유입변압기의 열화현상과 열화진단

전기기기의 열화진단, 잔여 수명 추정을 시행하는 것은 사고 발생을 미연에 방지하는데 중요한 역할을 담당하고 있다. 여기에서는 유입변압기의 열화현상에 대해서, 그 메커니즘에 대해서 개략을 설명하고 주로 사용면에서 본 변압기의 잔여 수명 추정에 대해 서술하기로 한다.

 

 

유입변압기의 열화

 

- 유입변압기를 구성하는 주재료에는 도전재료로서의 동, 알루미늄, 철심으로서의 규소 강대, 구조재료로서의 강재, 절연재료로서의 절연유, 셀룰로오스를 주재료로 하는 절연지, 프래스보드 등의 절연물이 있다. 

이들 중 동, 알루미늄 등의 금속류는 장기간의 사용에도 열화가 거의 확인되지 않는다. 절연유에 대해서는 전기 협동연구 제54권 제5호 ‘유입변압기의 보수관리’에 따르면 공기, 수분 등의 침입이 없으면 절연유가 파괴 전압에 큰 저하가 없어 장기 사용이 가능한 것이 보통이라 할 수 있다.  또 유침된 절연지, 프레스 보드의 내전압도 가열 열화로 큰 저하가 없다고 되어 있다.

 

- 유입변압기가 수명에 이르는 요인은 권선에 이용되는 절연지의 열·산화 열화에 의한 기계적 강도, 특히 인장 강도의 저하에 있다. 절연유는 열화 되면 교환 가능하기 때문에 변압기 자체의 수명을 지배하는 요인이 되지는 않는다. 또한 절연지의 인장 강도가 열화에 의하여 저하되고, 권선에 외부단락 시 발생하는 전자 기계력이 가하여진 경우에는 절연지 가 파손되어 절연파괴에 이르는 원인이 될 가능성이 있다.

 

 

유입변압기를 구성하는 절연물의 주요 열화 원인을 알아보겠다.

 

- 열에 의한 열화

- 흡습에 따른 열화

- 코로나에 의한 열화

- 기계적 응력에 의한 열화

- 절연지의 열화

열에 의한 열화 : 유입변압기가 발생하는 열로 절연물이 산화 및 열분해 해서 일어나는 것으로 절연지, 프레스보드 등은 기계적 강도가 저하한다.

 

흡습에 따른 열화 : 절연지, 프레스 보드가 대기 중의 수분을 흡수해서 절연내력 및 기계적 강도가 저하하는 경우로, 열에 의한 열화를 촉진하기도 한다.

 

코로나에 의한 열화 : 절연물에 가해지는 전계의 강도가 어느 정도를 넘었을 때 발생하는 코로나에 의해 일어나는 것으로 절연물이 탄화하고 절연내력의 저하와 함께 기계적 강도도 저하해서 열화 되는 것이다.

 

기계적 응력에 의한 열화 : 단시간의 전자 기계력 또는 이상한 진동, 충격에 따라 절연지, 프레스보드 등이 기계적으로 파괴되어 절연내력이 저하하는 경우로 전술한 1~3의 원인으로 기계적 저항력이 약해져 있는 데다가 기계적 응력이 작용해 파괴되는 경우도 많이 있다. 즉, 복합적인 열화에 의해 변압기가 고장 나는 경우가 있다는 것.

 

절연지의 열화 : 셀룰로오스를 구성하는 글루코오스의 분해로 일어나며, 그 분자가 절단되어 셀룰로오스 분자의 저분자량화 즉, 평균 중합도의 저하에 기인한다. 이 평균 중합도가 절연지 인장 강도의 열화도를 표시하는 지표의 하나가 된다. 변압기에서 절연지를 채취하여 측정한 평균중합도와 변압기 운전시간과의 관계에서 30년 운전한 평균중합도가 초기치의 30%~70%로 되어있다.

절연지의 열화에 의한 인장 강도 및 평균 중합도의 저하에 따라 CO2, CO, H2 등 가스, 프루프랄, 아세톤 등 액상 생성물의 생성이 증대된다. 일반적으로 인장 강도, 평균 중합도와 밀접한 관계가 있는 열화 생성물은 CO2＋CO, 프루프랄 및 아세톤이 알려져 있다.

일반적으로 절연지의 경년열화에 의한 수명은, 그 인장 강도가 초기치의 60%로 된 때를 사용 한계로 할 때, 그때의 평균 중합도 잔율(殘率)은 40∼50%이다. 절연지의 열화에 관한 평가기준으로서 절연지의 평균 중 합도에 관하여, JEM1463－1993에서 평균 중합도는 수명 기준 450 이하, 위험기준 250 이하로 표시되어 있다.

일본전기협동연구회(전협연)에서는 열화지표 성분량에 의한 수명판정치 의 진단기준으로서 CO2＋CO량은 요주의 0.2ml/g, 위험 2.0ml/g이고, 프루프랄 량은 요주의 0.0015mg/g, 위험 0.015mg/g인 기준을 권장하 고 있다. 이와 같이 CO2＋CO 및 유중 프루프랄의 생성량을 이용하는 방법이 잔존수명 추정의 수법으로 활용된다.

잔존수명 평가의 추정은 변압기의 형식, 호흡보정(呼吸補正), 흡착보정 (吸着補正), 평가지표단위(評價指標單位), 온도분포, 부하율 등을 고려할 필요가 있으나 이들에 대하여 전협연에서는 보정의 적용방법, 열화진단 의 순서에 대하여도 표시하고 있다.

 

이러한 열화현상에 의해 절연물의 기계적 강도가 상당히 작아져있다. 과부하, 단락사고는 그대로 코일 파괴에 이를 가능성이 높아져 있기 때문에 변압기의 운전상황에 대하여 각별한 주의가 필요하다.

 

 

열화진단

- 전기적 특성을 확인하는 방법

- 절연물의 기계적 강도를 확인하는 방법

- 변압기가 발생하는 열로 절연물의 구성물질이 분해돼서 발생하는 분해가스의 종류, 양으로부터 절연물의 기계적 강도를 추정하는 방법.

 

절연물의 전기적 특성 확인 방법에는 절연저항측정, 유전 정접(tanδ) 측정 등이 있는데, 이들은 절연지의 열화 경향을 파악하는 요소가 되기는 하지만 측정값 자체로는 열화 상황을 판단할 수 없다. 이에 대해 절연물의 기계적 강도에서 열화 상황을 추정하는 방법은 일반적으로 실제 유입변압기의 열화상황을 파악하는 효과적 수단이 되므로 여기에서는 이에 대해서 상세하게 기술한다. 

 

앞서도 서술했지만 유입변압기의 열화는 절연지의 기계적 강도와 상관이 있다. 절연지의 기계적 강도는 그 평균 중합도와 깊이 관계되어 있다. 평균 중합도가 클수록 기계적 강도가 높아진다. 따라서 절연물의 중합도를 열화의 지표로 삼을 수 있다. 평균 중합도는 미열화의 절연지에서 1000 정도로 갱신이 필요해지는 ‘수명 레벨’은 JEM 1463 ‘변압기용 절연지의 평균 중합도 평가기준’에 따르면 450이다. 평균 중합도의 측정은 대상이 되는 절연지를 샘플로 삼아 측정하기 때문에 사용 중인 변압기에 대해서는 적용할 수 없다. 그래서 중합도에 상관이 있는 다른 지표를 이용해서 평균 중합도를 추정한다.

 

변압기 운전 중에 발생한 열로 미량의 각종 분해가스가 발생하고 이것이 기름에 녹아버린다. 절연지의 중합도가 저하할 때에 발생하는 분해가스에는 CO와 CO₂가 있고 이들에는 중합도와의 상관이 인정된다. 그래서 이들 분해가스 양을 변압기 열화진단의 지표로 하는 것이 가능해진다.

 

그래서 최근까지 개발된 열화진단 기술을 알아보면,