[논문]소음분석을 통한 건식 변압기의 고장형태에 관한 연구

박문동; 이영수; 이간운; 차재만

문제 정의

본 논문은 운전중에 나타날 수 있는 건식 변압기의 고장 상태에 따라 변압기에서 발생하는 소음과 진동 주파수를 측정하여 이를 LabVIEW 프로그램으로 분석하여 변압기의 고장 형태에 따른 소음과 이에 수반되어 측정되는 진동 주파수의 형태를 측정 분석하여 건식용 변압기에서 발생하는 소음과 관련된 내부 고장의 특징을 제시하고자 한다.

제안 방법

이번 시험에서 건식 변압기의 이상상태에 따라 변화되는 소음을 측정하여 폰(dB) 모드로 분석한 결과 변화상태가 불규칙적이고 변화되는 주파수 크기를 비교 분석하기가 어려워 각 주파수에 따라 크기가 비교적 선명하게 구분되어지는 FFT-Linear 모드로 소음 주파수를 비교 분석하였다.
이번 시험에서는 소음에 의하여 발생하는 음파와 함께 발생되는 진동을 [그림2]와 같이 소음원에서 가장 가까운 변압기의 구조물에서 동시에 측정하여 음파가 진동 주파수에 미치는 영향도 함께 비교 분석하였다.
변압기에서 발생하는 소음 및 진동을 측정 분석하기 위한 장비는 [그림3]과 같이 데이터를 수집하는 신호 센서부분과 수집된 데이터를 증폭 처리하는 하드웨어 및 측정된 데이터와 이를 분석한 결과를 스펙트럼으로 나타내 보이는 소프트웨어로 구성하였다.
이번 시험에서는 건식용 변압기에서 발생하는 소음 및 진동 데이터를 수집하여 이를 FFT 스펙트럼으로 분석하는 비교적 간단한 방법으로 프로그램을 구성하였다. Front panel에서는 변압기에서 발생되는 소음 및 진동 주파수를 동시에 보면서 이를 FFT(Linear)로 분석하여 2개의 소스와 분석결과를 동시에 비교 분석 가능하게 하였다, [그림7]은 변압기의 소음 진동 측정 프로그램의 Front panel과 Block diagram을 나타낸 것이다.
변압기에서 발생하는 소음 및 진동을 측정하기 위하여 [그림 8]과 같이 장비를 설치하고 프로그램 설정은 Input Signal Task Timing 모드에서 100 samples to read, 1000 Rate (Hz), FFT Linear 모드로 설정하고, 소음 및 진동 소자의 위치를 옮겨가며 각 위치에서의 진동 및 소음 주파수의 크기를 측정 분석하였다.
변압기 비정상상태에서 발생하는 소음 및 진동을 측정하기 위하여 2가지의 시험을 하였다. 하나는 이물질의 삽입에 의한 소음의 변화를 시험하였으며, 다른 하나는 내부 철심을 고정하는 볼트의 이완에 의한 소음의 변화를 시험하였다.
변압기 비정상상태에서 발생하는 소음 및 진동을 측정하기 위하여 2가지의 시험을 하였다. 하나는 이물질의 삽입에 의한 소음의 변화를 시험하였으며, 다른 하나는 내부 철심을 고정하는 볼트의 이완에 의한 소음의 변화를 시험하였다.

대상 데이터

소음측정 센서는 [그림5]와 같이 공기중의 미세한 압력의 변화를 측정할 수 있으며, 음파의 경우 속삭이는 정도의 소리인 30dB에서 귀에 고통을 느끼는 12OdB까지 폰 측정이 가능하며, 가청 주파수 20Hz에서 20kHz까지 광범위하게 측정이 가능한 것으로 선정하였다.

성능/효과

본 시험에서는 3상 60KVA 건식용 변압기를 시험용 변압기로 선정하고, 변압기에서 발생하는 소음을 측정하여 분석한 결과 [그림 1]과 같이 55dB에서 75dB 사이의 크기와 120Hz 주파수를 포함한 고주파의 소음이 불규칙적으로 발생함을 알 수 있었다.
정상상태의 변압기에서 발생하는 소음 및 진동 주파수를 FFT로 분석한 결과, 소음의 경우 측정 위치에 관계없이 120Hz 주파수대의 자왜진동에 소음이 대부분을 차지하였으며, 진동의 경우 변압기의 하부 외함에서 측정한 진동 주파수의 진폭이 상부보다 낮게 측정되었으며, 400Hz대의 고주파가 비교적 크게 측정되었다.
변압기의 내부에 이물질 침입에 의한 시험을 위하여 철심 상부에 CS계의 철편을 올려놓고 시험한 결과 소음의 변화는 시험장비의 그래프 상으로 감지되지 않았으나 철심이 자화되면서 발생하는 히스테리시스 손실에 의하여 철편이 단시간내에 뜨거워지는 것으로 확인되어, 변압기 내부에 CS계의 이물질이 투입될 경우 열에 의하여 절연제가 먼저 파손될 것으로 예상된다.
2번째 시험인 철심의 고정 볼트를 풀면서 시험한 결과 철심의 고정 볼트가 느슨해질수록 고조파의 소음과 신동이 증가함을 그래프 상으로 알 수 있었으며, 철심의 상부 양쪽 고정 볼트를 느슨하게 한 결과 [그림 13]과 같이 소음 및 진동 주파수에 고주파수대의 진동이 증가함을 알 수 있었다. 따라서 장기 사용에 의한 변압기의 고정 볼트가 조금씩 풀릴 경우 변압기의 소음 및 진동이 증가하는 것을 알 수 있다.
조명용 저압 건식변압기를 이용한 소음 및 잔동 시험을 통한 변압기 고장진단 시험에서 정상상태의 변압기에서 발생하는 소음의 대부분이 주파수가 120Hz대인 철심의 자왜진동에 소음임을 알 수 있었으며, 철심의 조임 볼트가 느슨해질수록 고주파대의 소음이 증가함을 알 수 있었다.

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