변압기 열화현상(Deterioration Phenomenon)메커니즘

전력용 변압기의 열화 및 수명에 대해 끊임없이 연구하고 있음에도 불구하고 변압기 사고 등과 같은 전력설비 사고가 빈번히 발생하여 경제적 손실은 물론 인명피해에 대한 위협을 받고 있는 실정이다.

 

전력용 변압기의 수명은 제조상 결함이 없고 운전 중 과부하에 의한 열적 열화나 외적인 스트레스가 없다면 일반적으로 30년 이상 될 것이라고 알려져 있다.

 

전력용 변압기가 받는 주요한 열화 메커니즘을 알아보자

 

- 과부하 고온 운전에 따른 열적 열화현상

- 외부 단락전류 유입에 의한 단시간의 열적 열화현상

- 진동에 의한 기계적 손상

- 부분방전 열화현상

 

이러한 열화현상은 변압기 절연물의 전기적, 기계적 성능이 점차 저하시켜 변압기 고장을 유발시킨다.

전력용 변압기는 내부의 절연을 위해 절연유, 절연지 등을 사용하고 있는데, 변압기 층간 절연물로 사용되고 있는 셀룰로오스 절연지는 좋은 유전상수 값을 가지고 있으며 취급하기 용이하기 때문에 대부분의 변압기에서 많이 사용되고있다. 또한, 변압기 절연유로는 광유가 대부분 사용되고 있지만, 최근 친환경적 절연유로서 식물유가 연구 개발되어 기존의 광유 대체용으로 제조 보급되고 있는 실정이다.

 

열화 현상

전력용 변압기는 일반적으로 절연유의 전기적 특성보다는 절연지(oil paper)의 기계적 특성 변화에 의해 영향을 받고 있다고 알려져 있다. 열적 스트레스를 받은 절연지의 경우 전기적, 기계적, 화학적인 열화를 받게 되는데, 특히, 기계적, 화학적 열화는 상관관계가 있다고 알려져 있다.

즉, 절연지의 열 열화에 의해 절연지 내부의 글루코오스 분해 생성물이 절연지 내에 남게 되고 이 글루코오스는 또 다시 분해되어 푸란계 물질이라고 불리는 화합물을 생성하는데, 이러한 푸란계 생성물이 절연지에서 빠져나와 절연유에 스며들게 되어 결국 절연지의 기계적 내력의 지표인 중합도를 약화시키게 된다.

따라서, 푸란계 생성물에 대한 연구는 절연지(oil-paper)의 열화정도를 판단할 수 있는 중요한 요인이 될 수 있다.

 

열적 스트레스를 받은 절연지 -> 전기적, 기계적, 화학적인 열화를 받음 -> Oil-paper 내부의 글루코오스 분해 생성물이 절연지 내에 남게 됨 -> 글루코오스는 다시 분해되어 푸란계 물질이라고 불리는 화합물을 생성 -> 푸란계 생성물이 절연지에서 빠져나와 절연유에 스며듬 -> 절연지의 기계적 내력의 지표인 중합도를 악화

 

일반적으로 절연지의 열화로 인해 생성되는 푸란계 물질은

2 - furoic acid

2 - furfuryl alcohol 

5 - methyl - 2 - furaldeyde

2 - aceptyl furan

2 - furaldehyde 

5 - hydroxymethy - 2 -furaldehyde 등으로 알려져 있다.

 

배전용 변압기의 열적 열화에 의한 열화 특성을 평가하는 방법

특별히 제작한 가속 열 열화 시험장치를 적용하여 140도 온도에서 500시간 동안 변압기 절연물을 열화시킨다.

가속 열 열화시험을 통해 절연지가 열화되었을 때 생성되는 푸란계 물질의 정량분석을 위해 고성능 액체 크로마토그래프(HPLC)를 사용하여 열화 경과 시간에 따른 푸란계 생성물질에 대한 분석을 수행한다.