전력용 콘덴서의 열화 요인과 열화 진단 방법에 대해서

편집부역

전력용 콘덴서는 다른 전기기기와 달리 항상 정격 100(%) 이상의 상태에서 사용되기 때문에 다른 전기기기에 비해 사용 조건이 엄격하다. 한편 그 구성상 다른 전기기기와는 비교할 수 없을 정도로 광대한 면적의 절연체층이 있는데다가 이것이 특히 높은 전계 강도로 연속 사용되기 때문에 ‘절연’면에서는 아주 엄격한 기기라고 말할 수 있다.

 최근 전력용 콘덴서는 이 절연체층을 구성하는 유전체 재료에 플라스틱 필름을 사용해 우수한 절연 성능과 저손실의 특성을 살려 소형화되고 있는데 설치 장소의 제약과 부하기기의 변화에 따른 온도, 전압, 전류 등 콘덴서의 사용 조건은 점점 엄격해지고 있어 이들 조건이 콘덴서의 수명에 어떤 영향을 주는지 고려해 둘 필요가 있다.

 여기서는 전력용 콘덴서의 온도, 전압, 전류 등에 의한 절연 열화 요인과 절연 열화 유무의 진단 방법에 대해서 서술한다.

전력용 콘덴서의 절연 열화 요인에 대해서

전력용 콘덴서는 광대한 면적의 유전체층이 항시 고전계에 노출되어 장기간 사용되는 것으로, 사용 중에 있는 만큼의 절연 열화가 발생하기 때문에 일정 수명을 가지는 것은 어쩔 수 없다. 정규 사용 조건으로는 15~20년 이상의 수명을 유지하도록 설계 제작되어 있다.

전력용 콘덴서의 절연 열화는 콘덴서의 유전체가 전기적 또는 화학적 작용으로 인해 발생하는 것으로 이 열화에 영향을 미치는 요인으로 온도, 전압, 전류 등의 조건을 들 수 있다.

1. 온도의 영향

콘덴서 유전체의 화학적 열화는 주로 온도에 의존하는 경우가 크다. 콘덴서 수명 L과 콘덴서 사용시의 유전체 온도 θ와의 관계는 일반적으로

L=Aε-mθ

로 나타내진다. A, m은 유전체 재료에 있는 특유한 정수다.

이 수명과 온도의 관계를 더 쉽게 알기 위해서 수명 반감에 해당하는 온도차를 Δθ로 하면 온도 θ0에 있는 수명 L0과 온도 θ에 있는 수명 L 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

=θ 0-2

Δθ의 값은 유전체 재료에 따라 약간 차이가 있지만 일반적으로 콘덴서일 경우는 Δθ=7~8(℃)로 생각할 수 있다.

단, 여기서 주의해야 할 점은 콘덴서의 수명에 영향을 주는 것은 주위 온도 그 자체가 아니라 유전체의 온도이기 때문에 주위 온도만이 아니라 콘덴서 온도 상승에도 충분한 주의를 기울여야 한다는 것이다.

2. 전압의 영향

 전력용 콘덴서의 유전체는 사용 중에는 항시 고전계에 노출되어 있기 때문에 미약한 부분 방전과 부분 방전에까지는 이르지 않더라도 국부적인 전리현상을 일으켜 유전체를 열화시키고 있다.

 콘덴서의 수명 L과 콘덴서 사용 시의 전압 V과의 관계는 일반적으로는

L=kV -n

로 나타내진다. k는 비례정수고 n은 유전체에 따라 다른 전압 가속지수다.

전압 V0에 있어서 수명을 L0, 전압 V에 있어서 수명을 L로 하면 위의 관계식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

=()-n

 전압 가속지수 n은, 필름 콘덴서에서는 대략 9~17 정도로 생각되어지고 있다.

전력용 콘덴서에서는 전압 상승에 따라 전압의 2승에 비례해 kvar 용량이 증대하고 이것에 따라 발열량이 증대한다. 또한 이 발열량 증대에 의해 온도상승도 증대되므로 온도 요인이 중첩되어 위의 관계식보다 더 수명이 단축된다. 따라서 전압의 영향은 더 커진다.

전력용 콘덴서 전압으로는 정상적인 과전압 외에 콘덴서 개폐 시, 또는 병렬 접속된 다른 기기의 개폐 시 등에 발생하는 과도전압이 있다.

이러한 과도과전압이 반복해서 인가되면 콘덴서 수명에 중대한 영향을 줄 수가 있다.

3. 전류의 영향

 전력용 콘덴서가 과전류되는 요인으로는 과전압과 고조파전류의 유입을 생각할 수 있다. 이 과전류가 콘덴서 수명에 미치는 영향은 다음과 같이 생각할 수 있다.

(1) 전압의 상승

 기본파전류를 I1, 제 n차 고조파전류를 In으로 하고 기본파전류일 경우만 단자전압을 V1으로 하면 고조파 유입 시의 전압은

V=V1{(1+∑·)2}

이 되기 때문에 고조파전류가 클수록, 고조파 차수가 낮을수록 큰 과전압이 된다.

이 과전압에 의해 전압적 열화가 발생한다.

(2) 실효 용량의 증대

기본파전류만일 경우의 kvar 용량을 Q 1으로 하면 고조파 유입 시의 실효 kvar 용량은

Q=Q 1{1+∑()2}

이 되기 때문에 고조파전류가 클수록, 고조파 차수가 낮을수록 실효 용량은 커진다.

이 실효 용량의 증대에 의해 발열량이 증가하고 온도 상승의 증대에 따라 온도적 열화를 발생하게 된다.

(3) 합성전류의 증대

 고조파전류의 유입에 따라 콘덴서 합성전류는

I=   I 21 +∑I 2n

가 되기 때문에 고조파전류의 증대와 함께 합성전류도 증대한다.

 이는 콘덴서 내부의 리드선과 전극의 I2R 손실 증대를 초래하고 온도 상승 증대의 원인이 될 뿐만 아니라 엘리먼트 전류 인출부 등의 전류 통로의 국부 가열을 발생시키고 수명에 중대한 영향을 미칠 수도 있다.

위에서 말한 고조파전류의 유입에 의한 과전류 때문에 콘덴서 수명이 단축되는 경우가 없도록, 특히 고조파 발생 부하가 있는 곳에 진상 콘덴서를 설치할 때는 신중히 검토해 고조파 대책을 미리 강구해야 한다.

전력용 콘덴서의 과전류에는 위에서 말한 것 외에 콘덴서 개폐 시 등에 발생하는 과도과전류가 있다.

 콘덴서 투입 시의 돌입전류는 항상 전원 임피던스 등에 의해 억제되어 정격전류의 십 수 배 정도 들어있는 경우가 많기 때문에 특히 개폐빈도가 높지 않으면 문제는 없다. 단 인접해 콘덴서가 설치되어 있는 경우는 먼저 충전되어 있는 콘덴서에서 흐르고 있는 전류에 의해 정격전류의 수백 배에 달하는 돌입전류가 유입될 수가 있으므로 주의를 요한다. 이럴 경우는 직렬 리액터 삽입 등을 통해 돌입전류 억제를 도모해야 한다.

전력용 콘덴서 절연 진단

 사용 중 전력용 콘덴서에 대해서 절연 진단을 하고 절연 열화의 정도를 파악하여 잔존수명을 추정할 수 있으면 이상적이겠지만 유감스럽게도 전력용 콘덴서의 절연 진단에는 아주 어려운 점이 많다. 전력용 콘덴서 각각의 절연 성능에 대한 진단법과 문제점을 서술한다.

1. 정전 용량

 박전극 타이프 고압 콘덴서에서는 사용 중의 절연 열화에 의한 정전 용량의 변화가 거의 발생하지 않는다. 따라서 정전 용량 측정에 의한 절연 열화 진단은 그다지 의미가 없다고 할 수 있다. 그러나 박전극 타이프 고압 콘덴서 내부는 다수의 엘리먼트가 직렬로 접속되어 있고 일부 엘리먼트가 절연 파괴 또는 단선일 경우는 정전 용량의 변화에 의해 이것을 알 수 있을 때도 있다.

 증착 전기 타이프의 고·저압 콘덴서에는 사용 중의 국부적 유전 파괴 때문에 증착막 비산에 의한 자기회복 작용이 있고 또 국부적 부분 방전에 의한 증착막 손실이 있기 때문에 장기 사용 중에는 약간의 정전 용량 감소가 있다. 이 정전 용량 감소의 정도는 유전체 재료와 증착 금속, 함침제 종류에 따라 차이는 있지만 대략 수% 이내에 머물러야 하는 것으로, 그 이상 대폭 정전 용량 감소가 있을 경우는 절연 열화가 진전되고 있다고 판단할 수 있다.

정전 용량의 측정기로 최근, 휴대용으로 간편한 직속식 정전 용량계에는 고조파에서의 전압·전류를 비교하는 방식과 직류에서의 충전 또는 방전 시간을 구하는 방식이 이용되고 있는데 고조파 방식에서는 측정 리드선의 인덕턴스, 직류 방식에서는 누수 전류가 측정 오차의 원인이 되기 때문에 주의가 필요하다.

삼상 콘덴서는 Δ결선의 것과 У결선의 것이 있다. 전압 콘덴서에서는 거의 Δ결선이지만 고압 콘덴서에서는 최근 У결선의 것이 많다. 각 결선 1상당의 정전 용량은 kvar 용량에서 다음 식에 의해 산출한다.

Δ결선 콘덴서

1상당 정전 용량

=××106〔μF〕

У결선 콘덴서

1상당 정전 용량

=×106〔μF〕

단, kvar : 콘덴서의 정격 kvar 용량

f : 콘덴서의 정격 주파수

V : 콘덴서의 정격 전압

 삼상 콘덴서의 정전 용량 측정은 <그림1>에 나타낸 것처럼 1/2C법 또는 2/3C법에서 접속을 변경해 2회 또는 3회 측정할 때 각 상의 용량을 알 수 있다.

 콘덴서 용량은 <그림2>에 일례를 나타낸 것처럼 온도에 따라 약간 변하기 때문에 이 점에 대해서도 고려할 필요가 있다.

2. 손실

 일반적으로 콘덴서의 유전체는 열화하면 분해해 이온성 물질이 증가하기 때문에 유전체 손실이 증대하는 경향을 보인다. 그러나 최근 올 필름형 콘덴서에서는 유전체 손실 그 자체가 아주 적어져 이 경향이 그다지 명료해 보이지 않기 때문에 손실에 의한 열화 진단은 곤란해졌다.

그리고 손실값은 측정 전압과 측정 온도에 따라서도 변하기 때문에 현지에서의 간단한 1점의 측정값만을 가지고 절연 진단하는 것은 불가능에 가깝다고 할 수 있다.

 콘덴서 손실률은 본래 아주 낮기 때문에 전력계법 등으로는 측정할 수 없다. 고압 콘덴서 손실 측정에는 일반적으로 셰링브리지가 사용되고 있다.

고압 콘덴서 손실 온도 특성의 예를 <그림3>에, 손실 전압 특성의 예를 <그림4>에 나타냈다. 유전체 열화의 징후로는 특히 고온측 손실, 저전압측 손실의 증대가 비교적 현저하게 나타난다는 것이다.

따라서 콘덴서의 손실 온도 특성, 손실 전압 특성을 상세히 조사하면 열화의 유무는 어느 정도 판단 가능하다고 할 수 있다.

3. 온도 상승

 콘덴서의 유전체가 열화해 손실이 증대되면 분명히 온도 상승도 증대될 것이다. 따라서 온도 상승 측정에 의해 비교적 용이하게 콘덴서 열화를 알 수 있는 경우도 있다.

 콘덴서의 온도 상승은 일반적으로 케이스 표면에서는 상개 중앙부에서 최고가 되기 때문에 이 부분에 온도계를 부착해 온도를 실측하고 계속해서 정기적으로 콘덴서 주위 온도와 비교 측정하면 열화의 유무는 어느 정도까지 추정 가능하다. 그러나 이 온도 상승값은 주위 온도에 의해 다소 변동이 있기 때문에 되도록 주위 온도에 가까운 조건에서의 측정값을 비교할 필요가 있다.

간단하게는 이 부분에 온도에 의해 변색하는 서모 라벨 등을 붙여 설정 온도를 넘었는지 감시하는 방법도 있다.

4. 내전압 시험

 장기간 사용해서 어느 정도 열화한 콘덴서에 대해서 재전압 시험을 실시하면 열화를 진전시켜 수명을 더 단축시키는 결과가 되어 그다지 바람직하지 않다.

또 현실적으로 현지에서 콘덴서 단자간 내전압 시험을 실시하는 것은 대용량 시험 전원을 필요로 하기 때문에 곤란하다.

게다가 교류와 직류의 유전체 파괴 전압비에서 보아 직류일 때는 교류일 때보다 높은 시험 전압을 인가할 필요가 있어 내장되어 있는 방전 전압의 과열 우려가 있다.

장기간 사용한 콘덴서의 일부를 샘플로 해서 파괴 시험을 실시해 파괴 전압이 신품의 수준값에 대해 얼마나 저하되어 있는지 조사하면 열화의 유무를 어느 정도 판단할 수 있다.

5. 부분 방전 시험(코로나 시험)

 콘덴서 내부의 부분 방전을 검출하는 부분 방전 시험은 절연 열화 진단의 유효한 수단의 하나로 생각할 수 있다.

유전체가 국부적으로도 어느 정도 열화하면 함침제 또는 유전체의 분석 가스가 발생해 전계 중에 미소한 기포를 발생하고 이 기포(보이드) 중에서의 미소한 방전이 시작되어 이 방전에 의해 유전체의 열화가 가속된다. 따라서 사용전압 이하에서의 연속적 부분 방전 발생은 위험 신호로 볼 수 있다.

 콘덴서 내부의 부분 방전 검출 방법으로 현재 일반적으로는 다음과 같은 방법이 있다.

1) 전기적으로 방전 펄스를 검출하는 방법

기본적인 부분 방전 펄스 검출회로를 <그림5>에 나타낸다. 공식 콘덴서의 단자전압에 나타나는 미소한 방전 펄스를 결합 콘덴서의 결합 임피던스로 추출해 이것을 증폭한 후 싱크로스코프 등으로 관측한다.

2) 음향적으로 방전 펄스를 검출하는 방법

부분 방전을 발생시킨 곳에서 음파 또는 초음파를 발생하기 때문에 콘덴서 바깥 상자 표면에 고감도 마이크로폰 등의 검출기를 부착해 이것을 검출할 수도 있다. 이 방법은 위에서 말한 전기적 검출 방법에 비해 검출 감도는 낮지만 측정이 용이하다는 이점이 있다.

6. 그 밖의 열화 진단

 유전체 열화는 유전체 재료(종이, 필름)와 함침제의 특성 열화로 나타나고 비파괴 시험으로는 곤란하지만 콘덴서를 해체하고 유전체 재료와 함침제를 샘플링해 이들 특성값 변화를 상세히 조사할 수 있다면 유력한 열화 진단의 단서가 된다.

특히 함침제(절연유)에 대해서는 기름 중 가스 성분의 변화가 가장 뚜렷이 열화의 진전을 나타낸다.

즉 내부에서 과열과 방전이 있다면 수소, 메탄, 에탄 등의 분석 가스가 증대하기 때문에 가스 분석을 통해 이상한 열화나 이상한 고장이 발생하고 있다는 것을 판단할 수 있다.

 콘덴서는 밀봉기기로 변압기처럼 기름을 샘플링할 수 없기 때문에 파괴 시험이 된다. 그러나 극도의 열화와 일부 수소 파괴일 경우에는 분해 가스의 이상 발생에 의한 바깥 상자의 이상 팽창으로 외관 점검에 의해 진단 가능해진다.

 전력용 콘덴서의 절연 열화에는 여러 요인이 있어 사용 조건으로 이들 요인을 꼭 피하는 배려가 필요하다. 절연 열화 진단은 현상에서는 곤란한 면이 많지만 본고가 전력용 콘덴서 보전의 어떤 참고가 되길 바란다.

20세기 100대 과학사건

<1> 인간의 혈액형 발견

19세기와 20세기에 걸쳐 의학은 눈부신 발전을 이뤘다. 특히 수술을 통해 인간의 몸 속을 직접 들여다보는 외과술의 진보는 많은 생명을 구하는 데 큰 몫을 담당했다. 하지만 수술에 피할 수 없는 출혈이라는 문제는 오랫동안 외과술의 발달에 장벽이 되어 오고 있었다. 이 출혈 문제를 해결하는 데 결정적인 기여를 한 사람이 오스트리아 출신의 란트슈타이너(Karl Landsteiner, 1868-1943)였다. 빈 대학을 졸업하고 모교에서 혈청학에 관한 연구를 하던 중에 그는 서로 다른 사람의 혈액을 섞을 때 종종 적혈구끼리 엉겨 붙는 현상이 일어나는 것을 발견하고, 사람의 혈액은 적혈구에 어떤 응집원이 있느냐에 따라 A형, B형, AB형, O형으로 구분된다는 사실을 밝혀냈다. 피 속에는 자기 것이 아닌 응집원에 대항하는 항체가 있어 다른 혈액형의 혈액과 만나면 응집 반응이 일어나는 것이다. 이러한 사실을 밝힌 공로로 란트슈타이너는 1930년 노벨상을 수상했고, 이후 혈액 연구에 매진하여 Rh 혈액형도 발견했다. 인간의 피를 ABO식으로 분류하여 관리해야 한다는 사실이 밝혀짐으로써 비로소 안전한 수혈이 가능해졌고, 그 결과 의사들은 심한 출혈을 하는 수술 환자와 부상 환자들의 생명을 구할 수 있게 되었다. 이로써 외과술은 비약적인 발전을 거듭할 수 있었다.

 자료출처 : 한국과학문화재단(http://www.scienceall.com)