권동진
(KEPCO Research institute, Korea Electric Power Corporation)
,
김용현
(KEPCO Research institute, Korea Electric Power Corporation)
,
주병수
(KEPCO Research institute, Korea Electric Power Corporation)
The life management technology becomes important as the failure risk of the aged power transformers increases. Asset management technology, therefore, has been developed to evaluate the remaining life and build replacement strategies of power transformers, which enables an optimal investment decisio...
The life management technology becomes important as the failure risk of the aged power transformers increases. Asset management technology, therefore, has been developed to evaluate the remaining life and build replacement strategies of power transformers, which enables an optimal investment decisions based on reliability and economic feasibility. The remaining life assessment technology uses data related to such as installation, operation, maintenance, refurbishment, and disposed history of power transformers. The optimal investment decision additionally uses data related to failure and social costs. To develop the asset management technology in power transformers, it is important to find deterioration parameters directly indicating degradation of power transformers. In this study, 110,000 DGA data during the past 35 years have been analyzed in order to find the deterioration parameters related to the degradation of power transformers. The alarm rates of combustible gases ($H_2$, $C_2H_2$, $C_2H_4$, $CH_4$, $C_2H_6$), TCG CO, and $CO_2$ were analyzed as deterioration parameters. The origin of the gas was discussed in connection with discharge, overheating and insulation aging.
The life management technology becomes important as the failure risk of the aged power transformers increases. Asset management technology, therefore, has been developed to evaluate the remaining life and build replacement strategies of power transformers, which enables an optimal investment decisions based on reliability and economic feasibility. The remaining life assessment technology uses data related to such as installation, operation, maintenance, refurbishment, and disposed history of power transformers. The optimal investment decision additionally uses data related to failure and social costs. To develop the asset management technology in power transformers, it is important to find deterioration parameters directly indicating degradation of power transformers. In this study, 110,000 DGA data during the past 35 years have been analyzed in order to find the deterioration parameters related to the degradation of power transformers. The alarm rates of combustible gases ($H_2$, $C_2H_2$, $C_2H_4$, $CH_4$, $C_2H_6$), TCG CO, and $CO_2$ were analyzed as deterioration parameters. The origin of the gas was discussed in connection with discharge, overheating and insulation aging.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 전력용 변압기 경년 열화와 관련된 DGA 가스를 도출하기 위하여, 1983년부터 누적된 110,000건의 유중가스 분석 데이터를 분석하였다. 유중가스 분석에 사용되는 가연성 가스(H2, C2H2, C2H4, CH4, C2H6), 가연성 가스 총량(TCG), CO 및 CO2에 대해 각 가스 별로 경년 열화에 따른 알람 발생률을 분석하였다.
본 연구에서는 전력용 변압기 경년열화와 관련된 DGA 가스를 도출하기 위하여, 1983년부터 누적된 110,000건의 유중가스 데이터를 분석하였다. 유중가스 분석에 사용되는 가연성 가스(H2, C2H2, C2H4, CH4, C2H6), 가연성 가스 총량(TCG), CO 및 CO2가스에 대해 각 가스 별로 경년 열화에 따른 알람 발생률을 분석하였다.
제안 방법
유중가스 분석에 사용되는 가연성 가스(H2, C2H2, C2H4, CH4, C2H6), 가연성 가스 총량(TCG), CO 및 CO2에 대해 각 가스 별로 경년 열화에 따른 알람 발생률을 분석하였다. 또한 1981년부터 2014년까지의 전력용 변압기 고장 데이터를 분석하여 수명과 고장률(Bathtub 곡선)을 토대로 전력용 변압기의 자산관리를 위해, 방전, 과열 및 절연물의 경년 열화와 상관성이 높은 가스를 도출하였다.
한전에서는 1983년부터 154 kV급 이상의 전력용 변압기를 대상으로 매년 유중가스를 분석하여 고장 방지에 큰 역할을 하고 있다. 유중가스 분석 절차는 먼저 유중가스 농도나 증가량이 기준치를 초과하는지를 판정하고, 기준치를 초과할 경우에는 분석 주기를 단축하여 추적 분석하며, 유중가스 농도가 심할 경우에는 결함의 종류를 판정하고, 변압기 내부를 정밀 점검한다.
본 연구에서는 전력용 변압기 경년열화와 관련된 DGA 가스를 도출하기 위하여, 1983년부터 누적된 110,000건의 유중가스 데이터를 분석하였다. 유중가스 분석에 사용되는 가연성 가스(H2, C2H2, C2H4, CH4, C2H6), 가연성 가스 총량(TCG), CO 및 CO2가스에 대해 각 가스 별로 경년 열화에 따른 알람 발생률을 분석하였다. 이를 토대로 전력용 변압기의 자산관리를 위해, 방전, 과열 및 절연물의 경년 열화와 상관성이 높은 가스를 도출하였다.
본 연구에서는 전력용 변압기 경년 열화와 관련된 DGA 가스를 도출하기 위하여, 1983년부터 누적된 110,000건의 유중가스 분석 데이터를 분석하였다. 유중가스 분석에 사용되는 가연성 가스(H2, C2H2, C2H4, CH4, C2H6), 가연성 가스 총량(TCG), CO 및 CO2에 대해 각 가스 별로 경년 열화에 따른 알람 발생률을 분석하였다. 또한 1981년부터 2014년까지의 전력용 변압기 고장 데이터를 분석하여 수명과 고장률(Bathtub 곡선)을 토대로 전력용 변압기의 자산관리를 위해, 방전, 과열 및 절연물의 경년 열화와 상관성이 높은 가스를 도출하였다.
유중가스 분석에 사용되는 가연성 가스(H2, C2H2, C2H4, CH4, C2H6), 가연성 가스 총량(TCG), CO 및 CO2가스에 대해 각 가스 별로 경년 열화에 따른 알람 발생률을 분석하였다. 이를 토대로 전력용 변압기의 자산관리를 위해, 방전, 과열 및 절연물의 경년 열화와 상관성이 높은 가스를 도출하였다. 경년 열화와 상관성이 높은 가스는 C2H2, C2H6 및 CO2가스로 나타났으며, C2H2가스는 방전에 의한 경년 열화, C2H6가스는 절연유나 절연지의 산화에 의한 경년 열화, CO2가스는 절연물의 경년 열화 지표로 적용이 가능한 것으로 나타났다.
대상 데이터
일반적으로 고전압 공학에서는 고장 데이터가 충분한 정규분포를 나타내지 않을 경우, 와이블 분포에 따른 특성 수명을 평균 수명으로 평가한다. 본 연구에서는 1981년부터 2014년까지 642건의 전력용 변압기 고장 데이터를 수집하였다. 이 고장 데이터를 이용한 전력용 변압기의 평균 수명(End-of-Life)은 55년으로 나타났다.
성능/효과
8은 전력용 변압기의 경년 열화에 따른 C2H6가스의 알람 발생률을 나타낸 것이다. C2H6가스는 전력용 변압기의 운전 약 20년 이후에 알람 발생률이 크게 증가하여, 경년 열화와 높은 상관성을 갖는 것으로 나타났다. 또한 Fig.
4와 같이 H2가스는 변압기의 경년 열화와 상관성이 낮아 H2가스가 반드시 방전 열화를 대표하는지는 재검토가 필요하다. Fig. 5와 같이 C2H2가스는 전력용 변압기의 고장률 곡선과 일치하고, 경년 열화와 상관성이 높아, 방전에 의한 결함을 사전에 감지하는 경년 열화의 지표로 적용이 가능한 것으로 나타났다.
9는 전력용 변압기의 경년 열화에 따른 TCG의 알람 발생률을 나타낸 것이다. TCG의 알람 발생률은 전력용 변압기의 운전 약 20년 이후에 알람 발생률이 크게 증가하는 것으로 나타났다. TCG의 알람 발생률은 가스량이 많은 C2H6가스의 영향으로 인해 C2H6가스의 알람 발생률 분포와 유사하게 나타난 것으로 분석된다.
경년 열화와 상관성이 높은 가스는 C2H2, C2H6 및 CO2가스로 나타났으며, C2H2가스는 방전에 의한 경년 열화, C2H6가스는 절연유나 절연지의 산화에 의한 경년 열화, CO2가스는 절연물의 경년 열화 지표로 적용이 가능한 것으로 나타났다.
CH4가스는 철심에 관한 순환전류, 절연불량으로 인한 저온 과열에 의해 발생하는 가스로, 절연유의 열화에 의해서도 소량 발생하는 가스로 알려져 있다. 따라서 C2H4가스는 전력용 변압기의 경년 열화에 따라 증가하는 경향이 없고, 랜덤하게 발생하여, 경년 열화의 지표로 사용 하는 것은 적절하지 않은 것으로 나타났다.
이와 같이 폐기된 전력용 변압기 7대에 대한 즉 26년까지 운전된 전력용 변압기의 절연지 상태는 열화가 많이 진행되지 않은 것을 의미한다. 따라서 전력용 변압기의 절연지는 CO2가스의 알람 발생률과 같이 운전 약 40년 이후에 열화가 급격히 진행되는 것으로 분석된다. 이와 같이 CO2가스는 전력용 변압기의 경년 열화와 상관성이 높으므로, 절연물의 열화 지표로 적용이 가능한 것으로 나타났다.
C2H6가스는 전력용 변압기의 운전 약 20년 이후에 알람 발생률이 크게 증가하여, 경년 열화와 높은 상관성을 갖는 것으로 나타났다. 또한 Fig. 5의 C2H2가스의 알람 발생률이 전력용 변압기 운전 약 30년 이후부터 급격하게 증가하는 것에 비해, C2H6가스는 알람 발생률이 20년 이후에 증가하는 경향을 보였다. C2H6가스와 같은 포화 탄화수소는 비교적 낮은 온도에서도 생성되며, 절연유의 산화 열화에 의해서도 생성되는 가스로 알려져 있다.
GOST 형태의 전력용 변압기에서 유중가스 분석의 알람이 발생한 가스는 C2H6가스로 89%를 차지하고 있다. 또한 고장 난 GOST 형태의 전력용 변압기에서 고장 원인은 장기간 사용에 따른 열화, 수분, 가스켓 열화에 의한 공기 유입 등으로 나타났다. 절연유나 절연지는 공기와 접촉하면 산소나 수분을 흡수할 수 있으며, 이는 전력용 변압기 수명을 현저하게 단축시킬 수 있는 열화촉매제로 알려져 있다.
104에서도 절연지의 수명이 전력용 변압기의 수명은 아니라고 언급하고 있다. 이상의 연구결과를 종합하면, 전력용 변압기 절연지는 운전 40년 이후에 열화가 급격히 진행 되어, 55년에 63.2%의 고장을 나타내는 특성 수명에 도달한다. 그러나 전력용 변압기는 고장이 발생할 때까지 운전할 수 없으므로, 고장률에 근거하여 32년의 교체 수명을 설정하는 것이 바람직하다.
따라서 전력용 변압기의 절연지는 CO2가스의 알람 발생률과 같이 운전 약 40년 이후에 열화가 급격히 진행되는 것으로 분석된다. 이와 같이 CO2가스는 전력용 변압기의 경년 열화와 상관성이 높으므로, 절연물의 열화 지표로 적용이 가능한 것으로 나타났다.
기술적으로 변압기 교체는 고장률 곡선을 참고할 수 있다. 전력용 변압기의 경년열화에 따른 고장률 곡선은 운전 연수 23년부터 마모기에 진입하며, 32년에서 고장률이 5%(B5)에 도달하는 것으로 나타났다. 따라서 전력용 변압기의 교체는 32년으로 설정하는 것이 바람직하다.
후속연구
또한 CO가스는 절연유의 온도(계절)와 부하에 의해 발생량이 달라지므로, 변압기의 내부 이상과 직접적인 관련성이 낮은 것으로 알려져 있다. 그러나 Fig. 10과 같이 CO가스는 전력용 변압기 경년 열화와 관계없이 운전 20년까지 농도가 높게 나타났으나, 이에 대한 원인이 아직까지 밝혀지지 않아, 향후 이에 대한 검토가 필요하다. 따라서 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유중가스 분석 기술은 무엇인가?
유중가스 분석(Dissolved Gas Analysis) 기술은 전력용 변압기의 결함을 검출하고 건전성을 평가하는데 가장 널리 이용되는 진단방법이다 [1]-[4]. 한전에서는 1983년부터 154 kV급 이상의 전력용 변압기를 대상으로 매년 유중가스를 분석하여 고장 방지에 큰 역할을 하고 있다.
유중가스 분석 절차는 어떻게 되는가?
한전에서는 1983년부터 154 kV급 이상의 전력용 변압기를 대상으로 매년 유중가스를 분석하여 고장 방지에 큰 역할을 하고 있다. 유중가스 분석 절차는 먼저 유중가스 농도나 증가량이 기준치를 초과하는지를 판정하고, 기준치를 초과할 경우에는 분석 주기를 단축하여 추적 분석하며, 유중가스 농도가 심할 경우에는 결함의 종류를 판정하고, 변압기 내부를 정밀 점검한다.
전력용 변압기의 교체를 정당화 하기 어려운 이유는 무엇인가?
따라서 변압기의 고장 위험이 증가하면 교체 하여야 한다. 그러나 전력용 변압기의 수명(End-of-Life)과 잔여 수명(Remaining Life)을 설정하기는 상당히 어렵다. 따라서 비용이 많이 소요되는 전력용 변압기의 교체를 정당화하기가 어려운 실정이다.
IEC 60599, "Mineral Oil-Filled Electrical Equipment in Service- Guidance on the Interpretation of Dissolved and Free Gases Analysis", 2015.
IEEE Std C57.104, "IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers", 2008.
電氣協同硏究, 油入變壓器の保守管理, 第54卷, 第5？, 1999.
Michel Duval, "A Review of Faults Detectable by Gas-in-Oil Analysis in Transformers", IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol.18, No.3, pp.8-17, 2002.
Goto, K. et al, "Measurement of winding temperature of Power Transformers and Diagnosis of Aging Deterioration by Detection of CO and CO2," CIGRE 1990, Report 12-102.
Sans, J. R., Bilgin, K. M., and Kelly, J. J. "Large Scale Survey of Furanic Compounds in Operating Transformers and Implications for Estimating Service Life", IEEE International Symposium on Electrical Insulation, pp.543-53, 1998.
IEEE C57.140, "Guide for the Evaluation and Reconditioning of Liquid Immersed Power Transformers", 2006.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.