변압기 열화진단

왜 배우는가: 변압기는 전력설비에서 고장 시 정전 범위가 넓어 운전 중 열화 상태를 미리 아는 것이 중요하다. 절연유와 절연지의 열화는 사고의 주요 원인이므로, 실무에서는 진단 결과로 교체·처리 시점을 정하고, 시험에서도 진단 목적과 방법이 1교시 용어와 4교시 논술에 반복해 나온다.

출제 이력: 제122회 1교시 3번, 제111회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 변압기 열화진단은 운전 중인 변압기의 절연유·절연지·권선의 상태를 부분방전, 유중가스, 절연유 시험 등으로 측정하여 열화 정도를 판정하고 교체·보수 시기를 정하는 진단이다.

운전 중 절연 상태를 측정해 열화 정도를 판정하고 보수 시기를 정하는 진단이다.

• 변압기 열화진단
• 부분방전(PD)
• 유중가스 분석(DGA)
• 절연유 열화
• 절연파괴 전압시험
• 산가 측정
• TBM(시간기준 정비)
• 온라인 모니터링

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기 속 기름과 종이 절연물이 나빠지고 있는지 미리 알아보는 일이다. 사고가 나기 전에 기름을 뽑아 보거나 기기 상태를 실시간으로 보는 방식이 모두 여기에 속한다.

정식 정의는 다음과 같다. 유입식 변압기의 주요 절연매체는 절연유이며, 절연유는 전기적 절연과 냉각 작용을 한다. 과열, 부분방전, 수분, 산소의 영향으로 절연유가 열화하면 절연내력과 냉각 기능이 저하한다. 열화진단은 이 상태 변화를 측정하여 판정하는 작업이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

부분방전(PD)은 절연체 내부의 보이드나 도전성 이물질 주변에서 국부적으로 일어나는 방전이다. 반복되면 절연물이 점진적으로 열화하고 결국 절연파괴로 이어진다.

유중가스 분석(DGA)은 절연유에 용해된 가스를 분석하는 방법이다. 과열과 부분방전으로 절연유가 분해되면 수소(H2), 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등이 발생하여 기름에 녹는다. 가스의 양과 조성비로 열화 정도와 종류를 추정한다.

절연유 열화는 산화, 과열, 수분 혼입 등으로 절연유의 화학 구조가 바뀌어 절연내력과 냉각 성능이 떨어지는 현상이다. 절연파괴 전압, 산가, 수분 함량 등으로 확인한다.

TBM(시간기준 정비)은 일정 기간이 지나면 점검하고 시험하는 정비 방식이다. 현재 절연유 열화진단은 주로 이 방식으로 시행된다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 발전소와 수용가 사이에 놓여 고장 시 정전 범위가 넓다. 절연 열화가 진행되어 절연파괴에 이르면 복구에 많은 시간과 비용이 든다. 따라서 사고 이전에 열화 징후를 발견하는 진단 체계가 필요해졌다.

초기에는 정해진 주기에 기름을 채취하여 절연파괴 전압, 산가, 가스 분석을 하는 방식이 주로 쓰였다. 이 방식은 정기 점검에 맞춰 기름을 채취하므로 사이에 발생한 급격한 열화를 놓칠 수 있다. 그래서 상태에 따라 정비하는 방식과 온라인 감시가 함께 쓰이게 되었다.

부분방전과 유중가스 분석은 열화가 완만하게 진행되는 시기를 미리 잡아낼 수 있어 중요하다. 열화가 완만하게 진행하는 경우가 많아 온라인 감시로 추세를 보는 것이 효과적이다. 온라인 감시는 스마트 그리드에서 설비 상태 감시의 일부로도 쓰인다.

진단 결과는 교체, 처리, 운전 제한 중 하나를 정하는 근거가 된다. 절연유를 여과·재생하는 처리와 변압기 교체를 비용과 잔여 수명으로 비교할 수 있어 진단의 실무 가치가 크다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기 열화진단은 운전 중인 변압기의 절연 상태를 비파괴 또는 비정지 방식으로 확인하여 교체·보수 시기를 정하는 절차다. 유입변압기에서 열화진단의 대상은 절연유와 고체절연물(절연지·권선 절연)이며, 열화 원인은 과열, 부분방전, 수분, 산소다. 진단은 측정 대상에 따라 유중가스 분석, 부분방전 측정, 절연유 물성 시험, 온도·유면 감시로 구성된다.

절연유는 전기적 절연과 냉각을 함께 맡기 때문에 열화가 곧 변압기 고장으로 이어진다. 과열이나 부분방전이 일어나면 절연유와 셀룰로오스 절연지가 분해되어 가스가 발생하고, 이 가스가 절연유에 녹아든다.

표의 각 항목은 한 가지 열화 징후만 보여 주므로 여러 측정을 함께 판단해야 한다. 절연유 시험은 현장 측정과 실험실 분석으로 나뉜다. 현장에서는 절연파괴전압을 측정하고, 용존가스 분석은 시료를 실험실로 보내 분석한다.

유중가스 분석(DGA)은 열화 원인별로 가스가 다르게 생성되는 원리를 이용한다. 과열에서는 에틸렌(C2H4)과 메탄(CH4)이, 부분방전에서는 수소(H2)가 주로 생성된다. 탄화수소와 일산화탄소·이산화탄소의 비율로 고체절연 관여 여부도 본다. 가스 종류와 조성비, 생성 속도를 함께 보면 열화 정도가 판단된다.

진단 절차는 다음과 같다.

• 운전 중 온도·유면·부하 기록을 확인한다.
• 정기 시료를 채취하여 용존가스와 절연유 물성을 시험한다.
• 가스 생성량과 조성비를 분석하여 결함 유형(과열, 방전)을 추정한다.
• 이상 징후가 있으면 부분방전 측정이나 정밀 시험을 추가한다.
• 시험 결과의 추세를 비교하여 교체, 처리, 계속 운전을 결정한다.

가스 생성 속도는 열화의 진행 정도를 나타낸다. 같은 가스량이라도 증가 추세가 빠르면 위험도가 높다. 그래서 1회 측정보다 주기적 추세 관리가 중요하다.

부분방전 측정은 보이드나 도전성 이물에서 발생하는 미세한 방전을 검출한다. AE 센서는 방전에 따른 초음파를, HFCT는 접지선의 누설전류를, UHF 센서는 초고주파 신호를 감지한다. UHF 방식은 노이즈에 강하고 비접촉식이라 최근 많이 쓰인다.

절연유 온도와 권선 온도는 과부하와 냉각 상태를 확인하는 기본 지표다. 온도 상승이 계속되면 절연지 열화가 빨라진다. 온도 변화와 가스 추세를 함께 보면 과열에 의한 열화인지 방전에 의한 열화인지 구분하는 데 도움이 된다.

유중가스 분석은 가스 종류와 조성비로 결함 유형을 추정하고, 가스 생성 속도로 열화 정도를 판단한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기 열화진단은 법령으로 시험 주기를 정하기보다 전기설비 유지관리 기준과 제조사 지침, 학계·시험기관의 판정 기법을 따른다. 국내에서는 전기설비 점검 체계 안에서 절연유 시험과 정기 점검을 수행한다. 다음 표는 진단에 쓰이는 기준값과 판정 기준을 정리한 것이다.

위 기준값은 설계·운전 현장에서 흔히 쓰는 판정 기준이며, 적용 시에는 해당 변압기 제조사 지침과 전기설비 유지관리 규정을 함께 확인한다. 절연파괴전압과 산가는 절연유의 상태를 직접 보여 주고, 유중가스는 내부 결함의 종류를 알려 준다.

유중가스 판정 방법으로는 키가스법, 듀발 삼각형법, IEC 60599 방법, 로저스법 등이 쓰인다. 방법마다 입력 가스 조합과 판정 경계가 달라 결과가 다를 수 있다. 시험 결과는 한 가지 방법에만 의존하지 않고 추세와 함께 종합한다.

절연지의 수명 상태는 퓨란 화합물 농도로 간접 추정한다. 퓨란 농도가 높으면 셀룰로오스 절연지의 중합도가 낮아졌음을 의미한다. 절연지 교체는 절연유 교체보다 어렵기 때문에 퓨란 추세를 장기간 관리한다.

부분방전 측정의 판정은 방전량(pC)과 발생 위치, 위상 분포 패턴으로 한다. 방전량의 절댓값보다 시간에 따른 증가 추세가 판정 근거가 된다.

6. 유형과 비교

변압기 열화진단 방법은 측정 대상에 따라 부분방전 검출, 유중가스 분석(DGA), 절연유 물성 시험, 온도·유면 감시로 나뉜다. 각 방법은 열화의 원인과 진행 단계를 보는 관점이 달라서 한 가지로 판정하지 않고 조합하여 해석한다.