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문제 정의
- 본 논문에서는 수냉각 발전기 고정자 권선에서 누수로 인해 절연물이 흡습됨에 따라 최종적으로 절연 파괴가 발생하고 있기 때문에 흡습된 절연물과 건전한 절연물에 대해 위치별로 유전정접, 정전용량 및 교류 누설전류 등 전기적 특성을 측정하여 비교 및 분석하였다.
제안 방법
- 그림 9(a), (b)∼그림 11(a), (b)에 나타낸 바와 같이 B 발전기 고정자 권선의 주 절연물인 마이카, 에폭시 수지의 구성, 조직 및 접착상태 등 미세구조를 확인하기 위해 각 영역별로 나누어 미세구조를 분석하였다. 그림 9(a), (b)에 나타낸 바와 같이 영역 1은 권선의 수실측으로는 이상이 없으며, 접지고장 측으로는 주 절연물인 마이카 층이 분리 (de-bonding)되어 약간의 균열 진행을 확인할 수 있었다 [3,6].
- 표 1은 수냉각 발전기 고정자 권선의 절연물 흡습으로 인해 절연파괴가 발생된 2대의 발전기 정격을 나타내었다. A 발전기 고정자 권선의 전기적 특성을 측정하고 분석하기 위해 그림 3과 같이 권선 절연물이 흡습된 여자기측 끝단 권선 부위와 절연물이 흡습되지 않은 터빈측 끝단 권선 부위의 절연물에 대해 표면을 은박지를 사용하여 일정 간격으로 감았다. B 발전기 고정자 권선도 운전 중 흡습에 의해 절연파괴된 권선이며, 그림 4와 같이 구간별로 나누어 절연물 표면을 은박지를 사용하여 일정 간격으로 감고 전기적 특성을 측정하였다.
- A 발전기 고정자 권선의 전기적 특성을 측정하고 분석하기 위해 그림 3과 같이 권선 절연물이 흡습된 여자기측 끝단 권선 부위와 절연물이 흡습되지 않은 터빈측 끝단 권선 부위의 절연물에 대해 표면을 은박지를 사용하여 일정 간격으로 감았다. B 발전기 고정자 권선도 운전 중 흡습에 의해 절연파괴된 권선이며, 그림 4와 같이 구간별로 나누어 절연물 표면을 은박지를 사용하여 일정 간격으로 감고 전기적 특성을 측정하였다.
- 그림 8은 측정 위치별로 교류 누설전류의 크기를 비교하였으며, 교류 누설전류의 경우 정전용량값에 비례하기 때문에 그림 7의 정전용량 측정 그래프와 패턴이 거의 일치함을 확인할 수 있었다. 교류 누설 전류 변화 정도도 초기 3개소 측정위치 (E8, E9, E10)와 끝단 3개소 측정위치 (E1, E2, E3)에서의 평균값으로 비교하였다. 초기 3개소 측정위치에서의 평균값은 0.
- 교류 인가전압을 1 kV에서 최고 11.3 kV까지 증가하면서 영역 1∼영역 6에서 교류 누설전류의 변화를 측정하였다.
- 교류 인가전압을 1 kV에서 최고 11.3 kV까지 증가하면서 영역 1∼영역 6에서 유전정접의 변화를 측정하였다.
- 교류 인가전압을 1 kV에서 최고 11.3 kV까지 증가하면서 영역 1∼영역 6에서 정전용량의 변화를 측정하였다.
- 그림 5에 나타낸 바와 같이 A 발전기 고정자 권선의 경우 절연물의 전기적 특성은 권선 각 끝단을 동일하게 10등분하여 측정하였다. 각 측정지점의 경우 절연물이 흡습된 여자기측 끝단 권선은 E1, E2∼E10으로 구분하였고 터빈측 끝단 권선 측정지점도 T1, T2∼T10으로 구분하여 표시하였다.
- 쉐링브리지는 교류 고전압 전원장치 (HV Supply, Tettex Instruments Type 5283)와 브리지 (Bridge, Type 2818)로 구성되어 있다. 또한, 발전기 고정자 권선의 주절연물인 마이카 (mica), 에폭시 수지 (epoxy resin)의 구성, 조직 및 접착상태 등 미세구조를 확인하기 위해 권선의 각 영역 (zone)별로 나누어 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM, 일본 JEOL, JSM-6400)을 사용하여 분석하였다.
- 절연물 흡습으로 절연파괴 사고가 발생된 2대의 수냉각 발전기 고정자 권선의 건전한 절연물과 흡습된 절연물에 대한 전기적 특성 시험결과를 분석하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
이론/모형
- 고전압을 인가하여 엔드 코일 (end coil) 각 구간별로 유전정접, 정전용량, 교류 누설전류 등 3가지의 전기적 특성을 측정하기 위해 쉐링브리지 (Schering Bridge, Tettex Instruments)를 사용하였다. 쉐링브리지는 교류 고전압 전원장치 (HV Supply, Tettex Instruments Type 5283)와 브리지 (Bridge, Type 2818)로 구성되어 있다.
성능/효과
- (1) 수냉각 발전기 고정자 권선 주절연물의 유전정접, 정전용량 및 교류 누설전류를 측정한 결과 건전한 절연물에 비해 흡습된 절연물의 경우 A 발전기고정자 권선은 3.5∼3.6배, B 발전기 고정자 권선은 1.6∼2.6배 정도 높게 나타났으며, 냉각수가 누설되어 절연물 흡습이 진행되는 방향으로 갈수록 측정값의 차이가 커지는 것으로 분석되었다.
- (2) 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습여부를 확인하기 위한 정전용량 측정 시험 (capacitancemap test)을 실시할 경우 직선부 끝단에서 엔드 코일 쪽으로 약 20 ㎝ 부근이 흡습여부 및 건전한 절연물과의 측정값 차이 변화를 가장 잘 알 수 있는 위치로 확인되었다.
- (3) 흡습된 권선 절연물의 누설위치와 흡습이 진행하는 위치 사이의 유전정접, 정전용량 및 교류 누설 전류 측정값의 변화율은 모두 동일함을 알 수 있었으며, 측정값의 변화율은 절연물의 흡습여부를 판정할 수 있는 유용한 방법으로써 활용이 가능한 것으로 분석되었다.
- (4) 13년 정도 사용된 수냉각 발전기 고정자 권선의 미세구조를 분석한 결과 권선의 양쪽 끝단부위의 엔드 코일 절연물에서 균열 발생이 진행되었다. 특히 발전기 고정자 권선에서 냉각수가 누설될 경우 절연물 균열부위를 따라 흡습이 빠르게 진행되면서 최종적으로 절연파괴가 발생될 수 있다.
- 23%로 약 190% 정도의 증가치를 보이고 있다. 건전 부위 절연물의 경우 6.22%에서 9.65%로 약 55%만 증가되어 실제로 절연물이 흡습되었을 경우의 유전정접 증가율이 건전한 절연물에 비해 약 3.5배 정도 높음을 확인할 수 있었다.
- 7%만 증가되었다. 실제로 절연물이 흡습되었을 경우의 교류 누설전류 증가율도 건전한 절연물에 비해 약 3.6배 정도 높음을 알 수 있었으며, 유전정접과 정전용량 크기의 증가율과 거의 일치함을 확인할 수 있었다.
- 하지만 흡습된 권선과 건전한 권선 모두 수실 부위(E10 및 T10 부위)에서는 흡습여부에 상관없이 유전 정접값이 유사함을 확인할 수 있었다. 유전정접값으로 절연물의 흡습여부를 판단하고자 할 경우에는 절연물의 흡습여부에 따라 유전정접값의 변화가 심하게 나타나는 고정자 슬롯 끝단에서 20 ㎝ 이내 부근을 측정해야 함을 확인할 수 있었다.
- 3 kV까지 증가하면서 영역 1∼영역 6에서 정전용량의 변화를 측정하였다. 절연물이 흡습된 위치인 영역 1과 영역 2의 평균값은 1.755 nF이며, 비흡습 위치인 영역 5와 영역 6의 평균값인 1.105 nF과 비교해 보면 정전용량값이 약 1.6배 정도 높게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 3 kV까지 증가하면서 영역 1∼영역 6에서 교류 누설전류의 변화를 측정하였다. 절연물이 흡습된 위치인 영역 1과 영역 2의 평균값은 7.47 mA 이며, 건전한 위치인 영역 5와 영역 6 평균값인 4.702 mA와 비교해 보면 누설 전류값도 역시 약 1.6배 높음을 확인할 수 있었다.
- 교류 누설 전류 변화 정도도 초기 3개소 측정위치 (E8, E9, E10)와 끝단 3개소 측정위치 (E1, E2, E3)에서의 평균값으로 비교하였다. 초기 3개소 측정위치에서의 평균값은 0.569 A를 나타내고 끝단 3개소 측정위치에서의 평균값은 0.688 A로 약 20.9% 정도의 증가치를 보였으며, 건전한 부위 절연물의 경우 0.559 A에서 0.593 A로 약 5.7%만 증가되었다. 실제로 절연물이 흡습되었을 경우의 교류 누설전류 증가율도 건전한 절연물에 비해 약 3.
- 49%를 나타내었다. 흡습과 비흡습의 유전 정접값을 비교해 보면 흡습된 경우에 약 2.6배 높음을 확인할 수 있었다.
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