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[단기연재] 유입변압기의 열화현상과 열화진단방법에 대해서
2005-01-25



유입변압기의 열화현상과 열화진단방법에 대해서 

(주)타카오카제작소((株)高岳製作所)

서두

전기기기의 열화진단, 잔여 수명 추정을 시행하는 것은 사고발생을 미연에 방지하는데 중요한 역할을 담당하고 있다. 여기에서는 유입변압기의 열화현상에 대해서, 그 메커니즘에 대해서 개략을 설명하고 주로 사용면에서 본 변압기의 잔여 수명 추정에 대해 서술하기로 한다.

유입변압기의 열화

유입변압기를 구성하는 주재료에는 도전재료로서의 동, 알루미늄, 철심으로서의 규소강대, 구조재료로서의 강재, 절연재료로서의 절연유, 셀룰로오스를 주재료로 하는 절연지, 프래스보드 등의 절연물이 있다. 이들중 동, 알루미늄 등의 금속류는 장기간의 사용에도 열화가 거의 확인되지 않는다. 절연유에 대해서는 전기협동연구 제54권 제5호 ‘유입변압기의 보수관리’에 따르면 공기, 수분 등의 침입이 없으면 절연유가 파괴전압에 큰 저하가 없어 장기사용이 가능한 것이 보통이라 할 수 있다(<그림 1>). 또 유침된 절연지, 프레스보드의 내전압도 가열열화로 큰 저하가 없다고 되어 있다.

일본전기공업회 기술자료 제155호 ‘변압기의 보수·점검지침’에 따르면 유입변압기 절연물의 주요 열화원인으로 다음 사항을 들 수 있는데, 이들 원인이 많은 경우 중복되어 절연물을 열화시킨다고 한다.

1. 열에 의한 열화

유입변압기가 발생하는 열로 절연물이 산화 및 열분해해서 일어나는 것으로 절연지, 프레스보드 등은 기계적 강도가 저하한다.

2. 흡습에 따른 열화

절연지, 프레스 보드가 대기 중의 수분을 흡수해서 절연내력 및 기계적 강도가 저하하는 경우로, 열에 의한 열화를 촉진하기도 한다.

3. 코로나에 의한 열화

절연물에 가해지는 전계의 강도가 어느 정도를 넘었을 때 발생하는 코로나에 의해 일어나는 것으로 절연물이 탄화하고 절연내력의 저하와 함께 기계적 강도도 저하해서 열화되는 것이다.

4. 기계적 응력에 의한 열화

단시간의 전자기계력 또는 이상한 진동, 충격에 따라 절연지, 프레스보드 등이 기계적으로 파괴되어 절연내력이 저하하는 경우로 전술한 1~3의 원인으로 기계적 저항력이 약해져 있는데다가 기계적 응력이 작용해 파괴되는 경우도 많이 있다.

<그림 2>는 절연물의 열화를 나타낸 일례다. 절연지를 절연유중에서 가열했을 때의 내전압과 기계적 강도의 변화를 나타낸 것으로 절연물의 기계적 강도는 시간과 함께 크게 저하하고 절연지의 기계적 강도가 장기간 사용에서 저하하는 것을 나타내고 있다.

변압기는 운전 중, 외부의 단락 등으로 코일 도체에 큰 전자기계력이 발생하는 경우가 있다. 그 힘을 절연지, 프레스보드 등으로 지지하고 있다. 이들 기계적 강도가 저하하고 전자기계력에 견딜 수 있게 되면 단락, 지락이 될 가능성이 있다. 또 이들 절연재료는 변압기의 구조상 변환이나 보수가 불가능한 재료도 있다. 즉, 변압기의 수명이 절연물의 열화에 크게 관계하고 경년사용과 함께 변화가 인정되는 절연지나 프레스보드의 기계적 강도 상태를 파악하는 것이 변압기 열화진단에 효과적이라 할 수 있다.

이상과 같이 유입변압기의 절연물 열화에는 많은 요인을 들 수 있는데, 여기에서는 절연물의 기계적 강도 저하에 가장 영향을 미치는 열에 의한 열화에 대해서 상세하게 서술하는 동시에 이 원인에 따른 열화의 진단방법을 나타내기로 한다.

기대수명과 6℃ 반감법칙 

유입변압기의 기대수명은 일반적으로 30년이라고 되어 있다. 따라서 정격 범위 내에서 10년간 운전하고 있는 유입변압기가 있다고 하면 그 남은 수명은 20년이라고 할 수 있다. 그러나 변압기가 과부하, 이상전압, 고온상태 등 다양한 조건 하에서 사용되는 경우를 생각할 수 있다. 이들 조건 중, 온도가 절연물의 수명에 크게 영향을 준다. 변압기에 사용되는 절연물은 높은 온도에서 사용하면 빠르게 열화된다. 전기학회 기술보고(Ⅰ부) 제 143호 ‘유입변압기 운전지침’에서는 평균 최고 권선온도가 95℃라고 되어 있다. 이것은 평균기온 25℃ 하에서 평균 권선온도 55℃, 최고 권선온도와 평균 권선온도의 차이 15℃ 조건에서의 사용에 상당한다(95＝25＋55＋15).

절연물의 온도와 수명의 관계에는 일반적으로 아레니우스(Arrhenius)의 법칙에 의거, 수명을 다음 식으로 얻을 수 있다.

Y＝exp(A＋B/T)  Y : 수명  T : 절연온도 K  A, B : 정수이 식은 온도가 80~150℃의 범위에서는 또 다음 식으로 구할 수 있다.

Y＝a·exp(－b·θ)  θ : 온도 ℃  a, b : 정수연간 평균 최고 권선온도 95℃를 위 식에 대입해서 변형하면, 다음 식을 얻을 수 있다.

Y＝Yo·2－(θ－95)/k   Yo : 95℃ 시의 수명  k : 정수이 식은 변압기 절연물의 온도가 k℃ 상승할 때마다 수명이 반 정도가 된다는 것을 의미한다. k는 일반적으로 6이라 하고 있다. 이것은 6℃ 반감법칙이라 부른다. 따라서 예를 들어 평균기온이 31℃인 지역에서 변압기를 연속 100% 운전하면 절연물의 연간 평균 최고점온도가 101℃, 즉 기준온도보다 6℃ 높아지기 때문에 수명이 반정도가 되고 15년이 된다. 또한 만약 평균기온이 6℃ 상승해서 37℃에서 사용된다면 반인 7년 반이 변압기 수명이 된다.

예를 들어 평균기온 25℃일 때 과부하 등의 원인으로 어느 변압기의 절연물이 112℃에서 1년간 사용되었다고 여긴다. 이 온도는 기준온도 95℃보다도 12℃ 높기 때문에 이 1년간의 사용에서 1/2×1/2＝1/4로 수명이 축소된다. 바꿔 말하면 1년 사용이 4년 사용에 상당한다. 따라서 만일 이 뒤의 변압기 부하가 정격이 된다고 해도 그 수명은 26년이 된다.

정격부하 이외에서 사용시의 최고 유온도 추정

운전시의 변압기 최고 유온도는 온도계가 부착된 변압기의 경우 그 값을 읽어내며 알 수 있지만, 온도계가 없는 경우에는 불가능하다. 이러한 경우, 부하율에서 온도상승값을 계산으로 구할 수가 있다.

어느 유입변압기의 정격부하 운전시 온도상승이 T[℃], 이 때의 전손실이 P'[W]였을 경우, 온도상승 T'는 다음 식으로 구할 수 있다.

T'＝T(P3/P)0.8[K]

그런데 변압기의 손실은 철손(무부하손)과 동손(부하손)으로 나눌 수 있다. 철손은 부하가 변화해도 일정하다. 동손은 부하의 2승에 비례해 커진다. 그러므로 철손을 Pi, 동손을 Pc, 부하율을 x로 하면,

가 된다. 따라서 이 변압기의 정격온도 상승값 R과 철손동손비 Pc/Pi가 나뉘면 정격부하 이외의 부하율에서 유온도 상승값을 구할 수가 있다.또 최고 권선온도가 일반적으로 이 주위온도 및 20℃ 정도를 더한 값이 된다.

유입변압기의 열화진단

유입변압기의 열화진단에는, ① 전기적 특성을 확인하는 방법, ② 절연물의 기계적 강도를 확인하는 방법, ③ 변압기가 발생하는 열로 절연물의 구성물질이 분해돼서 발생하는 분해가스의 종류, 양으로부터 절연물의 기계적 강도를 추정하는 방법이 있다. 절연물의 전기적 특성 확인 방법에는 절연저항측정, 유전정접(tanδ) 측정 등이 있는데, 이들은 절연지의 열화 경향을 파악하는 요소가 되기는 하지만 측정값 자체로는 열화상황을 판단할 수 없다. 이에 대해 절연물의 기계적 강도에서 열화상황을 추정하는 방법은 일반적으로 실제 유입변압기의 열화상황을 파악하는 효과적 수단이 되므로 여기에서는 이에 대해서 상세하게 기술한다.

앞서도 서술했지만 유입변압기의 열화는 절연지의 기계적 강도와 상관이 있다. 절연지의 기계적 강도는 그 평균 중합도와 깊이 관계되어 있다. 평균 중합도가 클수록 기계적 강도가 높아진다. 따라서 절연물의 중합도를 열화의 지표로 삼을 수 있다. 평균 중합도는 미열화의 절연지에서 1000정도로 갱신이 필요해지는 ‘수명 레벨’은 JEM 1463 ‘변압기용 절연지의 평균 중합도 평가기준’에 따르면 450이다. 평균 중합도의 측정은 대상이 되는 절연지를 샘플로 삼아 측정하기 때문에 사용중인 변압기에 대해서는 적용할 수 없다. 그래서 중합도에 상관이 있는 다른 지표를 이용해서 평균 중합도를 추정한다.

변압기 운전 중에 발생한 열로 미량의 각종 분해가스가 발생하고 이것이 기름에 녹아버린다. 절연지의 중합도가 저하할 때에 발생하는 분해가스에는 CO와 CO₂가 있고 이들에는 중합도와의 상관이 인정된다. 그래서 이들 분해가스 양을 변압기 열화진단의 지표로 하는 것이 가능해진다.

그러나 유중 CO, CO₂분석은 메인티넌스 시에, 기름을 교환하거나 하면 용해된 가스량이 전회 결과와 크게 다르다. 또 블리저 타입(개방형)의 변압기는 발생한 가스를 공기 속에 방출해 바른 값을 구하기가 어려워진다.

그래서 이와는 별도로 푸르푸랄(furfural) 분석으로 절연물의 평균 중합도를 추정하는 방법이 제창되었다. 푸르푸랄은 CO, CO₂ 모두 절연지의 중합도 저하에 따라 생성되는 고비점의 물질로 생성 후 기름에 별로 용해되지 않고 대부분이 절연물에 부착된다. 이로 인해 블리저 타입의 변압기라도 거의 대기 중에 방출되지 않는다. 또 기름을 교체해도 변압기 내부의 대부분인 푸르푸랄은 절연물에 부착된 채로 있기 때문에 총량에 큰 변화가 발생하지 않는다. 푸르푸랄 분석은 이 기름에 용해된 소량의 푸르푸랄 양을 측정하는 것으로, 발생한 푸르푸랄 전체의 양을 추정하고 절연물 평균 중합도를 추정한다. 변압기 내부의 푸르푸랄 양은 절연물의 양과 열화 정도와 관계가 있다. 이 때문에 정확한 열화의 정도를 알려면 변압기에 사용된 절연물의 양을 파악해 둘 필요가 있다.

또 최근에는 유중 CO, CO₂분석, 푸르푸랄 분석에 더해, 유중 마세톤 분석 등이 제창되고 있다. 아세톤도 절연물의 열화(열분해, 산화)의 과정에서 생성된 분해생성물이다. 푸르푸랄은 흡착제에 흡착되는데 비해 아세톤에는 그 현상이 없다. 아세톤도 평균 중합도가 좋은 상관관계가 있기 때문에 유중 아세톤 분석에 의한 열화진단은 흡착제가 들어있는 변압기에 대해 효과적인 열화진단이라는 사실이 알려져 있다.

이들 방법에 의한 열화진단은 제법 정확도가 높은 진단방법이지만, 이를 위해서는 안전상, 변압기의 정전을 필요로 한다. 푸르푸랄 분석은 매우 효과적인 열화진단의 방법이지만 이를 위해서는 절연물의 정확한 양을 알아야 한다. 이 값을 알려면 제조사에 문의해 봐야 한다.

변압기의 보급에서 부하, 입력전압의 상태 파악을 하는 것도 열화진단 상에서 매우 효과적인 방법이라고 생각된다. 이들 변화를 항상 감시함으로써 어느 정도까지 열화가 진행되어 있는가를 계산으로 추정할 수 있기 때문이다.

결말 

이상, 유입변압기의 열화현상과 그 진단방법에 대해서 절연물의 열화를 중심으로 서술했다. 도입부에도 서술한 바와 같이 수명말기 절연물의 기계적 강도가 초기에 비해 상당히 작아져있다. 과부하, 단락사고는 그대로 코일 파괴에 이를 가능성이 있기 때문에 수명말기의 변압기 운전상황에 대해서는 특히 주의를 요해야 한다.

그밖에 외함의 부식에 의한 변압기 열화는 무시할 수 없다. 유입변압기는 절연유에 침입하는 상태에서 처음으로 그 성능이 보증되기는 했지만 부식으로 함에 구멍이 뚫리고 그 구멍으로부터 물이 침입하거나 기름이 새거나 하면 코일의 절연성능이 현저하게 저하하고 절연파괴에 이르는 경우가 있다. 보급으로부터의 점검에서 외함의 발청, 누유 등에 대해서는 항상 감시해야 할 필요가 있다. 첺

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