[논문]발전기 보호계전기용 계기용변성기(PT) 손상 사례에 관한 연구

박진엽; 진수환; 박인규

발전기 보호계전기용 계기용변성기(PT) 손상 사례에 관한 연구
Study on the Failure Case of Potential Transformer for Generator Protection Relay 원문보기

박진엽 (한국수력원자력(주) 원자력발전기술원) , 진수환 (한국수력원자력(주) 원자력발전기술원) , 박인규 (한국수력원자력(주) 원자력발전기술원)

기계적에너지를 전기적에너지로 변환하는 발전기를 내 외부 고장으로부터 보호하기 위해 보호계전기가 설치되어 있으며, 이러한 보호계전기의 동작신호 중 하나인 전압신호를 검출하기 위해 발전기와 변압기를 연결하는 모선에 설치된 계기용변성기를 이용한다. 본 논문은 발전기의 보호계전기용 계기용변성기 손상원인에 관한 연구로서, 계기용변성기의 철공진에 이한 손상가능성을 고찰하였고 발전소에 많이 사용되는 G사의 계기용변성기와 손상된 I사의 계기용변성기에 대한 전기적 시험결과를 비교하였으며, 계기용변성기를 직접 절개하여 제작 및 적용특성을 분석하였다. 그 결과 발전기 전압신호 검출용 계기용변성기는 발전기 중성점 접지형태에 관계없이 반드시 Line to Line type을 적용해야 함을 도출했다.

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문제 정의

본 논문에서는 계기용변성기 손상원인을 분석하기 위해 철공진에 의한 손상가능성을 분석하였고, 국내발전소에 많이 적용된 G사의 계기용변성기와 손상된 I사의 계기용변성기에 대하여 전기적 시험결과를 비교하였다. 또한, 계기용변성기를 직접 절개하여 고장원인 및 적용상의 문제점을 분석하여 발전소의 발전기 보호용 계기용변성기 적용에 있어 고려해야 할 점을 도출하였다.
본 논문에서는 발전기의 보호계전기 전압신호 제공을 위해 사용된 계기용변성기의 손상원인을 분석하였다. 이를 위해 철공진에 의한 손상가능성과 전기적 시험결과를 검토하였으며, 계기용변성기를 절개하여 권선제작형태에 따른 임펄스 영향을 비교분석하였다.

제안 방법

G사의 계기용변성기는 과 같이 권선은 고ㆍ저압 모두 I사와 동일하게 에나멜 동선을 사용하였으며, 고압권선의 선로측 첫 번째 턴은 임펄스 서지내량을 갖도록 편조선 형태로 제작하여 단면적을 증대시켰다.
계기용변성기의 건전성을 확인하기 위하여 손상이 예상되는 I사와 발전소에서 많이 사용되는 미국 G사의 계기용변성기에 대하여 시험기준[4,5]을 적용하여 1차측 절연역률시험, 유도전압시험, 내압시험, 부분방전시험, 충격전압시험을 수행하였으며 시험결과는 과 같다.
I사 계기용변성기 권선의 세부구조는 <그림 5>와 같이 고ㆍ저압 모두 에나멜 동선을 사용하였으며 고압권선의 선로측은 임펄스 내량을 갖도록 굵은 선을 사용하여 턴간과 층간 간격을 크게 하고, 특수절연물을 추가하여 절연강도를 높였지만, 중성점측은 임펄스에 취약하도록 제작되어 있었다. 고압과 저압권선사이의 절연은 고압 중성점측이 접지되어 사용되는 것을 고려하여 절연 강도를 낮춘 일종의 단절연 형태를 취하였으며 기계적인 강도를 높이기 위하여 보강재를 삽입하였다.
또한 두 번째 턴과의 간격을 크게 하여 절연강도를 높였다. 고압권선은 격자 형태로 4개 부분으로 나뉘어져 있으며 각 소선사이를 균등하게 배치하여 소선간의 전압분포를 고르게 하고, 여기에 에폭시 절연재가 스며들도록 주조 형태로 제작하였다. 이러한 격자권선은 임펄스 서지에 대하여 우수한 내량을 가진다.
이러한 격자권선은 임펄스 서지에 대하여 우수한 내량을 가진다. 또한 고압권선 주변을 차폐하여 누설자속의 영향을 차단하도록 하였다.
G사의 계기용변성기는 <그림 6>과 같이 권선은 고ㆍ저압 모두 I사와 동일하게 에나멜 동선을 사용하였으며, 고압권선의 선로측 첫 번째 턴은 임펄스 서지내량을 갖도록 편조선 형태로 제작하여 단면적을 증대시켰다. 또한 두 번째 턴과의 간격을 크게 하여 절연강도를 높였다. 고압권선은 격자 형태로 4개 부분으로 나뉘어져 있으며 각 소선사이를 균등하게 배치하여 소선간의 전압분포를 고르게 하고, 여기에 에폭시 절연재가 스며들도록 주조 형태로 제작하였다.
본 논문에서는 계기용변성기 손상원인을 분석하기 위해 철공진에 의한 손상가능성을 분석하였고, 국내발전소에 많이 적용된 G사의 계기용변성기와 손상된 I사의 계기용변성기에 대하여 전기적 시험결과를 비교하였다. 또한, 계기용변성기를 직접 절개하여 고장원인 및 적용상의 문제점을 분석하여 발전소의 발전기 보호용 계기용변성기 적용에 있어 고려해야 할 점을 도출하였다.
본 논문에서는 발전기의 보호계전기 전압신호 제공을 위해 사용된 계기용변성기의 손상원인을 분석하였다. 이를 위해 철공진에 의한 손상가능성과 전기적 시험결과를 검토하였으며, 계기용변성기를 절개하여 권선제작형태에 따른 임펄스 영향을 비교분석하였다.
정확한 계기용변성기의 고장원인 확인을 위해 양사의 계기용변성기를 절개하여 내부 철심 및 권선의 배열상태, 절연상태 등을 확인하였다.
철공진에 의한 계기용변성기 손상가능성을 검토하기 위하여 ATP-EMTP 프로그램을 사용하여 5가지 사례로서 C-1 : 초기 역가압 운전, C-2 : 정상운전 중 발전기차단기 개방, C-3 : 정상운전 중 소내 부하운전, C-4 : 역가압 운전 중 345kV 차단기 개방, C-5: 정상운전 중 발전기차단기 및 345kV 차단기 동시개방 조건에서 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 <그림 3>과 같이 C-1,5에서는 345kV 차단기 투입직후 약 0.

성능/효과

I사 계기용변성기를 절개한 결과 와 같이 고압측 권선 중성점측 끝에서 3∼10번째 층(총 층수 : 40)에서 내부고장(단락)이 발생하였으며, 내부 단락에 의해 열이 발생하고 층간절연지와 에폭시 수지가 녹아 내려 최종적으로 외함 균열과 함께 고압권선 일부가 바깥쪽으로 밀려나간 형태로 고장이 진행되었음을 확인하였다.
그 결과 과 같이 C-1,5에서는 345kV 차단기 투입직후 약 0.25Cycle 범위에서 계기용변성기 2차측에 최고 1.6배(1차측 기준 약 27.3kV)의 개폐써지에 의한 과전압이 나타났지만 이 전압은 계기용변성기 기준충격절연강도(BIL)인 150kV 이내이므로 계기용변성기 설계조건을 만족하며 철공진현상으로 추정되는 이상과전압이나 LC진동현상은 나타나지 않았다.
또한 C-2,3,4에서는 차단기 동작시 개폐써지 고조파 전압이 발생하지만 이러한 현상은 정상적으로 발생할 수 있는 과도전압이며, 마찬가지로 철공진현상이나 LC진동현상은 나타나지 않았다. 따라서 철공진에 의한 손상가능성은 없는 것으로 나타났으며 실제 철공진 발생시 소음과 전압변동을 동반하여야 하나 고장 당시의 고장기록 파형에 전압 과도현상이 없었으므로 철공진에 의한 손상은 아닌 것으로 확인되었다[3].
<표 1> 계기용변성기 전기적 시험결과

시험에서 I사 PT의 경우 절연역률시험을 위해 인가전압을 증가시켰을 때 절연역률값이 큰 폭으로 증가하면서 변동이 심하였고 다른 특성들은 양사의 계기용변성기 모두 양호한 특성을 보였다.

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