[논문]변압기 절연유 노후진단 센서기술

이기근

문제 정의

DGA을 위한 또 다른 방식으로는 GE사에서 제공하는 photo acoustic(PA)을 이용한 가스분석법이 있다. GE사가 on line 및 portable DGA를 목적으로 2012년에 출시한 기술이다. 9개의 용존가스 및 습도분석이 가능하다.
본 장에서는 변압기 오일내에 용존하고 있는 가스들을 추출하여 가스유형 및 가스농도를 측정하는 실질적 가스 분석법을 기술한다. 주요한 방식으로는 가스 크로마토그래피 (gas chromatography, GC) 및 photo-acoustic (PA) 방식, 그리고 절연오일내 직접 삽입형 가스센서, 습도센서 등으로 분류된다.

가설 설정

그러나 여전히 많은 문제점들이 존재한다. Pd:Ni 표면에 붙는 타가스들은 수소의 침습을 방해한다. 이로인해 반응시간의 늦어짐이 발생하고 있다.

제안 방법

이러한 과정 중에 가스분자는 주기적으로 확장 수축을 반복하고 압력파(음파)를 발산한다. IR 광원을 주파수에 따라 sweep 하게 되며 각 주파수별 압력파(음파) 강도를 마이크로폰을 이용하여 측정한다. 주파수별 음파의 강도는 가스별 차이가 있으므로 이미 형성되어진 라이브러리를 이용하여 가스를 분류하고 가스의 농도를 유출할 수 있다.
다양한 변압기 진단 방식 중 DGA를 이용한 진단방법을 소개하였다. DGA를 위해선 절연유내 가스유형 및 농도측정이 필요하다.
DGA를 이용한 변압기 fault 진단: 다음은 용존가스분석법(DGA)을 통해 변압기 진단을 기술한다. 먼저 절연오일내 용존하는 가스종류 및 농도를 측정한다. 표 1은 정상적, 비정상적 조건하에서의 절연오일내 가스농도 허용범위를 보이고 있다.
H2SCAN사가 미국의 샌디아 랩의 특허를 사들인 후 직접 삽입형 가스센서 제품을 출시했다. 서로 다른 두 방식의 센서를 혼용하는 시스템으로써 오일내 수소농도를 측정한다. 100ppm 이상의 수소농도는 Pd:Ni 기반의 저항형 수소센서를 사용하고 있으며, 100ppm 이하의 저농도 수소 측정의 경우 용량형 수소센서를 사용한다[2,3].
수소농도 침습의 증가는 저항의 증가로 이어진다. 수소농도에따른 전류의 변화, 저항의 변화를 측정하고 calibration하여 수소센서의 기능을 수행한다. 팔라듐은 FCC(face centered cubic) 구조를 지닌다.
구조로는 실리콘 기판위에 SiO₂가 성장되며 그 위에 Pd:Ni 얼로이가 금속전극 및 수소감지물질로 패턴된다. 수소의 침습에 의해 변화하는 C-V시프트를 측정함으로써 수소농도를 계산한다. 수소의 침투는 Pd:Ni 얼로이와 SiO2 경계면까지 침투가 발생하며 이곳에서 다이폴 쌍을 형성하여 SiO₂ 층으로의 확산을 억제한다(그림 9).
저항형 온도센서는 선형성이 우수한 Pt로 제작되며 온도의 증가는 저항의 증가로 나타난다. 온도에따른 저항변화를 이용하여 센서표면의 온도를 측정한다. 그림 4은 본 연구실에서 개발한 마이크로히터 및 온도센서가 집적된 수소센서 및 오일내 수소농도에따른 wheatstone bridge에서의 출력전압을 보인다.
Wheatstone bridge에서 전류의 흐름은 저항체에 줄 히팅이 발생하며 이때 가스에 노출된 두 저항체가 다른 냉각율을 제공하므로 두 저항체는 서로 다른 저항값을 제공한다. 이로 인해 wheatstone bridge의 출력단에 전압차가 발생하며 이를측정하여 가스타입 및 가스농도를 비교 측정한다. 또 다른 널리 사용되고 있는 디텍터 방식으로는 flame을 이용하여 타켓가스로부터 이온을 추출하여 전류를 읽거나 혹은 flame에의해 여기(excited)된 전자로부터 방사하는 빛의 파장을 분석하여 타켓가스를 감지하는 방식이 있다.
삼각형내 구획들에는 가능성 있는 fault 원인에 대한 정보가 제공된다. 이를 기반하여 변압기내 문제를 진단하고 상세 조사하여 궁극적으로 문제 해결로 이어지도록 한다. 절연지의 노화 및 분해는 CO, CO₂ 생성의 원인이다.
절연오일내 DGA의 주요과정으로는 절연오일 추출, 용존 가스추출, 가스 크로마토그래피를 이용한 가스유형 및 농도 측정, 그리고 분석으로 진행된다. 시린지를 이용하여 변압기 밑부분의 드레인 밸브로부터 적당량의 절연오일을 추출한다.
비가 5 이하라면 절연지 노화 및 열분해의 심각성을 인식해야한다. 절연지의 노화 및 열분해는 CO₂, CO 가스 생성 이외에도 H₂, CH₄, C₂H₆ 가스 또한 증가시키므로 타 가스의 농도의 변화도 동시에 관찰한다. CO₂/CO 비가 5 이하일 경우 furan 농도 측정도 병행한다.
그러나 센서 구성성분의 분해, 타가스의 부착 등에 의해 시그널 baseline drift가 발생한다. 정기적으로 센서의 리셋을 위해 마이크로 히터를 집적하여 필요시 온도를 인가함으로써 모든 표면가스 및 유전체 안쪽에 있는 간섭원들을 제거하도록 한다. 즉 여러 가지의 유기물이 표면에 부착하기 때문에 마이크로히터로 가열 클리닝을 하면 센서의 오염을 방지하여 청결하게 하고, 또한 정밀도를 높일 수 있다.

대상 데이터

변압기내 절연오일을 별도로 추출하지 아니하고 센서를 직접 변압기내 오일속에 삽입하여 용존가스를 분석하는 시스템이다. H2SCAN사가 미국의 샌디아 랩의 특허를 사들인 후 직접 삽입형 가스센서 제품을 출시했다. 서로 다른 두 방식의 센서를 혼용하는 시스템으로써 오일내 수소농도를 측정한다.

이론/모형

가스가 긴 튜브관을 통과할 때 가스들은 stationary phase와의 포화상태(absorption rate=desorption rate)가 되며 따라서 가스들은 Gaussian 분포 프로파일을 지닌다 (그림 2). Gaussian 프로파일 형태로 얻어진 가스농도를 삼각형 면적 구하는 기법을 이용하여 각각의 가스농도를 계산한다. 일반적으로 튜브관은 코일형태로 감겨져 있으며 물질로는 스테인리스 스틸, 유리, 혹은 테플론으로 구성된다.
여러 추출방법 중 오일을 125도 정도 가열한 상태에서 용존 가스들의 확산(diffusion)에 의한 진공튜브로의 가스추출이 주로 사용된다. 추출된 가스의 종류, 농도 측정은 가스 크로마토그래피를 이용한다. Gas chromatography의 주 구성유닛으로는 캐리어가스 주입부, 추출가스 주입부, 코일형 긴 튜브관, 감지부로 구성된다 (그림 1).

성능/효과

커패시터 방식이므로 긴 메탈라인을 통과하면서 R, L C의 생성을 최소화하는 구조를 지녀야한다. 동일센서를 가지고 공기중 챔버내에서 측정한 센서 결과와 비교하여 오일속에서 습도에따른 커패시터의 변화율이 작아짐을 알 수 있다. 커패시터의 감소원인으로는 절연오일 그 자체도 유전상수를 지니고 있으며 이로인해 절연유로의 전하 손실로 해석된다.
커패시터의 감소원인으로는 절연오일 그 자체도 유전상수를 지니고 있으며 이로인해 절연유로의 전하 손실로 해석된다. 절연유 삽입이후 오랜기간 안정한 센서특성을 확인하였다. 주의사항으로는 센서가 오랜기간 절연유에 삽입됨에도 센서특성의 변형이 없어야한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절연지의 주요 구성 물질은 무엇인가?	변압기의 자기코어 및 코일 주변에는 얇은 절연지가 도포되어 있으며 이들은 절연 오일에 담겨진다. 절연지의 주 구성물질은 셀룰로스이며 표면에서 긴 분자구조를 형성하고 있다. 절연 오일의 목적은 절연 수행 이외에도 코로나 및 arcing 방지, 냉각의 역할을 담당한다.
	용존가스분석법이란 무엇인가?	각각의 장단점은 있지만 이중에서도 용존가스분석법(DGA)이 가장 효과적 변압기 진단방법으로 알려져 있다. DGA는 절연 오일내 용존하고 있는 가스를 감지하고 분석하여 변압기의 fault를 진단하는 기술이다. 변압기의 정상적 동작 하에서도 일정량의 가스는 절연 오일내에 용존하고 있다.
	절연 오일의 역할은 무엇인가?	절연지의 주 구성물질은 셀룰로스이며 표면에서 긴 분자구조를 형성하고 있다. 절연 오일의 목적은 절연 수행 이외에도 코로나 및 arcing 방지, 냉각의 역할을 담당한다. 절연 오일은 높은 유전율, 우수한 전도성, 그리고 열적 화학적 안정성을 지녀야한다.

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