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문제 정의
- 유입식변압기 고장진단방법 중 유중가스를 이용한 진단방법은 가장 널리 사용되고 있고 신뢰성이 높으며 여러 가지 진단법이 개발되어 있다. 본 논문에서는 변압기 실제 고장시 발생된 유중가스 종류와 농도를 일반적으로 변압기 고장 진단에 적용하는 유중가스 기반의 진단 방법 4가지에 적용하여 진단한 결과와 고장내용을 비교하여 진단법의 신뢰성을 분석하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 실제 고장이 발생했던 5가지의 대용량변압기를 대상으로 일반적으로 많이 사용하는 가연성가스성분비를 이용한 Rogers 법, IEC 법과 핵심가스를 이용한 진단법, CH계열 가스의 상대적인 비율을 이용하는 Duval Triangle 법을 적용하여 진단한 결과와 실제 고장내용을 비교하여 유중가스를 이용한 고장 방법의 신뢰성을 분석하였다.
- 핵심가스를 이용한 진단방법은 유중가스 중 CO, H2, CH4, C2H6, C2H4, C2H2,의 6가지 핵심가스의 상대적 비율을 이용하여 4가지 Case로 진단하는 방법으로 각 Case별 유중 가스 농도 비율은 표 4와 같다.
대상 데이터
- 사례 1, 3, 4와 유사한 외철형의 발전소 승압변압기로서 용량 353MVA, 변압비 20.9/345kV를 갖는 2권선 변압기로 정지전 유중가스의 농도는 수소(H2) 171ppm , 일산화탄소 (CO) 119ppm, 메탄(CH4) 191ppm, 에탄(C2H6) 20ppm, 에틸렌(C2H4) 296ppm, 아세틸렌(C2H2) 22ppm 이었다. 가연성가 스의 성분비를 구하면 R1=1.
성능/효과
- 5가지 가연성가스의 성분 비를 구하면 R1=10.4, R2=0, R3=3.77로 Rogers 법은 700℃ 이상 고온과열, IEC법은 300∼700℃범위의 과열로 진단되었으며, 핵심가스의 성분비가 각각 3%, 24%, 25%, 10%, 38%, 0% 이므로 절연유 과열에 의해 가스가 발생된 것으로 진단되었다.
- 그러나 변압기 공장에서 분해점검 결과 그림 13과 같이 철심의 면이 Burr에 의해 단락되어 순환전류가 흘러 과열되고 철심면의 일부가 아크에 의해 손상되었으며, Rogers 법이나 IEC 법, 핵심 가스 법 및 Duval Triangle 법 의한 진단 결과와 일치하였다.
- 그리고 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2)의 세 가지 유중가스의 백분율 성분비는 각각 47%, 53% 및 0%이므로 그림 3과 같이 Duval Triangle에 표시하면 세 가지 백분율 성분비가 겹치는 부분이 T3 영역에 있음을 알 수 있고, 표 3에 의하면 변압기에 700℃이상의 과열이 발생되어 절연유내 많은 탄소물질이 생성되고 금속이 변색 및 용해된 것으로 진단되었다. 그리고 6가지 핵심가스의 성분비가 각각 7%, 44%, 16%, 16%, 17% 및 0%로 수소가스 주도의 고장으로 진단할 수 있지만 표 4와 비교하면 절연유 과열에 의한 가스발생과 발생가스의 종류는 유사하나 핵심가스 상대적 비율에 많은 차이가 있어 정확한 진단이 곤란했다.
- 그러나 변압기 정지 후 내부점검 결과 변압기 내부의 저압측 부싱변류기(BCT)의 단자가 그림 11과 같이 접촉불량에 의해 개방되면서 유기된 고전압에 의해 아크가 발생되고 고정용 볼트가 탄화 및 이탈되었으며 옆의 단자들도 그을음이 심했다. 그리고 Duval Triangle 법에서 진단된 결과인 700℃이상의 과열과는 다른 양상을 보여 변압기 본체 즉 권선 및 철심이 아닌 다른 부분에서 문제가 발생될 경우 기존의 진단방법인 IEC 법, Rogers 법 또는 Duval Triangle 법으로 정확하게 진단이 안될 수도 있음을 보여준다.
- Duval Triangle법은 5개의 사례 중 4개가 일치하였고 1개는 부분적으로 일치하여 진단방법 중 고장진단의 신뢰성이 가장 높은 것으로 분석되었다. 또한 핵심가스를 이용한 진단방법도 비교적 일치성이 높았다.
- 변압기 운전을 정지한 후 내부 정밀점검 결과 그림 4와 같이 고압측 탭권선 3번과 6번의 절연지가 과열로 탄화 되었으며, 3번 탭권선의 경우 내부 도체도 열에 의해 손상이 된 것으로 확인되었다. 그림 1의 온도에 따른 유중가스 발생형태를 보면 에틸렌(C2H4)의 농도가 에탄(C2H6)의 농도를 초과하였으므로 500∼700℃정도의 과열이 발생한 것으로 예상할 수 있고, 표 3의 고장현상 중 T3 영역의 현상과 같이 절연유내 탄소물질의 생성, 과열에 의한 금속의 변색/손상이 동반되었다.
- 변압기를 공장으로 반출하여 분해 점검한 결과 그림 6과 같이 철심의 Yoke 코아와 Leg 코아가 만나는 접합부에서 과열 및 변색이 발생한 것이 확인 되었으며, 유중가스 농도의 성분비를 이용한 3가지 진단결과 및 핵심가스를 이용한 진단결과와 일치하였다.
- 변압기의 고장원인을 점검하기 위해 절연유를 배유한 후 내부점검을 실시하였으나 원인을 발견하지 못하였으며, 공장에서 분해 점검한 결과 그림 9와 같이 변압기 권선 절연물 내부에 쇳가루 이물질이 유입되어 변압기 가압시 스위칭서지에 의해 아크 방전을 한 것으로 확인되었으며 그 여파로 프레스 보드 절연물에 방전트리 및 탄화 구멍이 발생하였다. 이는 IEC 법, Duval Triangle 법 및 핵심가스를 이용한 진단한 결과와 거의 일치하였으며 Rogers 법의 진단범위를 벗어났다.
- 외철형의 발전소 승압변압기로서 용량 353MVA, 변압비 20.9/345kV를 갖는 2권선 변압기의 운전 중 가스축적경보기가 동작하여 절연유의 유중가스 농도를 분석한 결과 초기에는 내부 아크발생시 발생되는 아세틸렌(C2H2)가스가 약 5ppm정도 발생하였으나 더 이상 증가하지 않고 감소하는 반면 수소(H2), 메탄(CH4) 에틸렌(C2H4) 농도는 지속적으로 증가하였다. 최종 분석결과 수소(H2) 111ppm , 일산화탄소 (CO) 100ppm, 메탄(CH4) 59ppm, 에탄(C2H6) 15ppm, 에틸렌 (C2H4) 85ppm, 아세틸렌(C2H2) 2ppm이 발생되었다.
- 외철형의 발전소 승압변압기로서 용량 353MVA, 변압비 20.9/765kV를 갖는 2권선 변압기로 초기 가압시 온라인 가스분석기 지시값 중 그림 7과 같이 아세틸렌(C2H2)가스가 급격하게 증가하여 곧바로 정지를 하였으며, 정지 후 유중가스를 분석한 결과 수소(H2) 73ppm, 일산화탄소(CO) 100ppm, 메탄(CH4) 26ppm, 에탄(C2H6)12ppm, 에틸렌(C2H4) 15ppm, 아세틸렌(C2H2) 79ppm이 발생되었다.
- 9/345kV를 갖는 2권선 변압기의 운전 중 가스축적경보기가 동작하여 절연유의 유중가스 농도를 분석한 결과 초기에는 내부 아크발생시 발생되는 아세틸렌(C2H2)가스가 약 5ppm정도 발생하였으나 더 이상 증가하지 않고 감소하는 반면 수소(H2), 메탄(CH4) 에틸렌(C2H4) 농도는 지속적으로 증가하였다. 최종 분석결과 수소(H2) 111ppm , 일산화탄소 (CO) 100ppm, 메탄(CH4) 59ppm, 에탄(C2H6) 15ppm, 에틸렌 (C2H4) 85ppm, 아세틸렌(C2H2) 2ppm이 발생되었다. 가연성 가스의 성분비를 구하면 R1=0.
후속연구
- 특히, 사례 4와 같이 변압기 권선과 철심으로 구성된 본체가 아닌 곳에서 고장이 날 경우 Rogers 법이나 IEC 법으로는 고장진단이 불가능하며, 비교적 신뢰성이 높은 것으로 분석된 Duval Triangle 법도 고장내용을 정확하게 진단을 하지 못했다. 따라서 유중가스를 이용하여 변압기 고장 진단시는 어느 한 가지 진단방법만을 사용하여 진단하기 보다는 우선 Duval Triangle 법을 이용하여 진단하고, 추가로 다른 진단방법을 적용하여 진단 한 다음 최종적인 진단결과를 도출하는 것이 필요하다.
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