요인을 <그림2>에 나타냈다. 유입변압기에 사용되고 있는 절연재료에 관해 일반적으로 문제가 되는 열화상태는 기기 내에 존재하는 소재나 수분으로 인한 절연유·절연지 및 압축 보드 등 화학적인 열화가 있으며, 이것은 운전 중에 열이 주된 가속요인이기도 하기 때문에 열 열화라고도 한다.2. 변압기 수명JEC2200에 의하면 ‘변압기는 운전 중 온도, 습도 및 산소 때문에 그 절연물이 열화하고, 그것이 진행되면 뇌서지 등 이상전압 또는 외부단락 전류로 인한 전자기계력 등의 전기적·기계적 이상 스트레스를 받을 경우 파괴될 위험이 높다. 변압기가 운전에 들어갔을 때부터 이 위험도가 높아진 시점까지를 변압기 수명이라 한다.’로 명시돼 있다.일반적으로 온도가 높을수록 절연재료의 열화 진전은 빠르지만 절연유는 새로운 기름으로 교환 또는 탈기여과처리 등을 수행함으로써 특성 회복이 가능하다는 점에서 반드시 수명을 결정하는 요인은 되지 않는다.한편, 권선부 절연지나 압축보드 등의 종이계 재료는 갱신이 불가능하기 때문에 이 열화가 변압기 수명을 결정하는 요인이 된다. 권선부 절연 열화로 인한 사고 발생 메커니즘을 <그림3>에 나타냈다.변압기 진단 개요수변전설비 전체 진단평가를 하는 경우에도 변압기를 비롯해 각 구성기기 고유의 진단기술을 확립하는 일이 중요하며 그 위에 장기 진단 실적을 바탕으로 트랜드데이터 축적을 통해 비로소 설비 전체의 정확한 진단평가가 가능해진다.1. 종합적인 진단 필요성전력용 변압기의 대부분은 유입변압기이지만 그 정격(용량, 전압 등) 구조(밀폐방식, 냉각방식 등) 및 설치환경(주위온도, 습도, 염분 피해, 먼지, 특수 가스 등)은 다양하다. 따라서 변압기의 보수점검을 설치 직후부터 실시하고 운전상태, 부하상태, 환경조건 등을 항상 파악해 두는 일이 중요하다. 이러한 일련의 보수점검 데이터, 사회적 수명(부품공급 가부, 보수요원 확보 등) 및 열화진단 결과에 따라 잔여 수명 추정을 포함한 종합적인 진단이 바람직하다.2. 진단 방법변압기 열화진단 방법으로는 크게 2가지로 나뉜다. 부분방전 측정, 절연물 전기적 특성 측정, 열 화상 측정 등으로 이뤄지는 ‘계측진단’ 및 절연유 성분 분석 등 열화 진행도나 이상현상 유무를 화학적인 분성방법으로 진단하는 ‘분석진단’이다.계측진단 항목은 무정전에서 실시 가능한 활선진단 항목(1차 진단) 및 원칙에 따라 기기를 정지시키고 정전 상태에서 수행하는 정전진단 항목(2차 진단)이 있다.어떠한 방법이든 기기 고장으로 인한 설비 정지 위험을 억제하는 데다 일상 보전 업무를 포함, 총 러닝코스트를 최저한도로 하는 것이 목적이다. 예방보전업무 최적화·합리화를 지원할 수 있도록 효과적인 진단 방법·항목을 실시하는 것이 바람직하다.특히 노후화 진행기에 진단할 경우는 갱신계획에도 파급효과가 발생하기 때문에 중요하다. 열화상태의 정량 파악을 통해 남은 수명 진단도 알 수 있기 때문에 필요한 분석방법을 도입해 정확한 평가결과를 산출해야 한다.유입변압기를 예로 주요 진단항목을 <표1>에 나타냈다.계측진단기술종래부터 실시하고 있는 계측진단 항목으로는 부분방전 측정, 국부과열 측정, 절연저항 측정 등 전기적 특성측정 및 절연유 특성 시험 등이 있다.여기서는 활선진단 수단으로도 유효한 부분 방전 측정, 온도분포 측정 및 절연유 특성 시험에 관해 설명한다.1. 부분방전 측정부분방전은 절연물 열화나 절연물 중 보이드 또는 트리 존재로 인해 전계가 불균일해져 부분적인 코로나 방전을 발생하는 현상이다. 따라서 유입변압기, 몰드변압기 및 건식변압기에 있어서도 절연 열화 징후를 검출하는 효과적인 방법 중 하나이다. 이 측정은 과전상태(활선)에서 실시한다.구체적인 검출 방법으로는 부분방전 현상에 따른 누전류, 방전 펄스 전류 또는 방사전자파를 측정하는 방법 또는 AE 센서 등을 이용해 초음파·가청음을 확보하는 방법 등이 있다<그림4>. 모두 미약한 신호이기 때문에 소음 성분과의 변별력 향상이 과제이다. 디지털 필터와 웨이브렛(Wavelet) 변환에 따른 신호해석도 효과적인 수단이라 생각하고 있으며 메이덴샤의 대안 책 중 하나이기도 하다.
2. 온도분포 측정대상기기의 표면온도를 고감도 적외선 카메라로 열화상으로 측정하고 과열부위 유무 또는 온도분포의 이상을 평가 판정하는 방법이다.국부 과열 요인으로는 동이나 철 손상을 생각할 수 있다. 동 손상으로는 권선단자부가 헐거워짐으로 인한 접촉저항 증대, 그리고 철 손상에 의한 것은 층층이 쌓인 철심(규소동판)의 층간 자기절연 열화로 인한 철손 증대 등을 생각할 수 있다.이 방법은 가동상태에서 기기 온도를 실제로 모니터할 수도 있으며, 기기의 열화진행도나 잔여수명 평가에 효과적인 온도 상승의 생생한 데이터를 얻을 수 있다는 데 의의도 크다<그림5>.
3. 절연유 특성 시험유입변압기에 있어서는 절연지와 함께 절연유가 절연모체의 주 요소이다. 일반적으로 기기의 점검·진단 시 절연유의 일부를 샘플로 추출하고 특성을 직접 측정하는 방법을 채용하고 있다.절연유 열화는 화학적 조성의 변화와 함께 절연내력을 비롯한 전기특성 저하를 초래한다. 따라서 메이덴샤에서도 종래부터 절연파괴전압(kV), 체적저항률(Ω·m), 유전정접(%), 전산(酸)가(mg·KOH/g) 및 유중 수분량(mg/kg) 등을 계속적으로 측정, 감시하고 있다. 이들 측정 항목의 판정기준치를 <표2>에 나타냈다.전산가는 절연유의 산화 정도를 나타내는 수치이며, 메이덴샤 실적에서 운전 중의 온도가 높을 수록 산소와 접촉할 기회가 많은 개방형기기에서 증가경향이 많다.절연파괴전압은 500kVA 이하 등 소형에서 개방형일 경우 경년 저하경향이 강하다. 반면, 밀봉형, 격막(膈膜)형 혹은 비교적 대형 기기에서는 경년변화가 적다. 이는 전산가와 거의 동일한 경향을 나타내고 있다.절연유 체적저항률은 수분량과 밀접한 관계에 있으며 수분량 증가와 함께 현저하게 저하되는 경향을 볼 수 있다. 따라서 공기와의 접촉이 있는 개방형에서는 경년변화(체적저항률 저하)가 크고 밀봉형이나 각막형에서는 완만한 경년변화를 나타낸다.분석진단기술유입변압기에서는 사용하고 있는 절연유를 화학적으로 분석함으로써 내부에서 발생한 이상 유무 판정, 혹은 절연지나 압축보드 등 절연열화 정도 진단이 가능하다.일반적으로 이상 유무판정을 위해 유중가스 분석을, 또는 열화 정도 진단을 위해 푸르푸랄 분석 및 CO2+CO 농도 분석을 하고 있으며 메이덴샤에서도 진단 업무로 널리 적용해 실적을 쌓고 있다.1. 유입변압기 이상진단(1) 분석 대상 가스변압기 내부에서 과열, 아크 방전 또는 부분방전 등 이상이 발생한 경우, 절연유나 고체절연물 일부가 열분해해 각종 가스가 발생한다. 발생한 이상 종류와 그와 함께 발생하는 가스 편성은 <표3>과 같다.메이덴샤에서는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2), 에탄(C2H6)의 가연성 가스(TCG) 및 산소(O2), 질소(N2), 이산화탄소(CO2)를 분석 대상 가스로 하고 있다.(2) 분석 순서분석 순서를 <그림6>에 나타냈다.(3) 판정 레벨구체적인 이상 진단 순서는 2단계로 이루어진다. 우선, 분석된 용해 가스의 농도 레벨 판정을 실시한다. 대상 가스 중 어느 하나라도 요주의 레벨 혹은 이상 레벨에 이르는 것이 있는지 판정한다. 판정 구분 및 판정 레벨을 <표4>에 나타냈다.또한 발생한 이상 종류에 따라 각각 가스의 농도비에 일정한 경향이 있다는 것이 판명됐다. 앞에 설명한 판정 레벨에 달한 가스 농도를 포함하는 것에 대해 해석을 추진하고 이 가스 패턴을 판정함으로써 과거에 발생한 내부이상 종류를 추정할 수 있다. 각 주도가스와 이상현상과의 관련은 다음과 같다.① H2 주도형주로 방전 및 과열로 인한 이상이다. 과열인 경우, 철심에 관계한 접촉 불량 및 순환 전류가 주 요인이다. 그리고 방전의 경우는 LTC(부하 시 탭 교환기)의 동작불량, 섬락, 접촉불량 등이 주를 이룬다.② CH4 주도형주로 과열로 인한 이상이다. 철심에 관한 순환전류, 절연불량이 원인인 경우가 많다.③ C2H4 주도형주로 과열 및 방전으로 인한 이상이다. 발생온도는 CH4 경우보다 고온이다. LTC 접촉불량, 철심 순환전류, 철심층간 단락으로 인한 과열 또는 접촉 불량에 따른 방전 등이 원인이다.④ C2H2 주도형주로 방전 및 부분방전으로 인한 이상이다.⑤ C2H6 주도형저온과열 가능성이 있다. 절연유 산화열화 또는 아크방전에 의해서도 발생하는 경우가 있으며 단정할 수는 없다.메이덴샤에서도 앞서 설명한 이상 레벨에 이르렀다고 판정된 것에 대해 통계적 방법을 이용하면서 이와 같은 가스패턴 해석을 실시, 이상 진단에 공헌하고 있다<그림7>.
2. 유입변압기 열화진단(1) 절연지 열화앞에서 설명한 바와 같이 변압기에서는 갱신하기 곤란한 종이재료의 열화가 수명을 지배하는 요소이다. 특히 권선 간 절연에 사용되고 있는 절연지는 가장 높은 고온에 노출되기 때문에 열화 진행이 비교적 빠르고 이 절연지를 끌어당기는 강도 저하가 변압기 수명을 좌우한다.운전 중인 변압기 내 절연지 등 종이재료의 특성은 측정이 불가능하므로 종이재료의 열화와 함께 발생하는 열화 생성물인 절연유중 농도를 측정하고 경년열화 정도를 간접측정하는 방법을 채용했다.(2) 열화지표 성분앞에 설명한 절연지 열화 정도 즉, 평균 중합 정도의 저하 지표가 될 수 있는 생성물로는 푸르푸랄, CO2+CO가스 혹은 아세톤 등이 알려져 있다. 평균중합 정도와 푸르푸랄량, 그리고 평균중합 정도 CO2+CO가스량 사이에는 상관성이 있으며 이들 절연유중 농도를 측정함으로써 열화 정도의 외부진단을 수행한다<그림8>.(3) 열화진단의 적용메이덴샤에서는 푸르푸랄 및 CO2+CO가스량 분석을 중심으로 열화진단을 실시하고 있다. 변압기용 절연지 열화 평가기준으로 JEM1463에 따르면 중합 정도 450 이하가 수명 레벨 영역 및 250 이하가 위험 레벨 영역이다. 이들을 열화지표 성분량으로 표현한 값은 <표5>이며, 메이덴샤 평가기준도 이를 바탕으로 하고 있다.실제 측정에서는 유중 농도를 측정하는 방식을 위해 대상기기로 사용되고 있는 전 유량, 절연지 전 질량 및 기름 비중으로 환산한 값을 그 때의 판정기준으로 이용하고 있다.한편, 기기 운전 연수와 측정된 각 지표성분의 실례를 <그림9>(a) 및 <그림9>(b)에 나타냈다. 이들은 운전연수와 함께 열화 진행 즉 절연지의 평균중합 정도의 저하와 각 지표 성분량 추이와의 상관을 나태내고 있다.3. 건식변압기 열화진단메이덴샤에서는 건식변압기의 열화 진단기술 개발도 추진하고 있으며 그 성과의 일단을 소개한다.(1) FT-IR(푸리에변환 적외분광) 법H종 함침몰드형 건식변압기에서는 내열성 폴리에스텔 바니시를 함침시킨 절연지로 내부철심을 피복하고, 그 위에 난연성을 향상시키기 위해 표면층은 산화철(적색)이 함유된 내연성 폴리에스틸 바니시로 피복했다. 이 구조의 변압기 열화진단 방법 중 하나로 절연재료인 내열성 폴리에스틸 바니시 분자 구조 변화를 파악할 수 있는 FT-IR(Fourier Transform-Infrared Spectroscopy : 푸리에변환 적외 분광법) 방법이 알려져 있다.FT-IR법은 물질에 적외선을 조사하면 파장의 빛이 선택적으로 흡수를 받는 성질을 이용하고 있다. 이 방법은 분자구조 중 열화에 기인하는 피크 변화와 일반 열화의 변화 없는 기준 피크로 인한 비율을 구함으로써 열화 정도를 평가하는 것이며 기술적으로는 확립된 방법이다. 그렇지만 분석에는 수mg 정도의 시료 채취가 필요하며 가동 중인 변압기에서 게다가 열화가 진행되기 쉬운 고온부인 내부철심 부근의 수지를 깎아내야만 하기 때문에 현실적인 면에서 어려움이 따르는 방법이다.(2) EGA(발생기체분석)법이번 메이덴샤가 독자적으로 개발한 EGA(Evolved Gas Analysis : 발생기체분석)를 응용한 열화 진단기술은 내열성 폴리에스틸 바니시 시료 채취량이 수 ㎍ 정도로 극히 미량에서 평가 가능하다.일반적으로 고분자는 열화 진행과 함께 경화하는 현상을 나타내고 새로운 상품의 안정된 분자 간 결합에 기인하는 영역과, 열화로 인한 분자 간 결합이 응집된 구조에 기인하는 2개의 경화 영역이 있다. 그리고 고분자는 가열에 따라 분자구조 중 약한 결합부분부터 절단되어 불안정 말단기가 반응해 성질이 단단해 지는 현상을 나타낸다. 때문에 고분자에 열을 일정 속도로 가한 경우 2단계 분해과정을 생성하고 이들 분해 정도 비율이 이미 진행한 열화 정도에 의존해 달라진다. 이와 같이 EGA 방법에서는 채취한 수지 시료로부터 2단계로 발생하는 미량 가스를 파악해 이들 비율을 측정함으로써 단시간에 상당히 적은 미량 시료로 열화정도 평가를 가능하게 한 것이다.실제 기기와 동일하게 조성한 폴리에스텔 바니시 시험편을 열 가속 열화 시킨 시료를 제작해 EGA 방법으로 측정한 예를 나타냈다. 초기 제품 총 이온 크로마토그램의 결과를 <그림10>(a)에, 열화 제품 동일 데이터를 <그림10>(b)에 나타냈다. 각각으로부터 검출된 2개의 피크를 분리 처리하고 각 피크 면적을 산출한다. 이들 1차, 2차 피크 면적 비율 즉 가스발생비율을 평가하고 열화 정도 판정에 사용한다.이 방법의 타당성을 증명하기 위해 열가속 열화 과정에서 동일 시료에 대해 앞의 파라미터(1차·2차 가스 발생비율)를 수회 측정한 결과를 <그림11>(a)(가열온도 180℃) 및 <그림11>(b)(가열온도 200℃)에 나타냈다. 모두 가로축은 열화가속을 위한 가열경과시간, 세로축은 해당하는 경과시간의 시료 파라미터(1차·2차 가스 발생비율) 측정치이다. 회귀직선(마스터 곡선)과의 상관계수는 (a)에서는 0.78, (b)에서는 0.94를 얻었다.이상 결과에서 EGA 방법을 이용한 측정을 통해 열화 정도 판정이 가능하다는 것을 증명했다.유입변압기를 중심으로 그 열화진단 기술, 일반 동향 및 메이덴샤의 대안 책을 소개했다. 메이덴샤 제품의 분석 데이터는 유입변압기 용량으로 110kVA부터 300MVA에 이르기까지, 또 운전연수에서는 40년을 넘어선 기기의 데이터 까지 폭넓게 축적했다.잔여 수명 추정을 정밀도 있게 수행하기 위해서는 더욱 많은 실적 데이터 축적이 필요불가결하다. 또 파라미터인 외부 기온, 부하율, 온도분포 등 실제 기기의 운전 조건 상세파악, 그 위에 부품 공급 가부 혹은 보수 요원 유무 등 사회적 조건을 가미한 종합적인 판정을 수행할 필요가 있다. 또 활선으로 더욱 효과적인 진단 추진 시 각종 센서 기술동향에도 주목하면서 종합 진단기술 향상에 노력해갈 생각이다.또한 건식변압기의 열화진단에 대해서는 폴리에스틸 바니시 EGA 측정이 효과적이라는 사실을 입증할 수 있었다. 향후 이에 관한 필드 데이터 수집·축적을 추구해 열화진단의 새로운 방법으로 실용화를 추진해갈 방침이다.
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