변압기진단기술, 열화원인, 유증가스, 절연파괴전압, 변압기수명진단

[오가피]

변압기 진단기술

Ⅰ. 서론

　최근 송변전기기는 고압 대용량화로 진행되어, 1대의 기기 고장이 전력계통에 미치는 영향이 높으므로 신뢰성의 확보가 매우 중요하다고 하겠다. 그러므로 이를 위해 예방보수의 점검차원에서 각종 진단기술을 이용하여 송변전기기의 사고를 미연방지하는 것이 요구되고 있으며, 현재 연구개발중인 진단기술도 있지만 실용화 단계에 도달한 기술도 있다. 선진 각국에 있어서 향후의 중요과제는 진단결과의 정도를 높이는 기술이라 하겠다.
　현재 변전기기에 이용되는 고압 변압기는 유입변압기이며, 유입변압기의 수명은 절연재료가 뇌서지 및 개폐서지 등의 이상전압 또는 외부단락 등의 전기적, 기계적 스트레스에 의한 열화로 결정되고, 파괴할 위험도가 증대할 시점에 대한 열화문제를 고려하는 것이 예방보수 차원에서 매우 중요하다. 유입변압기는 각종의 재료가 이용되고 있지만 전기적 성능면에서 절연유, 절연지, 프레스보드 등의 절연재료 열화가 주요한 문제가 되므로, 이들 절연재료의 열화형태와 최근 진단기술에 대하여 기술한다.

Ⅱ. 열화요인과 형태

　절연유를 이용한 변전기기에서 발생되는 열화요인으로는 고온 운전에 따른 열적열화, 외부단락에 의한 열적열화, 기계적 손상 및 부분방전열화가 대표적이며 이로 인하여 전기적 성능과 기계적 성능이 저하하게 된다. 이러한 열화에 의하여 이들 변전기기에서는 기계적 강도 저하, 진동 증가, 가연성 가스 발생 등이 나타나고 절연파괴로 진전된다.

　열적열화는 기기의 과부하 운전에 의하여 가속되고, 이 열화특성을 알면 사용기간 중의 재료의 전기적 절연강도 및 기계적 강도의 변화특성을 알 수 있으므로 기기 진단기술의 기초기술로서 대단히 중요하다. 부분방전열화는 실현장 data와 관련한 연구실적은 적지만, 절연파괴 전단의 현상으로 검지가능하면 사고의 미연방지에 매우 유효한 것으로 알려져 있다.

　이러한 열화요인 외에 산소와의 산화, 흡습, 기계적 응력 및 환경적 요인에 의하여 복합적으로 열화가 진행되어 이상이 발생하고 사용수명에 도달하게 된다. <그림 1>은 열화에 따른 주요 장해 관계를 나타낸 것이다.

　<표 1>은 유입변압기 부위별 이상현상 및 이상원인을 나타내었으며, <표 2>에서는 유입변압기의 각 구성 부위 및 사용재료에 있어서 열화현상중 탱크 내부에서의 열화현상을 나타내었다. 이러한 내용중 절연재료 열화의 지표로는 유중 용존가스의 변화, 절연유의 특성변화, 중합도의 저하, 진동 및 소음의 증가, 부분방전량의 증가가 있다.

　절연재료중 절연지의 열화도는 셀룰로즈 분자를 만들고 있는 글루코스의 수(평균중합도)로 나타낼 수 있다. 열화가 진행되면 셀룰로즈 분자는 저분자량화로 되며, 이것은 평균중합도 저하로 나타나고 인장력 세기(항장력)의 저하를 가져온다. 예를 들면 약 30년 운전한 유입변압기 권선에 사용된 절연지의 평균중합도는 일반적으로 초기치의 40~60로 저하되어 간다. <그림 2>에 운전년수와 평균종합도와의 관계를 나타내었다. <그림 3>은 장기간 운전한 유입변압기에서 채집한 절연지 및 프레스보드의 평균중합도와 항장력의 관계를 표시한 것이다. 이러한 시험결과에서 절연지는 경년 열화에 의해서 평균중합도 및 항장력은 저하하지만 절연파괴전압은 거의 저하하지 않는다는 것으로 밝혀졌다.

　또한, 절연지의 셀룰로즈 분자는 산화열화가 진행되면 분자가 분해하고, 최종적으로 CO2, CO, H2O 등이 생성되어 진다. 생성된 CO2 및 CO 가스는 절연유에 용존하기 때문에 유중가스 분석에 의해서 측정하는 것이 가능하다. (CO2＋CO) 가스 총량이 평균중합도와 항장력과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려지고 있어 (CO2＋CO) 가스 생성량에서 절연지의 열화도를 추정하는 것이 가능하다.

　절연재료중 절연유는 운전중에 열 및 유중에 잔존하고 있는 수분과 산소 그외 불순물에 의해서 열화가 진행되며, 전산가의 증가, 체적저항률의 저하 및 절연 파괴전압의 저하를 나타낸다. 그러나 현재 사용되는 변압기는 무압 밀봉형과 질소 봉입형의 콘서베이터를 채용하고 있어 열화 진행정도는 상당히 느리다. 변압기 사용년수와 절연파괴전압의 관계를 <그림 4>에 나타내었다.

　변압기 탱크 외부의 열화부위와 열화현상으로는 첫째 탱크강판, 방열판, 콘서베이트 본체 등이 열적 및 환경적 요인에 의하여 발청 또는 부식되는 경우, 둘째 탱크 및 부싱의 가스키트·콘서베이트의 격리막·방압장치의 방압판 등의 재질인 나트륨 고무와 박동판이 열적 및 환경적 요인에 의하여 압축력과 곡률피로를 받아 균열 또는 변형되는 경우, 셋째 고압부싱 애관이 전기적 및 환경적 오손영향을 받아 절연내력이 저하하는 경우이다. 이러한 변압기 외부부품은 열화가 거의 진행되지 않지만, 열화가 진행된 지점은 외부에서 판정이 가능한 경우가 많다.

<표 1> 유입변압기의 이상현상 및 이상원인

부위	이상현상		이상원인
내부	철심	과열	냉각불량, 누설지속, 조임의 느슨함
		진동증가	조임의 느슨함
	코일	과열	냉각불량
		방전	절연불량, 이상전압
		변형	단락기계력
	리드선	과열	냉각불량, 접속부 조임 불량
		방전	절연불량
	절연물	방전	경년열화, 수분혼입
		파손	용접불량, 외부상처
	절연유	방전	경년열화, 이물혼입
외부	탱크	누유	용접불량, 외부상처
	배관	파손	지진 등의 외력
	가스키트	누유	경년열화, 조임 불량
	애관	파손	지진 등의 외력
부속기기	냉각장치	누유	용접불량, 외부상처, 부식
		냉각능력저하	팬 고장, 펌프모터 고장
	보호장치	오동작,불동작,지시불량	흡수에 의한 절연저하, 단락, 피로에 의한 파손, 기계적 불량 등
	부하시탭절환장치	오동작,불동작,이상차단	조작기구의 전기적 불량,조작기구의 기계적 불량

<표 2> 유입변압기의 내부 열화 현상

구성부위				열화현상
내 부	구성부품		재 료	종 류	영 향	지 표
	철심	철심절연	마닐라지, 프레스보드	열열화	기계적강화저하진동증가	잡음 및 진동의 변화
	권선	도체절연	크라프트지	열열화 부분 방전 열화	절연물 열분해 1. 기계적 강도 저하 ┌ 절연파괴 └ 진동증가 2. 가연성 가스 발생	1. 유중요존 가슨의 변화 2. 절연지의 중합도 저하 3. 절연지의 기계적 강도 저하
		권선절연	크라프트지, 프레스보드
		코일지지물	목재, 프레스보드
	리드선	도체절연	크라프트지
		리드지지물	목재, 프레스보드	열열화, 부분방전열화 흡수	절연내력저하┐ 부분방전발생┘ →가연성가스 발생→ 절연파괴	1. 절연파괴전압 2. 유중가스변화 3. 유중수분증가 1. 절연파괴전압 2. 산가변화
	절연유		전기절연유
	부하시 탭 절환기	절연유	전기절연유
		접촉자	동,동합금	마모, 부식(유화동)	접촉면 손상 접촉저항증가 과열 및 용손	1. 절환회수 2. 접촉저항 3. 접촉상태 4. 동작 토오크

Ⅲ. 진단기술.

　앞서 언급된 열화요인을 파악하여 예방보수를 하기 위하여는 진단이 필요하므로 대표적인 진단기술에 대하여 알아본다.

　1. 유중 가스 분석에 의한 진단
　변압기 내부에 국부적인 가열 및 부분방전이 발생하면 절연유 및 절연지가 분해되어 여러 종류의 가스가 발생한다. 이 분해 가스는 절연유에 용해되므로, 유중 용존 가스를 Gaschroma- tography로 분석하여 가스성분, 발생량, 경시변화를 파악하여 변압기의 열화 진전상태를 판단할 수 있다.

　변압기의 이상종류와 발생가스의 관계, 가스분석 결과의 판정방법을 3종류(① 각 성분 가스에 의한 판정, ② 가연성 가스 총량 및 각 가스량에 의한 판정, ③ 가연성 가스 총량의 증가경향에 의한 판정)로 나타내었다. 가스분석 결과를 이용한 진단방법으로는 ① 가스 패턴에 의한 진단방법, ② 조성비에 의한 진단방법, ③ 특정가스에 의한 진단방법의 유효성이 높은 것으로 되어 있다. 변압기 이상에 따른 발생가스 성분을 <표 3>에 나타내었다. 유중가스 분석 진단장치에는 Gas chromatography 외에도 수소가스 상시감시장치와 다종류가스 자동분석장치 등이 있다.

　2. 부분방전 측정에 의한 진단
　부분방전에 의하여 절연물이 열화하면, 절연이 파괴될 위험성이 높은 시점의 수명을 고려해야 한다. 부분방전에서 절연물 수명의 관계는 그 크기와 절연구조 및 전계 값에 의한 영향을 받기 때문에 이를 고려해야 한다.

　부분방전 검출법은 변압기 외함벽에 부착한 초음파 마이크를 이용한 음향법, 부분방전에서 발생된 전류펄스를 중성점 접지선에 취부한 Rogoski coil 및 Bushing tap으로 부터 전류법을 병행한 자동감시 진단장치가 개발되어 있다. 이것은 운전중의 변압기에 있어서는 외부잡음이 많아서 음향법이나 전류법 단독으로는 변압기의 부분방전 검출이 곤란하기 때문에 두 가지 방법을 조합하여 내부방전을 판단하는 기능을 갖도록 한 진단장치이다.

　3. Z 변화 측정에 의한 진단
　변압기에 2차 단락이 일어날 경우에는 단락전류에 의해 코일이 변형되어 코일간 gap의 증가현상에 의해 리액턴스가 증가하게 된다. 그러므로 변압기의 Z를 측정하여 그 변화량을 관측하면 코일의 상태가 추정되므로 변압기의 이상을 진단할 수 있다.
　JEC-204-1978의 규격에는 임피던스 변화의 허용치를 규정하고 있어 이상 진단의 한 방법으로 이용할 수 있다.


　4. 종합적 평가 진단
　고체 절연물은 열화가 진행됨에 따라 평균중합도가 저하되므로, (CO2＋CO) 가스량에 의하여 진단 가능하고, 절연유의 경우는 전산가와 절연파괴전압 및 유중가스 분석량으로 진단가능하다.

　절연물 평균중합도에 의한 판정은 동 에칠렌 아미노 용액의 점도로 표시된다. 시료는 검정시기에 실제 기기에서 채집하고, 측정은 전용시험설비를 이용하여서 행한다. 평균중합도와 열화의 관계는 다음과 같다.

　(1) 평균중합도 및 항장력은 40년 동안에 50저하한다.

　(2) 약 30년 동안 운전된 초고압 유입변압기에 있어서 프레스보드의 평균중합도는 조사결과 200~600 정도이다.

　(3) 일반적으로 평균중합도(평균중합도의 초기치에 대한 값)가 40~ 50된 경우를 수명으로 판단한다.

　절연물의 가스 생성량에 의한 판정은 유중가스 분석에 의한 진단방법으로 정량분석은 Gas chromatog- raphy를 이용한다. 가스생성량과 평균중합도 잔율의 관계에서 절연물의 열화와 내부 이상을 진단한다. 수명은 권선 절연물 1g 당의 (CO2＋Co)가스 생성량으로부터 추정한다. 경년열화의 목적으로 하면 0.42~1.7ml/g으로 되면 요주의라고 하고 있지만, 이방법은 다음과 같은 문제점이 남아 있다.<그림 5>참조

　(1) CO2＋CO 가스 생성에 관여하고 있는 절연물의 양을 확실히 산정하기가 곤란하다.

　(2) 과거 절연유를 여과처리한 변압기에서는 유처리전의 가스분석기록이 필요하다.

　(3) 과거 국부 과열에 의한 절연물의 과열현상이 있었던 경우에는 이러한 것과 분리가 어렵다.

　수명손실에 의한 진단은 부하전류와 유온도에서 계산한 권선 최고점 온도에 의해 절연물의 수명손실을 계산하고, 기대수명(30년)에 대하여 현재까지 소비된 수명이 어느 정도인가를 산출하는 것에 의하여 남은 수명을 구하는 것이 있다. 수명손실 계산법은 “유입변압기 온도와 수명(변압기 규격 JEC204 부록 5)” 및 “유입변압기 운전지침(전기학회 기술보고 1부 No. 143호)”자료에 의한다. 이 방법은 절연물과 절연유를 채유하지 않고 진단 가능한 특징이 있지만, 다음과 같은 문제점이 있다.

　(1) 절연물의 열화는 단지 온도만이 아니고, 유중 용존 산소량 및 수분량에 의해서도 영향을 받는다.

　(2) 실제의 최고점 온도를 아는 것은 어렵다.

　(3) 과거 운전이력이 필요하다.

　절연유 열화의 가장 큰 원인으로는 산화현상이 있다. 즉 절연유는 공기와 접촉에 의해서 산화되고, 이의 산화는 변압기의 온도상승, 동·철 등의 금속에서 촉매작용, 절연 와니스 용출 등을 함께 촉진시킨다. 그외 분해 및 중합 등의 화학 반응에 의해서 절연유에 용해되기 어려운 슬러지가 생기고 탱크 내부에 침적하여 냉각을 방해하여 온도상승을 증가시켜서 절연열화가 촉진된다. 절연유의 보수시에는 전산가, 절연파괴 전압을 우선 측정하고, 이들 측정값이 이상한 경우에는 tanδ측정 등의 특성시험을 행하고 판정한다.

　(1) 전산가：전산가의 판정기준은 <표 4>에 의한 것이 바람직하다.

<표 4>전산가에 의한 판정

신유	0.02미만
초고압 변압기유	0.2미만이면 양호
33kV이하의 변압기유	0.3미만이면 양호
얼마 안 있어서 재생 또는 교환을 요하는 유	0.3∼0.5
긴급히 재생 또는 교환을 요하는 유	0.5초과

　(2) 절연파괴전압：변압기 형태에 의해서 <표 5>과 같은 것이 바람직하다.

<표 5>절연 파괴 전압

66kV이상 변압기로 유와 공기가 직접 접촉하지 않는 것	35kV 초과
그 이외의 것	30kV 초과

　유입변압기에 있어서 비교적 열화를 진행하는 것으로서는 절연물, 절연유, 가스키트 및 부속품 등이 있다. 그중에서도 권선에서 이상이 발생한 경우에 변압기의 운전을 정지시켜 권선을 교환해야 하는 것은 변압기를 갱신하는 것과 동일한 비용과 시간이 필요하므로, 유입변압기의 갱신시기는 권선 절연물 수명에 의해서 결정된다. 구성부위－진단방법－교환, 갱신 시기의 관계를 정리한 것을 <표 6>에 나타내었다.

<표 6> 유입변압기의 수명진단 내용

부위	진단방법	교 환 시 기
본체 내부  절연물	CO₂＋ CO량 유중 가스분석	CO₂＋CO 생성량이 0.46-1.7㎖/g에 달하면 절연지 수명을 고려한다
	평균중합도	절연지의 평균중합도가 40∼50％ 또는 항장력이 60％ 저하한 경우를 절연지 수명으로 고려
절연유	전산가	0.2∼0.3에서 교환
	절연파괴전압	30kV 또는 35kV에서 교환
	유중가스분석	전기협동연구 제36권 제1호에 의함