변압기 유중가스 분석

왜 배우는가: 유입변압기는 내부 이상 시 절연유가 열분해되어 가스를 만들기 때문에, 운전 중 유중가스를 분석하면 고장을 조기에 발견할 수 있다. 사고 예방과 상태기반 유지보수의 핵심 수단이라 발송배전 기술사 시험에서 진단 방법과 판정 기준을 묻는 문항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제118회 4교시 3번, 제112회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

유입변압기 유중가스 분석은 운전 중 절연유에 용해된 가스의 종류·양·조성비로 변압기 내부 이상의 유무와 정도를 판정하는 진단 기법이다.

핵심 키워드

• 용존가스분석(DGA, Dissolved Gas Analysis)
• 수소(H2)·아세틸렌(C2H2): 내부 아크·부분방전의 지표 가스
• 일산화탄소(CO)·이산화탄소(CO2): 절연지 열분해의 지표 가스
• 가스 비율법(Rogers 비율법, IEC 60599 코드법)
• 가스 추이 분석: 주기적 측정으로 증가 속도를 본다
• 내부 이상 진단: 과열·아크·코로나 구분
• 부르홀즈 릴레이(Buchholz relay): 발생 가스를 포집하는 보호장치

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기 속 절연유는 사고가 나면 타서 가스를 만든다. 이 가스를 기름에서 뽑아 분석하면 변압기 속을 열어 보지 않고도 무슨 이상이 어느 정도인지 알 수 있다.

정식 정의: 유입기기 내부에 절연파괴나 국부과열이 생기면 발열원에 접한 절연유, 절연지, 프레스보드, 바니시 같은 절연재료가 열분해되어 H2, CO, CO2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 등의 가스를 발생한다. 대부분의 가스는 절연유에 용해되므로 유중 가스의 양과 조성으로 내부 이상을 추정한다.

핵심 용어 풀이

• 용존가스: 절연유 속에 녹아 있는 가스다. 채취한 시료를 진공 추출하여 성분별 농도(ppm)로 정량한다.
• 가스 비율: 두 가스 농도의 비다. 가스 양이 기기 크기에 따라 달라지므로 비율로 이상 유형을 구분한다.
• 가스 추이: 같은 가스의 시간에 따른 증가량이다. 한 번의 값보다 증가 속도가 판정에 더 중요하다.

진단으로 알 수 있는 사항은 네 가지다. 내부 이상의 유무, 이상의 양상(과열·아크·코로나), 이상 진전 속도, 운전 계속 여부와 수리 필요성이다. 정확한 판단을 위해서는 주기적으로 여러 번 추적 분석하고, 다른 시험(절연유 내전압, 산가, 푸란 분석 등)을 병행한다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 전력계통의 핵심 설비이며 고장 시 정전 범위가 넓다. 과거에는 고장 후에 원인을 찾는 사후 보수가 많았다. 그러나 절연유 열화는 사고 전에 가스로 먼저 나타나므로, 이를 감지하면 계획 정지 중 수리가 가능하다.

유중가스 분석은 운전을 멈추지 않고 소량의 절연유만 채취하면 되므로 현장 부담이 작다. 적은 이상도 초기에 검출할 수 있고 판정 신뢰도가 높아 유지보수 기법으로 널리 쓰인다. 이에 따라 시간 기반 정기 점검에서 상태 기반 보전으로 옮겨 가는 흐름과 맞물린다.

예방 목적은 두 가지로 나뉜다. 하나는 내부 이상을 조기에 발견하는 것이며, 이때는 수소와 아세틸렌 같은 탄화수소 가스를 본다. 다른 하나는 절연재의 열화 정도를 진단하여 잔존 수명을 예측하는 것이며, 이때는 CO와 CO2를 본다.

4. 구성요소·원리·절차

유중가스 분석(DGA)은 변압기 내부에서 발생한 이상이 절연유에 남기는 가스를 분석하는 방법이다. 구성요소는 채유, 가스 추출, 가스 정량, 해석의 네 단계로 나뉜다. 각 단계의 역할을 표로 정리하면 다음과 같다.

추출한 가스는 크로마토그래피로 측정하고, 측정값은 ppm 단위로 환산한다. 판정은 가스 종류별 농도와 가스 비율을 기준 표와 대조해 이루어진다.

원리는 다음과 같다. 절연지, 프레스보드, 절연유는 과열이나 방전 에너지를 받으면 열분해된다. 열분해 온도에 따라 생성되는 가스 종류가 달라진다. 저온 과열에서는 CH4와 C2H6, 고온 과열에서는 C2H4가 많다. 방전에서는 C2H2와 H2가 두드러진다. 절연지가 열분해되면 CO와 CO2가 증가한다. 따라서 가스의 종류와 비율이 이상의 성격을 알려 준다.

가스의 종류와 비율로 이상 유형(과열·방전)을 구분한다. 가스량의 시간 변화율은 이상의 진행 속도를 나타낸다.

진단 절차는 다음과 같다.

• 정상 운전 중 절연유를 채취하고 밀봉한다.
• 용존가스를 추출하여 H2, CH4, C2H6, C2H4, C2H2, CO, CO2 농도를 측정한다.
• 전 회차 측정값과 비교하여 가스 증가율을 계산한다.
• 기준값과 가스 비율로 이상 유형을 판정한다.
• 판정 결과에 따라 계속 운전, 감시 강화, 정밀점검 또는 수리를 결정한다.

가스 증가율 계산 예는 다음과 같다. 두 번의 채유 간격이 30일이고 C2H2 농도가 2ppm에서 5ppm으로 증가했다면, 증가율은 \frac{5-2}{30}=0.1 ppm/일이다. 이 값은 아세틸렌이 빠르게 늘고 있음을 뜻하므로 정밀점검 대상이다.

5. 관련 법령·기준·표준

유중가스 분석의 판정 기준은 주로 IEC 60599(유입변압기 가스 해석 지침)와 IEEE C57.104(유입변압기 가스 해석 지침)에 있다. 국내에서는 전력설비 유지보수 기준에 따라 운용한다. 「어선설비기준」 제7장 고전압전기설비 제342조는 유입변압기에 저액면, 유고온, 가스고압에 따른 경보장치와 정지장치를 설치하도록 정한다. 이 조문은 가스고압 보호를 요구하므로 유중가스 보호와 직접 관련된다.

기준 수치는 다음 표와 같다. 값은 판정 기준의 대표 예이며, 적용 시에는 해당 기준 원문을 따른다.

가스 종류별 판정 비율은 Rogers 비율법과 IEC 60599 코드법을 쓴다. 두 방법 모두 C2H2/C2H4, CH4/H2, C2H4/C2H6 같은 비율을 사용한다.

개정 연혁은 다음과 같다. IEEE C57.104는 1991년판이 널리 쓰였고, 이후 개정이 이루어졌다. IEC 60599는 IEC 599(1978)를 대체하여 운용된다. 국내 기준은 이들 국제 기준을 참조하여 정비된다.

6. 유형과 비교

유중가스 분석은 분석 방법에 따라 가스 농도 한계법, 가스 비율법, 가스 해석 판정법으로 나뉜다. 각 방법은 판정 근거와 적용 범위가 다르므로 함께 이해해야 한다.