변압기 절연 시험

전기,철도 기술자료/전기이론

변압기 절연 시험

양 회장 2017. 11. 28. 09:08

온도상승 허용한도

변압기의 온도상승 허용한도는 주위온도가 40℃를 초과 하지 않고 변압기 최저 전압탭에서 연속정격출력을 낼 때 변압기의 온도상승 허용한도의 값을 넘어서는 안된다.

변압기의 온도상승 허용한도

변 압 기 의 부 분

측정방법

온도상승 허용한도 (K)

1. 권 선

유입자냉식 또는 유입풍냉식

송유풍냉식 또는 송유수냉식

냉매냉각식

2. 권선(Hot-spot)

3. 유 온

연절유의 최상부 본체 탱크내의 절연유가

외기(外氣)와 접촉하지 않는 경우

저 항 법

온도계법

※ 온도상승 계산시 냉각매체 기준온도는 다음과 같다
- 유입자냉식, 유입풍냉식, 송유풍냉식 : 주위온도

- 송유수냉식 : 냉각수 유입온도

- 냉매냉각식 : 냉매기화온도

온도상승 시정수

변압기의 운전시 부하전류에 의해 변압기 권선의 온도가 상승하는데, 이 온도상승은 어느 정도 시간이 지나게
되면 포화한다.
이를 식으로 표현하면 온도 θ＝θ t (1－e -t/T )로 일정한 온도까지 오르는 시간은 거의 비례하여 상승하나, 일정 온도후 최종온도에 이르기까지의 시간은 상당히 오래 걸리게 되는데, 이때의 시간 T를 온도상승 시정수라 한다.

변압기 절연 시험

1. 절연저항측정
고전압 대용량 변압기의 절연저항을 측정할 때는 정격 전압 2,000[V], 2,000～5,000[MΩ] 절연 저항계를 사용한 다.(1,000[V] 절연 저항계도 가능).

측정하려는 변압기의 선로 단자의 충전 여부를 확인하고, 변압기 단자에 연결된 각종 리드선과 피뢰기 등을 분리한 다. 붓싱의 애관을 잘 청소하여 누설 전류에 의한 절연 저항 측정의 오차요인을 제거한다.(오차가 생긴다고 판단될때에는 가이드링을 부착하여 측정한다.)
절연 저항은 측정 대상의 온도에 영향을 받으므로, 변압 기의 경우 정전 직후 유온이 가장 높은 시점, 유온이 어느 정도 떨어진 시점, 유온이 주위온도와 비슷한 시점 등 적어도 3번 이상은 측정하여야 하며, 측정시 주위온도, 습도, 날씨 등을 기록 유지하여, 전 측정치와의 비교를 통하여 절연물의 상태를 알 수 있도록 하여야 한다.

2. 절연유 내전압시험
날씨가 맑고 습도가 높지 않은 날을 택하여 변압기 본체 하부에서 시료를 채취한다. 또한 OLTC와 컨서베이터가 있는 경우 필요에 따라 별도로 채취하여 시험하기도 한다. 시료의 온도는 15∼35[℃]로 한다.
채취한 절연유로 시험 용기를 세척 후 기포가 발생하지 않도록 서서히 시험용기의 상부 적색 눈금까지 채운다(유 면이 전극 상단에서 20[㎜] 이상이 되도록). 시험 용기는 직경 12.5[㎜]의 구상 전극을 가진 마이크로게이지로 전극간 간격이 2.5[㎜]가 되도록 조정한다. 용기를 시험기의 단자에 올려놓고 볼트를 조여 고정시킨다.
1종과 7종이 30 또는 40[kV] 이상, 6종이 50[kV] 이상이 어야 한다.(2회 시료 채취하여 3분간 방치 후 거품이 가라 앉은 다음 초당 3000[V]의 속도로 전압을 상승시켜, 각 시료에 5회씩 측정을 되풀이하여 각각 처음 값을 제거한 8개의 값을 더하여 8로 나누어 평균치를 구한다. 6종의 경우는 5개의 평균치를 구한다.)동일 시료를 2회 시험시 시 험결과의 차가 10[kV]를 초과하지 않아야 한다.

3. 전산가(Total Acid Number)
전산가(Total Acid Number, TAN)는 전기절연유의 열화 정도 평가지표로써, 절연유의 장기간 사용이나 열화 등으로 인하여 산성 생성물이 발생되면 절연유의 절연특성이 저하되어 절연유로서의 기능이 감소된다. 즉, 절연유의 전산값은 절연유의 여과, 정제 또는 교체의 필요 여부 등 그의 품질을 판정할 수 있는 중요한 기준이 된다. 따라서 전산값 측정결과에 따라 적당한 조치를 취함으로써 전력기 기에 의한 사고발생을 예방할 수 있을 뿐만 아니라 전력 기기의 수명을 연장시킬 수 있다.
전산값 측정은 측정 키트(Kit)를 이용하며 혼합액의 색깔 로써 상태를 판정한다. 기준으로 판정기준은 다음과 같다

【표 46】전산값 판정기준

측정 결과	전산값 범위 (mgKOH/g)	판정	조치사항
B급 이상	0.20 이하	양호	없음 (계속사용 가능)
C급	0.21∼0.40	요주의	정밀분석 필요
D급	0.41 이상	불량	정밀분석 필요

측정방법은 시료 20[g]을 규정된 용기(300[㎖] 삼각 플라 스크)에 넣고 혼합 용제(Tolene3V＋Ethnol)에 용해시킨 후 Alkali Blue-6B를 지시약으로 하여 중화액(0.1N-KOH)를 표준용액으로 적정하여(액이 자색 띤 적색 변화가 15초간 유지) 이때 소요되는 KOH의 양[㎎]으로 산가를 계산한다.
즉, 절연유의 전산가는 절연유 1[g]중에 포함되는 전 산성성분을 중화하는데 필요한 수산화칼륨(KOH)의 [mg] 수로 나타낸다.

4. 절연유 수분 측정
절연유의 수분은 절연내력 저하와 밀접한 관계가 있으 며, 변압기의 고압측 전압에 따라 그 함유량이 제한된다. 절연유의 수분 측정은 칼피셔 시약을 이용한 수분측정기로 행하며 ppm단위로 측정한다.
알킬 벤젠의 흡습성은 광유계 절연유의 약 2배, 실리콘 유의 흡습성은 광유계 절연유의 약 3배이다.
1종 4호와 7종 4호에 대해 탱크차인 경우 30ppm 이하, 드럼의 경우 40ppm 이하로 규정되고, 6종은 60ppm 이하로 규정하고 있다.

5. 유중가스분석(Gas-in-oil Analysis)
변압기는 양질의 안정적인 전력을 공급하는데 있어서 매우 중요한 설비로서 변압기 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출하거나 절연을 목적으로 절연유를 포함하여 여러 가지의 절연재를 사용하고 있다.

그러나 이들 절연재들은 사용기간이 증가함에 따라 경년 열화 현상이나 또는 변압기 내부이상(절연파괴, 순환전류, 접촉불량 등)시 아크나 국부과열에 의한 발열을 수반하게 되고, 발열원에 접촉한 전기절연유, 절연지, Pressboard (Backlite) 등의 절연재료는 이상부위의 온도에 따라 열분 해되어 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 2 H 2 , C 3 H 8 , CO, CO 2 등과 같은 가스를 발생한다. 발생가스는 대부분 전기절연유 중에 용해상태로 존재하므로 변압기에서 전기절연유를 채취하여 용해가스를 기화, 가스분석기(Gas Chromatograph)에 의해 분석하고 그 성분과 가스량 그리고 조성비로 변압기 내부 이상 유무와 이상 정도를 진단한다.

이는 절연유 중에 용해된 여러 발생가스들을 분리관을 통해 각 성분들을 분리하고 TCD(Thermal conductivity detector, 열전도 검출기)와 FID(Flame ionization detector, 불꽃 이온화 검출기)로 정량하여 변압기의 수명예측이나 이상여부를 진단하는 진단법으로서 절연유중 용존가스 관리기준에 의한 상태 판정과 개량 IEC법 CODE 및 주 발생 가스 패턴에 따른 이상 유형을 판단하고 가연성 가스량 증가속도, 절연유 일반시험 등의 분석결과를 종합하여 변압기 이상진단을 실시한다.
가스분석은 초기운전 변압기와 중기/장기 변압기를 대상으로 구분하여 관리하며, 초기운전 변압기는 가압운전후 3년 이내 변압기에 적용한다.
진단방법으로는 이상가스 분석결과에서 이상의 종류 (Arc방전, 부분방전, 과열), 이상개소 및 정도, 긴급성을 판단하는 경우 다음과 같은 몇 가지 방법을 병용하여 진단한다.

가. 가스 Pattern에 의한 방법

횡축에는 가연성 가스를 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 2 H 2 ,로 나열하고 종축에 가연성 가스 중에서 최대치를 1로 하여, 다른 가스의 조성비를 도시한다.
이때 최대가스의 종류에 따라 H 2 주도형, C 2 H 4 (CH 4 ) 주도형, C 2 H 2 주도형으로 분류한다.

이 방법의 특징은 현상을 감각적으로 이해하는데 용이하고 이상현상의 내용변화를 관찰할 수 있으며 과거의 고장 예와 비교에 도움이 된다.

나. 가스 조성비에 의한 방법

특정성분 가스의 조성비를 구하여 이상현상의 내용을 판단하는 것으로 몇 가지 방법이 제시되어 있으나, 가장 보편적인 방법은 I.E.C 방법이다.

다. 특정가스에 의한 방법
① 아세칠렌 (C 2 H 2 )에 의한 진단
절연유의 열분해에 의해서 발생하는 가스중에 서 C 2 H 2
는 이상현상을 구분하는데 편리한 가스로 고온 열분해(유중 Arc)시 다량 발생, 접촉불량 등의 과열시에 소량 발생 되며 아세칠렌 (C 2 H 2 )의 발생은 Arc에 의한 발생, 국부방
전에 의한 발생, 국부과열에 의한 발생으로 구분된다.
② CO (일산화탄소), CO 2 (이산화탄소)에 의한 진단
절연유 등 고체 절연물의 과열시 특정한 가스는 CO, CO 2 이다. CO 2 는 경년 열화에 의해서도 발생 되기 때문에 적중률이 낮고, CO에 의한 진단이 적 절하다.
CO가 300ppm 이상 검출시 절연지, 베이크라이트 등의 고체 절연물의 소손 가능성이 크다. 100ppm 이하이면 고체절연물 소손 가능성이 적다
③ 가연성가스총량 (TCG : Total Combustible Gas)
유중가스분석에서 추출된 가스로서 산소와 결합할 수있는 수소, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에칠렌, 아세틸렌 등의 총합을 뜻한다.
④ 체적저항률
절연유의 체적 저항률[Ω․㎝]이란, 절연유에 인가한 직류 전계[V/cm]와 그 때 절연유 속을 흐르는 단위 단면적 당의 전류[A/㎠]와의 비이다. 이 값은 절연유의 1변 1[cm] 의 정육면체의 상대하는 면 사이의 저항과 같다. 절연유 체적저항률의 변화요인으로는 수분, 유기산, 전해질, 용해가스와 절연유 자체의 Ion化 등을 들 수 있다. 수분에 의해 Ion의 전도가 용이하게 되고 유중의 이온성 물질의 점도가 높아지면 체적저항률은 낮아진다. 이 값은 불순물의 혼입상태와 온도에 의해 변화하므로 시험시 일정온도를 유지하여야 한다.
체적저항률은 절연파괴전압과는 달리 절연물 본래의 절연성을 표시하는 중요한 요소이며 전산가의 증가에 따라 점차 낮아지는 경향이 있다.
시험방법은 전극 용기에 시료를 넣고 Tera-ohm Meter 로 DC 250[V]를 인가하여 1분 후의 전류치로부터 체적저 항률을 구한다. 이때, 시험온도는 80±1[℃]를 유지한다.

⑤ 절연역률(Power Factor)
절연체를 전기회로로 등가화 할 때 이를 R-C병렬회로로 생각할 수 있다. 절연체 등가회로의 저항성분은 전압이 인가되었을 때, 절연체에서 소비되는 손실전력을 나타 낸다. R p 는 일반적으로 절연체에서 바람직하지 않은 성분 이다. 그러나, 어느 정도의 손실은 대부분 절연체에서 정상적 이다.
⑥ 유전정접(Dissipation Factor)
유전정접이란 절연유를 충전한 전극간에 교류 전압을 가했을 때에 발생한 손실 전류의 충전전류에 대한 비를
말한다. 유전정접은 절연성을 나타내는 하나의 척도이고 절연유 분자의 유전 분극에 기인한 쌍극자 손실과 이온이나 하전 미립자의 진동에 따르는 도전 손실에 의해서 정해지지만, 일반적으로 절연유일 경우에는 도전손실이 주원인이 된다. 따라서 유전정접은 수분, 기타 오염 물질의 함유량 또는 절연유 자체의 열화의 정도와 관계되는 중요한 성질이다.
⑦ 절연열화(Insulation Aging)
전기설비의 절연물은 인가된 전압과 열의 발생, 빛, 산소, 수분과의 접촉 등에 의하여 절연성능이 변화하며, 사용함에 따른 경년열화는 절연물 저항성분의 감소에 따라 손실전류가 증가하여 절연물의 손실전력을 증가시킨다. 절연물 손실전력은 정상적인 손실과 오염 성분, 열화 성분에 의한 것의 합으로 생각할 수 있으며, 오염 성분은 수분, 탄소, 먼지, 이물질 등에 의한 것이고, 열화 성분은 탄
화, 코로나, 방전 등에 의해 발생한 것으로 볼 수 있다.
이러한 열화에 의해 절연물은 내전압, 체적저항률 등이
감소하고 산가, 점도, 불순물 입자의 수 등이 증가하게 된다.
⑧ 부분방전(Partial Discharge)
전극과 전극사이를 채우고 있는 절연물 내에서의 전기적 방전을 뜻하며, 부분방전은 원래 기체 상태에서 발생하고 기체가 매우 높은 에너지를 받아 이온화되는 현상을 말한다. 방전 펄스는 인가전압이 상승함에 따라 점차 크기와 수가 증가하여 전압이 최대치에 도달한 후 소멸되며, 전압의 극성이 바뀜에 따라 다시 음의 영역에서 방전이 시작되어 최대치에 도달한 후 소멸되는 특성을 가진다.
부분방전의 형태는 내부방전, 연면(표면)방전, 코로나방 전, 전기적 트리(tree)에서의 내부방전 등으로 분류할 수 있다. 내부방전은 절연재료의 수명에 관계되는 요인이라할 수 있다.
부분방전이 발생하는 원인으로서는 절연체내에 많은 불순 물이 함유되어 있는 경우, 절연물 내에 공극이 형성되어 있는 경우, 전기적 트리가 형성되어 있는 경우 등을 들 수 있다.
변압기에서 부분방전이 발생하면 전기적인 펄스전류와 그것에 동반된 초음파가 발생한다. 따라서 부분방전을 변압 기의 운전상태에서 검출할 수 있는 방법으로는 부분방전에 의한 전류펄스를 검출하는 전류법, 변압기 외함에 초음파 센서를 설치하여 초음파 신호를 검출하는 음향법이 있다.

또한, 음향법과 전류법 두 가지 방법을 조합하여 내부방 전을 판단하는 방법도 사용되고 있다. 이 방법은 전기펄스와 초음파 펄스를 동시에 측정하고, 로고스키 코일에서 검출된 전기 펄스에서 소정의 레벨 이상의 펄스를 기점으로 초음파 펄스가 검출되기까지의 시간을 측정하고, 설정치
내에 있으면 코로나로 판정한다.

가. 전기적측정

전기적 측정법은 변압기 내부에서 부분방전이 발생하면 접지회로에는 펄스형의 방전전류가 흐르게 되는데, 이러한 방전전류를 측정함으로써 부분방전의 크기를 측정할 수 있다. 부분방전에 의한 전류펄스를 검출하는 방법은 다른 방법에 비하여 고감도이고 부분방전의 초기 검출이 가능하다.
측정장치는 로고스키 코일(rogowski coil) 또는 유도성 탐침(Inductive Probe), 용량성 센서(Capacitive Sensor)와 신호분석장치로 구성되며, 출력감도는 약 0.05[pC], 검출범 위는 약 0.05～10,000[pC]이다. 신호처리는 전기펄스의 발생 수를 나노초(10-9sec) 단위까지 샘플링하여 출력하며, 출력 신호는 발생 크기, 발생율, 검출시각 및 경보출력 등이다.
전기적인 측정방법은 그 값이 매우 정확하고 비교적 소규모의 부분방전도 감지할 수 있는 장점이 있으나, 운전중인 변압기에서는 외부에서 침입하는 전기펄스 및 노이즈 들이 많기 때문에 측정된 누설전류로부터 부분방전을 구분하기가 상당히 어렵다. 따라서 수천[pC]에 이르는 변전소의 각종 노이즈를 억제할 수 있는 잡음 제거대책이 있어야 한다. 이러한 노이즈는 주로 변압기의 공급전압이 갖고 있는 고조파, 개폐 서어지, 주변 고압 송전선에 의해서 측정회로에 유도되는 유도전압, 방송 등에 의해 유입되는 전자파, 주위에 비접지된 금속 부유물과 고압측 간의 표류 용량(stray capacity)에 의한 고주파 전류, 기타 기기에서의 부분방전 등이다.
변전소에서 외부잡음을 측정한 결과 2.0～6.0 [MHz]의 범위는 비교적 외부잡음이 적은 것으로 알려져 있으므로, 로고스키코일 접지전류 센서의 주파수 특성은 3[MHz] 부근을 선택한다.
접지전류 센서는 페라이트 코어에 코일을 감은 구조로, 그 특성은 코아의 형상, 권선수, 측정용 동축케이블의 길이에 따라 변한다. 대부분의 외부잡음은 센서의 주파수 특성및 필터에 의하여 제거되며, 필터를 통과한 신호는 비교 측정기에 입력되어 설정레벨 이상인 경우 Pulse-Counter 로 측정되고, 펄스가 일정시간 이상 계속될 경우에는 내부 부분방전으로 판단한다.
변압기에서의 부분방전에 의한 전류펄스를 검출하는 방법으로는 권선 중성점에 상용주파 전류와 중복되어서 흐르는 방전전류를 검출하는 중성점 접지선을 이용하는 방법, 변압기 본체 접지선에서 방전전류를 검출하는 본체 접지선을 이용하는 방법 및 고압 붓싱에서 방전전류를 검출 하는 붓싱 탭 측정법이 있다.
(1) 중성점이 직접 접지된 경우에는 중성점의 접지선에 고주파 특성의 로고스키 코일이나, 유도성 탐침을 이용하여 부분방전 펄스전류를 검출할 수 있다. 이 방법은 감도적으 로는 붓싱을 이용하는 방법에 비하여 약간 떨어지지만 설치가 용이하므로 실용적이다. 그러나 중성점 접지선을 이용하는 방법은 변압기가 직접 접지된 경우에만 사용 가능 하며, 감도가 떨어지는 단점이 있다.
(2) 부분방전 펄스전류는 변압기 본체의 접지선에서도 검출할 수 있다. 이 방법은 활선상태에서도 로고스키 코일을 설치하기가 용이하고 구조가 간단한 이점이 있다.
국내의 변전소에 설치된 변압기는 다중접지되어 있으므로 단일 CT를 통한 부분방전 펄스전류를 측정하기는 매우 힘든 형편이나, 유도성 탐침과 용량성 센서로 방전펄스를 측정하고, 컴패래터를 이용한 잡음의 분리로 부분방전 측정이 가능하다.
(3) 변압기에 콘덴서형 붓싱을 사용하는 경우에는 붓싱의 시험용 단자에서 부분방전에 의한 펄스전압을 검출할 수있다. 이 방법은 공장에서의 부분방전 펄스 검출방법과 같이 감도적으로는 아주 우수하지만, 상시측정을 위해서는 붓싱 제작시 상시 부분방전 측정용 시험단자를 확보하여야 한다.

나. 초음파 측정

변압기 내부에 부분방전이 발생할 경우, 국부적인 절연유 기화로 인해 압력변화가 나타난다. 이로 인해 펄스형태의 충격파가 발생되어 변압기 외함까지 전달되는데 이것을 검출하여 변압기 상태를 파악하는 것이 초음파 진단이다.
초음파는 가청주파수 이상의 음파(20kHz 이상)로 파장이 수 ㎛∼10㎝로 짧아 공기 중에서 감쇠가 크지만, 액체나 고체에서 감쇠가 적고 지향성이 강한 것이 특징이다.
변압기 초음파 진단을 위한 장치는 초음파 센서, 신호 증폭기, 연산처리장치 및 출력 장치 등으로 구성된다. 초음파 센서는 변압기 외함에 부착되어 물리적인 신호를 전기적인 신호로 변환시켜주며, 변환 방식으로는 압전 방식과 정전효과 방식이 있다. 센서는 저주파수 잡음을 피하기 위해 50㎑∼300㎑ 대역의 센서가 주로 이용되고 있다. 신호증폭기는 센서로부터 검출된 미소한 신호를 증폭시켜 주며, 100㎑∼300㎑ 범위의 신호만을 선별하여 통과시킨 다.
또한 연산처리장치는 이득값 조정, 트리거 레벨 설정, 기준 이상 레벨을 계수 등의 연산처리를 수행하며 출력장치를 통해 결과를 표시해 준다.
부분방전에 의한 초음파 파형의 지속시간은 는 주로 수 ㎳∼수백㎳의 특징을 가지며, 크기는 센서의 접촉상태와 이득값 설정에 따라 달라진다. 초음파 측정에 의한 부분방전 발생 여부의 판단은 파형의 형태, 지속시간, 주파수 범위, 다채널 센서에서의 신호 비교 등 종합적인 분석을 통해 결정한다.

기계적 변형 진단(SFRA : Sweep Frequency Response Analyzer)

SFRA는 권선형 기기[발전기, 변압기, 리액터 등]의 고유 R, L, C회로에 대한 주파수 응답을 측정하여 기기 내부의 구조적 변형을 분석할 수 있는 기기이다. 권선형기기가 운반 중 외부 충격으로 인한 손상, 고장전류 및 절연파괴로 인한 변형, 기기노후로 인한 권선의 이탈, 단락 등이 생겼을 경우 SFRA를 활용하여 효과적인 진단이 가능하다.
FRA[Frequency Response Analyzer]는 1960년대에 소개되어 1980년대 HP Network Analyzer로 사용되었다. 이후 1990년 Doble社에서 SFRA Test set를 개발함으로써 범용화 되었다. 현재 SFRA는 전 세계 대부분의 전력기기 제작사 및 전력회사에서 기기의 품질증명과 이상 진단을 판단하기 위한 중요한 Tool로 사용되고 있다. 권선형 기기 내부에는 철심 및 여러 권선의 조합으로 R-L-C 회로로 모델링이 가능하다.
권선∼권선, 권선∼대지, 권선-철심간에는 주로 캐패시 턴스[C] 값을, 철심에 감겨있는 권선에는 주로 인턱턴스 [L]와 저항[R] 값을 측정할 수 있다.
SFRA의 측정목적은 정확한 R[Ω], L[mH], C[pF] 값 측정이 아니며, 이동함수를 이용하여 해당기기의 주파수 응답특성을 입력대 출력비로 나타낸 데시벨[db] 값으로 초기 Data와 비교 분석을 하기 위함이다

신뢰성곡선 (Bathtub Curve)

일반적으로 전력기기에서 신뢰성곡선은 초기치의 50%이하에서는 수명기(우발고 장기간)에 들어가며, 이 단계에 도달되면 열화의 진행속도는 완만하나, 절연재료 특성이 마모기(열화고장기간)에 들어서면 고장 확률이 급속히 증가하므로, 이 시점에서 예방 정비 기술을 활용하여 기기를 정비함으로서 어느 정도 낮은 고장율로 장시간 사용이 가능하게 된다.