변압기 고장

왜 배우는가: 변압기는 전력계통의 핵심 설비여서 고장이 정전과 대형 복구비용으로 이어진다. 고장의 종류와 현상을 알아야 보호계전 방식을 고르고, 진단 방법을 알아야 고장 전에 이상을 찾을 수 있다. 두 문항 모두 반복 출제된 기본 주제다.

출제 이력: 제118회 2교시 3번, 제94회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

변압기 고장은 권선, 철심, 부싱, 절연유, 탭절환장치 등 변압기 구성요소가 전기적·열적·기계적 원인으로 정상 기능을 잃는 현상이다.

핵심 키워드

• 권선 단락
• 권선 지락
• 절연 열화
• 과열
• 절연유 분해가스
• 부분방전
• 탭절환장치(ULTC) 고장
• 비율차동계전기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 변압기 고장은 변압기 안에서 전기가 새거나, 전류가 비정상적으로 흐르거나, 열이 빠지지 않아 절연이 무너지는 일이다. 고장은 크게 외부 원인과 내부 원인으로 나뉜다. 외부 원인은 외부 계통 사고로 큰 고장전류가 변압기를 관통하는 경우와 과전압 운전처럼 전압 조건이 맞지 않는 경우다. 내부 원인은 권선과 철심 등 설비 자체의 결함이다.

정식 정의는 다음과 같다. 변압기 고장은 설계 한도를 벗어난 전기적 스트레스나 열적·기계적 결함이 원인이 되어, 절연 파괴, 권선 손상, 과열 등 기기 기능 상실을 일으키는 상태를 말한다.

권선 단락은 같은 권선의 서로 다른 부분, 또는 서로 다른 권선 사이가 절연을 뚫고 직접 연결되는 고장이다. 단락 전류가 매우 커서 기계적 힘과 열이 함께 생긴다.

권선 지락은 권선과 철심, 또는 권선과 대지 사이 절연이 파괴되어 전류가 대지로 흐르는 고장이다. 고장 전류 크기는 고장 지점의 대지 전위와 고장 경로 임피던스, 접지방식에 따라 달라진다. 접지방식에 따라서는 고장 전류가 거의 흐르지 않을 수도 있다.

절연 열화는 열, 전기적 응력, 수분, 산소가 겹쳐 절연물의 성능이 서서히 떨어지는 현상이다. 열화가 쌓이면 부분방전이 생기고 결국 절연 파괴로 이어진다.

탭절환장치(ULTC) 고장은 부하시 탭을 바꾸는 장치의 접점 마모, 전환 불량, 절환 중 순환전류 과대 같은 원인으로 생긴다. ULTC는 전압 조정 기능을 맡기 때문에 고장 시 전압 변동과 국부 과열이 함께 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 발전소에서 만든 전력을 수용가까지 전압을 바꿔 보내는 기기다. 계통 규모가 커지고 변압기 용량이 커지면서 한 대의 고장이 넓은 정전으로 번질 수 있게 됐다. 그래서 고장 종류를 알고 현상을 미리 감지하는 체계가 필요해졌다.

과거에는 고장이 난 뒤 복구하는 사후 대응이 주였다. 지금은 절연유 분석, 부분방전 측정, 권선저항 측정 같은 진단 기법으로 고장 전에 이상을 찾는 예방 정비가 일반화됐다. 보호계전 측면에서는 용량에 따라 과전류계전기와 비율차동계전기를 나눠 쓴다. 국내 산업용·상업용 계통에서는 통상 용량이 큰 변압기부터 비율차동요소를 적용한다.

고장 종류와 진단 방법은 서로 짝을 이룬다. 고장 현상을 알아야 어떤 진단으로 잡을지 정할 수 있다. 예를 들어 과열형 고장은 절연유 분해가스로, 절연 열화는 부분방전과 절연저항으로 확인한다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기는 철심과 권선, 절연유, 부싱, 탭 절환장치, 냉각장치, 보호장치로 구성된다. 고장은 이 구성요소 중 어디서 시작되는지에 따라 권선계통, 철심계통, 절연계통, 부속장치 고장으로 나뉜다. 답안에서는 구성요소별 고장 위치를 먼저 짚고, 그 고장이 어떤 보호계전 동작으로 드러나는지 연결해서 쓴다.

권선 고장의 원리는 다음과 같다. 권선간 단락이 발생하면 단락 코일에 큰 순환전류가 흐르고 줄열이 집중된다. 이 열로 절연지가 탄화되고, 절연유가 분해되어 가스가 발생한다. 철심 지락은 철심과 권선 사이 절연파괴로 생기며, 고장 전류의 크기는 고장점의 대지 전위와 고장경로 임피던스, 접지방식에 따라 달라진다. 따라서 중성점 비접지 계통에서는 지락 전류가 작아 보호계전기가 놓치는 경우가 있다.

내부고장은 전류·가스·온도 변화로 먼저 나타나므로 고장 종류별 현상을 함께 설명한다

과부하와 과전압도 열화의 원인이다. 큰 자속밀도를 만드는 과전압 운전은 철심의 와류손과 히스테리시스손을 늘려 온도를 높인다. 이 열이 누적되면 절연지 열화가 빨라진다.

고장 발생 절차는 다음 순서로 전개된다.

• 절연 약점 또는 과열이 권선·철심·부싱에서 시작됨
• 절연유가 열분해되어 H2, CH4, C2H2 등 가스가 발생함
• 가스 축적과 온도 상승으로 절연 내력이 저하됨
• 절연파괴가 일어나 단락 전류가 흐름
• 비율차동계전기 등 보호계전기가 동작하여 차단기를 개방함

고장 진행 과정을 다음 흐름도로 정리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기 고장 관련 기준은 보호방식 기준, 절연유 분석 기준, 시험 기준으로 나뉜다. 보호방식은 용량에 따라 정해진다. 3상 전력용 변압기는 용량이 작으면 과전류계전기로 보호하고, 용량이 크면 비율차동계전요소와 여러 계전요소를 조합해 보호한다. 중간 용량은 부하의 중요성과 상대 용량을 고려해 정한다. 국내 산업용·상업용 계통에서는 통상 용량이 큰 변압기부터 비율차동요소를 적용한다.

절연유 분석의 기준은 가스 종류와 목적에 따라 다르다. 내부 이상을 조기에 발견하는 목적에는 수소와 아세틸렌 등 탄화수소 가스를 쓰고, 절연재 열화 정도를 판정하는 목적에는 CO2와 CO 가스를 쓴다. 가스 해석 기준은 IEC 60599와 IEEE C57.104 가 대표적이며, 가스량과 가스쌍의 비율로 설비 상태를 평가한다.

탭 절환장치는 조정 범위와 탭 수를 기준으로 관리한다. 전압조정 범위는 정격전압의 ±10% 정도이며, 154kV 변압기는 1.25% 간격 21탭을 쓴다. 345kV는 1.25% 간격 17탭, 765kV는 0.64% 간격 23탭이다.

부분방전 시험의 판정 기준은 전통적으로 최대방전전하량 Qmax를 쓴다. 현재는 PRPD 패턴과 PDI(PD 에너지 총합)를 함께 보고 이상 위치를 추적한다.

관련 표준은 다음과 같다. IEC 60270 은 부분방전 측정을 다루고, IEC 60599 는 용존가스 해석을 다루며, IEEE C57.104 는 가스 해석 지침이다. 국내 기준은 소방과 달리 전기설비기술기준 체계 안에서 관리된다.

개정 연혁으로는 전기설비 기준이 한국전기설비규정(KEC)으로 2021-01-01부터 전환되었다. 옛 판단기준 명칭은 구 명칭으로만 쓴다.