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[해외기술특집] 변압기 온라인 진단 기술
2009-01-20

변압기 온라인 진단 기술


▶ 개요
변압기는 전력 유통에 관련된 주요 설비로, 옛날부터 진단 기술의 개발과 실기 적용이 실행돼 왔다.
변압기 진단은 지금까지의 기술 개발 및 운전 실적을 기본으로 정기 점검 및 관리 기준이 정착되고 있는 분야다. 그러나 최근 운전 상태에서 진단 가능한 온라인 진단 기술 개발이 진행되어 고경년화 기기의 운전 감시 및 정기 점검 주기를 재검토함으로써 다시금 주목 받기 시작했다.
여기에서는 변압기 온라인 진단 기술의 현황과 향후 과제에 대해서 설명한다.

▶ 온라인 진단 기술

1. 온라인 유중가스 분석
가장 일반적인 유입변압기 기본 구조를 <그림 1>로 나타냈다.
전기회로를 구성하는 철심과 절연지로 둘러싸인 권선이 탱크에 수납되어 탱크 내에는 절연유로 채워져 있다.

절연지는 운전 중 열, 산소 및 수분의 영향에 의해 시간 경과와 함께 셀룰로오스 분자 결합이 절단되어 강도가 저하되고 그 과정에서 푸르푸랄, 일산화탄소, 이산화탄소 등 노화 생성물이 생겨 절연유 속에 용해된다. 절연유도 운전 중에 발생하는 열, 탄소, 수분의 노화와 함께 도체가 촉매가 되고 노화가 진전되어 유기산, 수분, 카르보닐(Carbonyl), 파 옥사이드, 유황산화물 등이 생성되어 유중에 용해된다. 또 변압기 내부 이상에 의해 절연유 과열 및 방전이 발생한 경우에는 아세틸렌, 에틸렌 외 가스가 발생한다.
소량 절연유를 배유구에서 채취하여 거기에 포함된 유중가스를 분석하는 유중가스 분석은 변압기 내부 이상 진단 기술로 현재까지 많은 적용 실적이 있다. 최근 일본에서는 전기협동연구‘유입변압기의 보수 관리(1999.2)’에 나타나 있는 분석 방법 및 보수 관리 기준(<표 1>)을 채용하고 있다.
온라인 유중가스 감시 장치는 변압기 배유구에 직결되어 펌프로 기름을 채취(유채취)하여 벨로스(Bellows)법으로 가스를 배출한다. 유출된 가스는 계량관을 거쳐 분리 칼럼으로 유도되어 가스 센서에 의해 정량 분석된다.(<그림 2> 참조)
온라인 유중가스 감시 장치는‘사람 손에 의한 유채취가 불필요하여 측정 오차 요인이 적다’, ‘측정 결과를 신속하게 얻을 수 있다’, ‘이상 발생을 조기에 검출할 수 있다’, ‘유채취에 의한 유중가스 분석과 같은 기준으로 판단할 수 있다’는 등의 이점이 있다.

2. 부분방전 측정
변압기의 절연파괴는 전구 현상으로, 부분방전 발생을 수반하는 것이 많다. 이 때문에 절연파괴로 이어지지 않은 경미한 절연 이상을 검출하는 방법으로 부분방전 측정이 행해진다. 부분방전 측정은 유중가스 분석과 달리 절연 이상을 직접적으로 측정할 수 있으므로 이상 발생을 순시 검출할 수 있어, 유입변압기뿐 아니라 몰드변압기에도 적용할 수 있다.
현지에서 부분방전 측정은 외부 노이즈 영향을 받기 쉽기 때문에, 여러 가지 노이즈 대책을 조합하여 이용된다. 또 부분방전의 유무만이 아니라 복수의 센서를 이용한 발생 개소의 표정 기술도 실용화되고 있다. 부분방전은 부하전류(온도) 등의 영향을 받아 발생 상태가 변화하기 때문에 단발적인 측정이 아닌 연속된 온라인 측정이 기대된다.

⑴ 전기적 측정법
현지 운전 중 변압기의 부분방전 펄스를 측정하는데에는 다음과 같은 방법이 있다.(<그림 3> 참조)

① 콘덴서형 부싱 전압 측정용 단자 또는 시험용 단자를 이용하여 펄스 전압을 측정하는 방법
② 중성점 접지선으로 흐르는 펄스 전류를 측정하는 방법
③ 본체 접지선에 유도되는 펄스 전류를 측정하는 방법
③ 번의 방법은 변압기 운전 중에도 고주파 CT의 접속이 가능하지만, 검출 감도의 측면에서 ①, ②에 비해 뒤떨어진다.

⑵ 전자파 측정법
부분방전에 의해 발생하여 공간을 전반하는 전자파를 안테나로 검출하는 전자파 측정 방법은 전기적 측정법에 비해 감도를 얻기 어렵지만, 변압기에 직접 센서를 붙일 필요가 없어 운전 중 설치가 쉽다.
전자파 측정법의 구성 예를 <그림 4>로 나타냈다.

4개의 안테나는 같은 길이의 동축 케이블에 의해 측정기로 접촉되어 수신 신호가 동시 기록된다. 네 개의 파형 데이터에서 전자파 도달 시간차를 구하는 것으로 부분방전원의 위치를 표정할 수 있다.
변압기 내부에 발생하는 부분방전의 경우 탱크가 전자파 차폐를 위해 검출 감도가 낮지만, 부싱 내부 절연 노화 검출 장치로는 실용화되고 있다.

⑶음향측정법
부분방전에 따라 발생하여 변압기 속을 전반하는 초음파를 검출하기 위해 탱크 외벽에 피에조 효과 소자(PZT)를 이용한 AE(Acoustic Emission) 센서를 부착하는 방법이 실용화되고 있다. 음향 신호만으로는 노이즈와의 판별이 어렵고 CT를 이용한 전기적 측정법과 조합하여 이용한다.(<그림 5> 참조)
전기 펄스 신호에 대한 음향 신호의 시간보다 늦게 유중 전반 속도(1.4m/㎳)를 승산(乘算)하여 AE 센서에서 부분방전원까지의 거리를 계산할 수 있으므로, 여러 개의 AE 센서를 이용하면 부분방전원의 표정이 가능하다. 설치는 비교적 쉽지만, 탱크 외측의 AE 센서로 얻을 수 있는 검출 감도는 500~수천 pC로 낮고 센서에서 거리가 먼 부분방전에서는 검출 감도가 저하된다.

⑷ 부분방전 허용치
부분방전 측정의 공장시험에서 판정 기준은 JEC(Japanese Electrotechnical Committee) 규격 등에 의해 정해져 있지만, 운전 중의 허용치에 있어서는 기출 문헌에서도 일반적인 기준치가 표시되어 있지 않다. 이것은 신호 감량 및 노이즈에 의해 측정 감도가 공장 시험보다 낮고, 진단 사례가 적은 것에 의한다. 현재 상태에서는 운전 중에 부분방전 발생이 측정된 경우 유중가스 분석을 병용하여 종합적으로 이상 유무를 판정하는 것이 일반적이다.


3. 부싱 진단
33㎸ 이상의 변압기에서 폭넓게 이용되는 콘덴서 부싱의 절연 노화 진단을 목적으로 운전 중에 부싱의 tan δ을 측정, 감시하는 기술이 해외에서 개발되고 있다.
<그림 6>에서 부싱 탭과 접지 간의 정전 용량은 부싱 탭과 중앙 도체 간 정전 용량에서 10배 정도 크기 때문에 부싱 탭에 나타나는 전압 출력은 모선의 대지 전압에 대해서 누설전류와 거의 같은 위상각이 된다.
부싱 tan δ의 온라인 측정은 부싱 탭 출력 전압과 모선 대지 전압의 위상각을 비교하는 절대 측정과 타상 부싱 또는 타 변압기 같은 형식의 부싱으로 나타나는 출력을 비교하는 비교 측정이 있다.

4. 부하 시 탭 절환장치의 진단
각 탭 절체마다 접점이 접동(摺動) 및 절환 아크에 의해 마찰·소모되기 때문에 접촉 저항 및 절환시 구동 토크는 증가하는 경향을 나타낸다. 구동장치의 동력 전달 축에 토크 센서를 설치하고 축 토크를 측정함과 동시에 CT를 이용해 전동기 전류 측정을 행하는 진단 기술이 개발되고 있다.(<그림 7> 참조)

▶ 그 외 진단 기술
단락 사고에 의한 변압기 권선 변위를 검출하기위해, 해외에서는 주파수 영역의 전달관수를 측정하는 주파수 응답 해석 FRA(Frequency Response Analysis)가 적용되어 운전 중 개폐 서지를 입력하여 온라인 진단하는 것이 연구되고 있다.

▶ 마무리
여기에서는 변압기 온라인 진단 기술에 대해서 설명했다. 변압기 고장은 전력 공급에 영향이 크고 교환·수리에도 시간을 필요로 하기 때문에 운전을 정지하지 않고 이상 점검할 수 있는 온라인 진단은 그 효과가 크다. 온라인 진단은 향후 증가하는 고경년 기기의 운전 감시 및 정기 점검에서 경미한 문제가 발견됐을 때의 경과 관찰과 정기점검 주기 및 점검 내용을 판단하기 위한 예비적인 진단 기술로 폭넓게 보급될 것으로 기대된다.

부분방전(Partial Discharge)
고체를 중심으로 한 복합 절연 구성에서 절연파괴 전압이 낮은 기체 혹은 액체에 인가되는 국부전계가 일정한 계(코로나 개시 전계)에 도달하면, 이 부분이 먼저 파괴되어 부분적인 방전을 형성하고 주 절연, 특히 고체절연을 열화시켜 결국 전로파괴에 이른다.
이와 같이 전극 사이의 절연물을 완전하게 교락(橋絡)되지 않은 상태에서 발생하는 부분적인 방전을 부분방전이라 한다.

푸르푸랄(Furfural)
특수한 냄새를 가진 기름 모양의 액체 형태를 띤 헤테로고리알데히드의 한 종류다. 나일론합성에 사용되거나 살충제로도 쓰인다.

벨로스(Bellows)
파형의 표면을 가진 용기 내부 압력이 변화함으로써 주름이 신축하여 용기가 축 방향으로 변위하게 되어 있는 압력-변위 트랜스 듀서를 말한다.

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