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문제 정의
- 변압기 절연유의 가스를 분석하는 목적은 크게 두 가지로, 변압기의 내부 이상을 조기에 발견하여 변압기 고장을 사전에 예방하기 위한 것과 절연재의 열화 정도를 진단하여 변압기의 잔존 수명을 예측하고 적절한 교체 시기를 결정하기 위한 것이다. 변압기의 고장을 사전에 예방하는데 이용되는 가스는 탄화 수소계 가스이고, 절연재의 열화 정도를 진단하는데 이용되는 가스는 CO와 co2 가스이다.
- 본 연구에서는 2004년 한전 중부 이남 지역의 절연유 가스분석 결과와 변압기 내부 정밀점검 결과를 토대로, 가스분석에 의한 변압기 내부고장의 발견율과 각 가스별 고장의 원인을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 한전에서는 1982년~ 1985년까지 한전에서 수행한 가스분석 데이터를 분석하고, 일본전기협동연구회의 가스분석 주기 및 판정 기준을 참조하여, 1985년 표 1과 같이 한전 자체의 가스 분석 판정 기준을 최초로 제정하였다. 이 당시에는 154kV 변압기를 대상으로 "요주의”와 "이상”의 2단계 판정 기준을 정하였다.
- 1998년 축적된 국내 변압기의 가스분석 데이터를 분석하여 판정 기준을 표 2와 같이 개정하였다. 이때 200kV 이하 변압기와 345kV 이상 변압기에 대한 판정 기준을 별도로 분리하였으며, "요주의”, "이상” 및 "위험”의 3단계 판정 기준을 정하였다. 또한 TCG의 증가량에 의한 판정 기준을 추가하였으며, 신설 변압기(운전개시 1~4개월)에 대한 판정 기준을 운전 중 인 변압기의 판정 기준과 분리하여 새로 제정하였다.
- 일본에서의 변압기 절연유 가스분석 주기는 한전과 비슷하며, 정기측정은 1회/1~3년으로 하고, 추적조사는 “요주의" 또는 "이상”으로 판정되었을 경우나, 내부점검, 고장 수리 후의 확인을 위해 주기를 단축해 실시한다. 또한 변압기 절연유 가스분석 초기치는 운전개시 후 1개월~3개월째의 값으로 하고 있다.
- 운전 중인 변압기는 정기분석, 추적분석 및 임시분석으로 구분되며, 정기분석은 변압기의 건전성을 확인하고 고장의 발생 여부를 진단하기 위한 것으로 1회/년 가스를 분석한다. 추적분석은 정기분석에서 "요주의” 또는 "이상”으로 판정된 변압기의 가스 변화를 감시하고, 고장으로의 진전을 예측하기 위하여 가스분석 주기를 단축한 것으로, “요주의” 변압기는 1회/3개월, “이상” 변압기는 1회/1개월 가스를 분석한다. 또한 기계적 보호장치나 전기적 보호장치의 동작 시나 고장 징후가 확실할 경우에는 절연유의 가스분석 주기에 관계없이 임시로 가스분석을 실시한다.
- 신설 변압기의 판정 기준은 운전 중인 변압기의 판정 기준의 하한치 50%를 초과하는 것으로 하였다. 또한 CO2 가스의 검출량에 따라 변압기 관리 방법을 변경하거나 변압기 절연재의 열화 도를를 진단하는 방법을 제정하였다.
- 이때 200kV 이하 변압기와 345kV 이상 변압기에 대한 판정 기준을 별도로 분리하였으며, "요주의”, "이상” 및 "위험”의 3단계 판정 기준을 정하였다. 또한 TCG의 증가량에 의한 판정 기준을 추가하였으며, 신설 변압기(운전개시 1~4개월)에 대한 판정 기준을 운전 중 인 변압기의 판정 기준과 분리하여 새로 제정하였다. 신설 변압기의 판정 기준은 운전 중인 변압기의 판정 기준의 하한치 50%를 초과하는 것으로 하였다.
- 절연유 가스분석에 의한 변압기의 진단 절차는 먼저 측정된 각 가스 농도와 가연성 가스 총량의 증가량으로 한전의 진단기준치에 의해 고장 유무와 정도에 대한 상태를 판정하고, 고장 원인별 주요 발생 가스에 의한 진단 방법에 따라 고장의 원인을 추정한다. 또한 고장이 예측될 경우에는 절연파괴전압, 전산가, 유전정접(Tan 8), 수분 및 전기적 시험과 외부 점검 등의 데이터를 종합적으로 검토해 내부 정밀 점검 등의 유지보수 계획을 수립한다.
- 정상적으로 운전되는 변압기 도 경 년 열화에 의해 CO, CO2, H2, C2H6, CH4 등의 가스가 발 생하고, 특히 운전 초기에는 CO, H2 가스가 다량으로 검출되는 경우가 있어, 이러한 원인추정이 곤란한 변압기에 대해서는 내부 고장이라고 판단하지 않고 감시를 주체로 하는 "요 주의 r 기준을 설정했다. 또한 변압기 내부점검 결과에 따라 고장 발견율이 낮은 가스인 H2 가스는 400ppm, C2H6 가스는 450ppm 및 CO 가스는 300ppm으로 설정하고, CH4 가스는 고장 발견율이 비교적 높기 때문에 lOOppm으로 설정하였다. C2H2, C2Hi 가스는 아크 방전이나 고온 열분해에 의해 발생하는 특징적인 가스이므로, 미량이라도 검출되었을 경우는 추적조사를 실시하도록 판정치를 낮게 설정했다.
- 변압기에서 채취된 절연유는 가스분석 장치에서 절연유에 용해되어 있는 가스를 우선 혼합가스 형태로 추출하고, 추출된 혼합가스에서 화학분석 장치를 이용하여 가스별로 정량 측정한다. 절연유에 용존된 가스의 추출방식에는 토리첼리 방 식, 토플러 펌프 방식, 헤드 스페이스 방식, 피스톤 벨로우즈 방식, 스트리핑 방식 및 버블링 방식이 있으며, 전력연구원에 서는 토플러 펌프 방식을 사용하고, 전력관리처에서는 헤드 스페이스 방식을 사용하고 있다.
- 이와 같이 변압기 절연유의 가스분석 기술은 현재 세계적으로 가장 널리 이용되고 있는 기술이고, 변압기 사고 예방에 많은 성과를 거두고 있으나, 진단의 정확도를 향상시키기 위해서는 가스분석 데이터와 변압기 내부점검 결과를 토대로 가스분석 관리기준 및 판정 기준을 보완할 필요가 있다. 본 연구에서는 한전에서 운영 중인 절연유 가스분석 판정기준치와 일본의 가스분석 판정기준치와 비교하고, 2004년 한전 중 부이남지역의 가스분석 결과와 변압기 내부 정밀점검 결과를 토대로, 가스분석에 의한 변압기 내부고장의 발견율과 각 가스별 고장 원인을 분석하였다.
- 한전에서 운영 중인 전력용 변압기의 가스분석 주기는 신설 변압기와 운전 중인 변압기로 구분되어 있다. 신설 변압기는 제작 및 설치상의 결함을 조기에 발견하고, 가스분석의 초기치를 설정하기 위하여 운전 1개월 및 3개월 후에 가스를 분 석한다. 운전 중인 변압기는 정기분석, 추적분석 및 임시분석으로 구분되며, 정기분석은 변압기의 건전성을 확인하고 고장의 발생 여부를 진단하기 위한 것으로 1회/년 가스를 분석한다.
- 신설 변압기는 제작 및 설치상의 결함을 조기에 발견하고, 가스분석의 초기치를 설정하기 위하여 운전 1개월 및 3개월 후에 가스를 분 석한다. 운전 중인 변압기는 정기분석, 추적분석 및 임시분석으로 구분되며, 정기분석은 변압기의 건전성을 확인하고 고장의 발생 여부를 진단하기 위한 것으로 1회/년 가스를 분석한다. 추적분석은 정기분석에서 "요주의” 또는 "이상”으로 판정된 변압기의 가스 변화를 감시하고, 고장으로의 진전을 예측하기 위하여 가스분석 주기를 단축한 것으로, “요주의” 변압기는 1회/3개월, “이상” 변압기는 1회/1개월 가스를 분석한다.
대상 데이터
- 가스의 "이 상”의 범위는 61~80ppm이고, “위험”의 범위는 120ppm 이상으로 80~120ppm 사이의 가스분석치는 어디에도 속하지 않는 문제점이 있었다. 따라서 이러한 문제점을 개선하여 2002년 C2H2 가스의 판정기준치를 표 3과 같이 개정하였으며, 절 연유 가스분석 방법의 기준이 되는 ASTM D 3612의 규정에 따라 CsHs 가스를 추가로 분석대상 가스로 선정하였다. 표 3은 2002년 개정한 가스분석 판정기준치에서 주요 변경사항만을 나타낸 것으로, 나머지 가스는 1998년의 판정 기준과 동일 하다.
데이터처리
- 추적분석은 정기분석에서 "요주의” 또는 "이상”으로 판정된 변압기의 가스 변화를 감시하고, 고장으로의 진전을 예측하기 위하여 가스분석 주기를 단축한 것으로, “요주의” 변압기는 1회/3개월, “이상” 변압기는 1회/1개월 가스를 분석한다. 또한 기계적 보호장치나 전기적 보호장치의 동작 시나 고장 징후가 확실할 경우에는 절연유의 가스분석 주기에 관계없이 임시로 가스분석을 실시한다.
이론/모형
- 운전 중인 변압기의 절연유에 용해된 가스를 분석하여 내부의 고장을 진단하기 위해서는, 절연유의 채취에서부터 용존가 스의 추출에 이르기까지, 절연유와 외부 공기와의 접촉을 최대한 억제해야 하는 등 세심한 주의가 필요하다. 변압기 절연유의 채취는 전기절연유 시험 방법(KSC 1201)의 '사용 중인 기름의 시료 채취 방법'에 준하여 채취한다. 변압기 내부에서 생성된 가스는 일반적으로 절연유의 강제순환 및 자연 순환에 의해 균일하게 대류, 확산하므로, 절연유는 변압기 하부 드레인 밸브(drain val.
성능/효과
- R는 내부 정밀점검을 시행하지 않았다. "요주의”로 판정된 변압기는 274대 중에서 26대를 정밀점검하여 9.5%의 점검 비율을 나타내었으며, "이 상”으로 판정된 변압기는 기대 중에서 10대를 정밀점검하여 141%의 점검 비율을 나타내었고, "위험”으로 판정된 변압기 는 8대중에서 7대를 정밀점검하여 87.5%의 점검 비율을 나타내었다.
- (2) 가스분석에 의해 운전 중인 변압기의 16.8%가 "요주의” 이 상으로 판정되었으며, "이상”으로 판정된 345kV 변압기는 11.8%로 154kV 변압기 2.3%에 비해 상당히 높게 나타났다. , , 요주의, , 이상으로 판정된 가스는 co 가스가 73.
- (3) 내부 정밀점검에 따른 고장 원인의 발견율은 약 42%를 나 타내었으며, 요주의”로 판정된 변압기는 31%, "이상”으로 판정된 변압기는 30%, "위험”으로 판정된 변압기는 100%를 나타내었다. 가스분석 판정회수에 따른 고장 원인 발견율은 상관관계가 없게 나타났으며, "위험”으로 판정된 변압기는 고장 원인이 모두 발견되므로 가능한 빠른 시기에 내부 정밀 점검을 실시하는 것이 바람직하다.
- 일본에 비해 한전의 판정 기준이 상당히 높게 설정된 것에 비하여, "요 주의, , 및 "이상”으로 판정된 변압기의 고장발견율이 30% 정도에 그치고 있어 내부 정밀점검 방식에 대한 검토가 필요하다. “요주의" 이상으로 판정된 가스분석 회수에 따른 고장 원 인 발견율은 상관관계가 없게 나타났으며, "위험”으로 판정된 변압기는 고장 원인이 모두 발견되므로, 가능한 빠른 시기에 내부 정밀점검을 실시하는 것이 바람직하다.
- (3) 내부 정밀점검에 따른 고장 원인의 발견율은 약 42%를 나 타내었으며, 요주의”로 판정된 변압기는 31%, "이상”으로 판정된 변압기는 30%, "위험”으로 판정된 변압기는 100%를 나타내었다. 가스분석 판정회수에 따른 고장 원인 발견율은 상관관계가 없게 나타났으며, "위험”으로 판정된 변압기는 고장 원인이 모두 발견되므로 가능한 빠른 시기에 내부 정밀 점검을 실시하는 것이 바람직하다.
- "요주의 n” 및 "이상”으로 판정되었을 경우는 조성비 진단을 포함한 전체의 양상진단을 실시해 고장의 내용과 긴급성을 판정한다. 유중가스 분석에 의해 "요주의 Q" 또는 "이상” 으로 판정되고 내부 고장이 확실할 경우에는, 전기적 시험, 외부 일반점검, 운전 이력이나 개보수 실적 등 변압기의 고장 진단에 도움이 되는 항목을 종합해 운전의 계속 여부, 내부점검 또는 수리 여부를 최종적으로 결정한다.
- 또한 내부 정밀점검에 의해 확인된 고장 원인은 표 12와 같다. 예상원인 과 실제 고장 원인을 비교하여 보면, H2 가스는 절연유 중의 부분 방전으로 예상하였으며, 내부 정밀점검 결과 변압기 내부에 동 가루가 발생하여 절연유 중의 부분 방전이 발생한 것으로 추정되어 비교적 정확한 예상으로 판단된다. C2H2 가스는 절 연유 중의 아크에 의한 절연유의 분해나 고체 절연물의 아크 방전, 국부방전 등에 의해 발생하는 가스로, 정밀점검 결과 권선 내측으로부터 진전된 것으로 보이는.
후속연구
- 3%에 비해 상당히 높게 나타났다. , , 요주의, , 이상으로 판정된 가스는 co 가스가 73.4%를 나타내었으나, 변압기 내부 정밀점검에 의해 이상 부위나 원인이 발견되지 않아, CO 가스의 판정 기준을 재검토할 필요성이 있다.
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