변압기 예방진단 기술

왜 배우는가: 변압기는 전력계통의 핵심 설비이고 고장 한 대가 넓은 정전과 복구 비용으로 이어지므로, 내부 열화를 사고 전에 찾아내는 예방진단 기술은 실무의 기본 과제다. 유입변압기 절연유·절연지 열화 진단과 부분방전·유중가스 분석, 온라인 모니터링은 전기응용기술사 시험에서 2개 회차에 걸쳐 반복 출제된 주제이므로 원리와 판정 기준을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제109회 3교시 2번, 제103회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유입변압기 예방진단은 절연유와 절연지의 열화 생성물, 부분방전, 온도 변화를 운전 중에 측정해 내부 이상을 사고 전에 찾아내는 기술이다.

• 예방진단
• 유중가스 분석(DGA)
• 부분방전(PD)
• 퓨란 분석
• 중합도(DP)
• 온라인 모니터링
• 열점 온도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기 안의 절연재가 과열이나 방전으로 나빠지면 기름과 종이에서 가스와 화합물이 나온다. 이 흔적을 기름 시료나 센서로 읽어 내부 상태를 짐작하는 것이 예방진단이다. 변압기를 분해하지 않고도 내부 결함을 알 수 있다는 점이 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 예방진단은 설비를 정지하거나 분해하지 않고 절연유, 절연지, 전기적 신호, 온도 등의 상태량을 측정하여 열화 정도와 고장 징후를 판정하고, 이를 바탕으로 교체·보수 시기를 정하는 보전 활동이다.

유중가스 분석(DGA)은 절연유에 녹아 있는 가스의 종류와 양을 분석하는 방법이다. 과열이나 부분방전으로 절연유가 분해되면 수소(H2), 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등이 생성된다. 가스의 양과 조성비로 고장 유형을 추정한다.

부분방전(PD)은 절연체 내부의 보이드나 이물질, 전계 집중 부위에서 국부적으로 일어나는 방전이다. 완전한 절연 파괴 전까지 반복되어 절연을 서서히 깎는다. 따라서 PD를 조기에 검출하면 절연 파괴를 미리 막을 수 있다.

퓨란 분석은 절연지인 셀룰로오스가 열화할 때 기름으로 빠져나오는 퓨란 화합물을 측정하는 방법이다. 측정값으로 절연지의 중합도(DP)를 추정한다. 중합도는 셀룰로오스 사슬의 길이를 나타내는 지표로, 값이 낮을수록 절연지의 기계적 강도가 낮아졌다고 본다.

온라인 모니터링은 변압기를 운전하면서 센서와 데이터 수집 장치로 상태를 연속 측정하는 방식이다. 주기적 시료 채취 방식에 비해 이상을 빨리 알아챌 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

유입변압기의 주된 절연매체는 절연유와 절연지다. 절연유는 절연과 냉각을 함께 맡는다. 따라서 절연유의 열화는 절연 성능과 냉각 기능을 동시에 떨어뜨리며, 변압기 사고의 주요 원인이 된다. 과열, 부분방전, 수분, 산소가 열화를 촉진한다.

과거에는 TBM(시간기준 정비) 방식이 주로 쓰였다. 일정 기간이 지나면 기름을 채취해 절연파괴 전압, 산가, 가스 분석을 하고, 그 결과로 교체나 처리를 결정하는 방식이다. 이 방식은 기간만 기준으로 하므로 실제 상태와 어긋날 수 있고, 급격한 열화를 놓치기 쉽다. 이 한계 때문에 상태기반 진단으로 옮겨 가고 있다.

절연유 열화는 대체로 느리게 진행되는 경우가 많고, 일부는 급속하게 진행되는 것으로 알려져 있다. 느린 열화는 검출이 어렵고 급속한 열화는 짧은 시간에 사고로 이어지므로, 두 경우를 모두 잡아낼 수 있는 연속 모니터링이 요구된다.

또한 스마트그리드 확산으로 변압기의 부하와 운전 조건이 자주 바뀌고, 설비 수명 연장과 정비 비용 절감이 함께 요구된다. 이 때문에 데이터 기반 예방진단의 필요성이 커졌다.

4. 구성요소·원리·절차

유입변압기의 열화진단은 절연유와 종이 절연물이 과열·부분방전·수분·산소의 영향을 받아 분해되는 현상을 측정해 내부 상태를 추정하는 것이다. 진단 대상은 절연유, 절연지(종이 절연물), 권선이며, 각 대상에 맞는 측정 기법을 조합해 쓴다.

절연유 열화는 과열이나 부분방전이 일어나면 분해 가스가 유중에 녹아 발생한다. 이 가스의 종류와 비율로 고장 종류를 추정한다. 절연지는 셀룰로오스 사슬이 끊어지면서 중합도가 떨어지고, 그 과정에서 푸란 화합물이 기름 쪽으로 옮겨 간다. 그래서 기름 시료만으로도 종이의 노화 정도를 간접적으로 알 수 있다.

유중 가스의 종류와 농도 변화로 과열·부분방전 같은 내부 이상을 추정한다.

진단 절차는 다음과 같다.

• 정기 점검 시 절연유 시료를 채취하고 밀봉하여 실험실로 보낸다.
• 절연파괴전압, 산가, 수분 함량을 측정해 절연유의 기본 상태를 확인한다.
• 용존 가스를 추출해 수소(H2), 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)의 농도를 구한다.
• 가스 농도 한계와 비율(Rogers 비, Duval 삼각형 등)로 고장 유형을 판정한다.
• 푸란 분석 결과로 절연지의 중합도를 추정하고 수명을 예측한다.
• 부분방전 측정 결과와 함께 종합하여 교체·보수 시기를 정한다.

가스 분석 결과 해석에는 다음 공식이 자주 쓰인다. 가스 농도 비율은 다음과 같다.

$R = \frac{C_{X}}{C_{Y}}$

여기서 C_X, C_Y는 각각 가스 X, Y의 농도(ppm)이다. 이 비율을 Rogers 비 등의 경계 조건과 비교해 고장 종류를 판정한다.

부분방전 검출은 방전 시 발생하는 음향파(AE), 고주파 펄스(HFCT), 초고주파(UHF) 신호를 쓴다. UHF 센서는 잡음에 강하고 비접촉식으로 측정할 수 있어 최근 많이 쓰인다.

이 절차는 오프라인 시료 분석과 온라인 측정을 함께 쓰는 구조다. 시료 분석은 정밀하지만 시간 지연이 있고, 온라인 측정은 실시간 추세를 보여 주지만 정밀도가 낮을 수 있다. 두 결과를 함께 보는 것이 판정의 정확도를 높인다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기 열화진단 자체를 직접 규정한 법령은 확인된 범위에서 찾지 못했다. 다만 절연유와 종이 절연물의 시험 방법과 판정 기준은 국제·국내 표준을 따른다. 입력 자료에서 확인되는 시험 주기 기준은 다음과 같다.

위 주기는 절연유 품질 시험에 대한 권장 값이다. 법적 점검 주기가 아니므로 설비 기준과 혼동하지 않는다.

국내 실무에서 쓰는 가스 판정 기준은 IEEE C57.104와 IEC 60599 계열이다. 두 기준은 가스 농도 한계와 판정 방법이 다르다. 두 기준의 판정 결과가 다를 수 있으므로 판정 기준을 명시해 적는 것이 답안의 기본이다.

푸란 분석과 절연지 중합도는 절연지 수명 판단에 쓰인다. 입력 근거에 따르면 중합도는 셀룰로오스 사슬의 길이를 나타내는 지표이며, 절연지 노화가 진행되면 중합도와 인장강도가 함께 떨어진다.

6. 유형과 비교

열화진단 기법은 측정하는 대상에 따라 나눈다. 절연유 속 용존 가스, 종이 절연물의 노화 지표, 부분방전 신호, 절연유 물성이 대상이다. 대상을 먼저 구분해 두면 답안에서 기법끼리 섞이지 않는다.