2.1 초음파를 이용한 내부 온도 추정

전기설비 내부의 이상 온도를 검출하기 위해 초음파를 이용하려는 목적은 적외선과 다르게 설비 외부의 절연 물질을 투과할 수 있고 펄스-에코⁽⁸⁾ 등의 다양한 측정 방식^(9-11)이 있어 내부 도체의 온도 상승을 파악하는데 활용할 수 있기 때문이다. 적외선 열화상 측정은 이상 과전류나 상간 불평형 등으로 인한 몰드 변압기의 온도 상승을 검출하는 기술로서 고압 권선의 3상 온도 차이를 비교하거나 절연 계급에 따른 최고 허용 온도를 기준으로 이상 여부를 판단하고 있다. 하지만 외부 에폭시 절연물의 몰딩된 두께가 있기 때문에 표면 측정 온도와 내부 도체의 온도는 서로 같지 않으며 표면에서 측정된 적외선 열화상 카메라의 이미지는 내부 도체 부분의 온도 분포와 다르게 나타날 수 있다.

그림 1은 고압 권선을 상부에서 바라본 내부 단면도로서 에폭시 절연물의 두께 변화에 따른 온도 유동을 간략화하여 나타낸 것이다. 전기실의 대기 온도는 40 ℃로 설정하였고 중심원은 70 ℃인 알루미늄 도체(두께: 45 mm, 높이: 42 mm, 내경 366 mm)이며 외부의 에폭시 절연물 두께를 10~50 mm 로 변화시킴에 따라 에폭시 표면 온도가 약 69 ℃에서 63.4 ℃로 낮아지는 것으로 나타났다.

고압 권선의 금속 도체로 사용되는 알루미늄은 열전도도가 205-235 W/m·k, 구리는 약 398 W/m·k이고 절연 재료인 에폭시는 열전도도가 1-1.06 W/m·k 정도로서 권선 내부 도체의 열 전도도에 비해 외부의 에폭시 절연물의 열 전도도가 상당히 낮다. 그래서 내부 금속의 온도 상승이 에폭시 표면까지 전달되는 것은 느려지게 되고, 에폭시 표면에서는 상대적으로 낮은 온도인 공기의 대류 현상으로 인해 내부 금속에서 얻는 열 에너지와 외부 공기에 의해 빼앗기는 열 에너지, 그리고 주변부에서 전도되는 열 에너지 등이 평형을 이루는 지점에서 에폭시 절연물의 온도가 결정된다. 그렇기 때문에 표면 온도 측정 방식으로는 내부 권선의 초기 단락으로 인한 적은 온도 상승을 검출하기가 곤란해진다.

또한, 적외선 열화상 카메라의 측정 이미지는 설정에 따라 시각적인 정보가 다르게 표시되기 때문에 측정자가 온도 분포를 오판할 문제가 생길 수 있다. 적외선 열화상 카메라는 일반적으로 방사율, 온도 표시 범위 등의 설정 항목들이 있지만 대다수의 측정자가 기존 설정된 방식으로 사용하거나 자동모드를 이용해서 촬영하기 때문에 주변의 열원에 따라 측정 이미지가 다르게 보인다. 다음의 그림 2는 동일한 변압기를 적외선 열화상 카메라로 촬영한 것으로 온도 표시 범위의 차이에 따른 이미지 변화를 나타낸 것이다.

그림 2의 왼쪽 이미지는 적(백)색부터 청색까지의 온도 표시 범위가 94.8 ℃ - 30.5 ℃이고, 오른 쪽 이미지는 온도 표시 범위가 78.7 ℃ - 30.5 ℃이기 때문에 표시 색상 대비 온도 차이의 분해능은 왼쪽보다 오른쪽의 이미지가 더 높다고 할 수 있다. 그렇지만 왼쪽 이미지에서 몰드 변압기 S상 상부의 초록색으로 표현된 부분이 시각적으로 도드라져 보이는 반면에 오른쪽의 변압기 이미지는 고압 권선의 온도 분포가 각 상별로 큰 차이가 없어 보인다. 이처럼 측정자 입장에서는 표시 온도 범위에 따라 측정 대상의 온도 분포를 정확히 파악하지 못하는 문제가 발생 될 수 있다.

초음파 온도 추정은 표면 온도가 아닌 고압 권선 내부의 도체 온도를 검출하기 위한 것으로서 송신한 초음파가 에폭시를 투과한 후, 금속 도체에서 반사되어 돌아오는 것을 수신하여 에폭시 절연물 내부를 왕복한 초음파의 전파속도를 계산하고 온도 변화에 따른 전파속도의 변화 특성을 반영 함으로써 내부 도체의 온도를 산출하는 것이다.

2.2 에폭시 절연물 반사파 측정 실험

에폭시의 초음파 투과, 반사 특성 및 온도에 따른 전파 속도에 대한 실험을 위해 판매용 몰드 변압기와 동일한 재료 및 진공 탈포, 고온 건조 등의 동일한 제조 공정을 통해 에폭시 시료를 제작하여 활용했다. 에폭시 시료의 크기는 가로 200 mm, 세로 200 mm이며 내부 재료가 모두 에폭시로 되어있는 시료의 두께는 각각 10, 20, 30, 40, 50 mm이고, 시료의 한 쪽은 에폭시, 다른 쪽 면에 금속 (알루미늄)이 포함된 시료는 각각 15mm, 30mm, 45mm의 에폭시 두께를 가지도록 그림 3 및 4와 같이 제작했다.

반사파 측정 실험을 위해 초음파 신호의 송/수신 PZT (PieZo- electric Transducer⁽¹²⁾)로는 비파괴검사에 사용되는 technisonic의 1 MHz (Φ1″)와 2.25 MHz (Φ1″) 및 JP Probe의 고온용 1 MHz (Φ20) 탐촉자를 이용했으며 신호 발생 및 송/수신 장치인 pulser/receiver로서 XTR 2022(MKC korea)와 측정 신호 표시를 위해 TELEDYNE Lecroy 620MZi를 활용했고 에폭시 시료의 표면 온도 측정을 위해 FLUKE 62 MAX plus 적외선 온도계를 이용했다.

실험 방법은 상온에서 에폭시 두께에 따른 반사파의 변화를 보기 위해 에폭시 시료의 한쪽 면으로 초음파 신호를 보내고 전파되어 반대쪽 면에 부딪혀서 되돌아오는 반사파 신호를 측정했고 금속 및 에폭시 절연물의 온도 변화에 따른 전파 속도 변화 추이를 확인하기 위해 에폭시의 한쪽 면을 힛팅 플레이트를 이용해 온도를 상승시키며 다른 쪽 면에서 초음파를 송신 후, 반사파를 취득하는 방식으로 진행했다.

에폭시 두께별 반사 파형은 10 mm부터 50 mm까지의 두께를 가지는 에폭시 시료에 대해 1 MHz, 및 2.25 MHz의 중심 주파수를 가지는 트랜스듀서를 이용해 하나의 트랜스듀서로 송신기와 수신기의 역할을 동시에 처리하는 펄스-에코(pulse-echo) 방식으로 측정했고 온도 변화에 따른 파형 측정을 위해 상온에서부터 에폭시가 열적 물성 변화를 일으키지 않는 100 ℃까지 온도를 상승시키면서 10 ℃ 간격으로 반사파를 취득했으며 고온 측정을 위해 150 ℃까지 사용이 가능한 중심 주파수가 1 MHz인 별도의 고온용 트랜스듀서를 활용했다.

2.3 에폭시 두께 및 온도별 반사파 측정 결과

에폭시 절연물의 두께별 반사파 측정 결과를 다음의 표 1에 나타내었으며 에폭시 전면에서 초음파 신호를 송신 후, 에폭시 후면에서 반사되어 돌아와 수신되기까지의 시간 간격인 ToF(Time of Flight)는 송신파의 최대 크기인 지점과 반사파의 최대 크기인 지점 사이를 기준으로 경과된 시간을 측정하여 나타내었다.

반사파 도달 시점은 중심 주파수가 2.25 MHz인 트랜스듀서를 이용해 측정했을 때 1 MHz인 트랜스듀서 보다 반사파가 약 0.5 ㎲ 늦게 도착 했으며 에폭시 절연물의 두께가 10 mm일 때 1 MHz로 측정한 경우는 초음파 신호가 에폭시 후면에서 반사되어 돌아오는데 7.27 ㎲가 소요됐고 2.25 MHz로 측정한 경우는 7.65 ㎲가 소요됐다. 10 mm 간격으로 두께가 증가됨에 따라 반사파의 도착 시간은 약 6.5 ㎲ 정도가 지연됐다.

반사파 측정 파형은 그림 5에 나타내었으며 그림 5의 (a), (b)는 에폭시 30 mm, 50 mm 시료에 대해 1 MHz 트랜스듀서로 측정한 것이고 (c), (d)는 동일한 두께의 시료를 2.25 MHz로 측정한 것이다.

파형 그래프 (a)를 보면 좌측의 처음 나타나는 진동은 발생 초음파가 에폭시 시료의 표면과 만나서 생기는 파형이며 에폭시를 투과하여 반대편의 에폭시 후면에서 반사되어 돌아오는 첫 번째 반사파(붉은 원)는 20.25 ㎲ 지점에서 최대 피크가 나타난다. 이 반사파가 트랜스듀서와 에폭시 후면 사이를 한번 더 왕복하게 되면 두 번쨰 반사파가 크기가 감쇠되어 나타나게 된다.

파형 그래프 (b)를 보면 에폭시 시료의 표면에서 측정된 파형 이후에 50mm 두께를 왕복하여 첫 번째 후면 반사파가 도달하기 때문에 33.55 ㎲ 지점에서 최대 피크가 나타난다.

파형 그래프 (c)를 보면 트랜스듀서가 2.25 MHz로 바뀌어서 반사 파형의 모습도 바뀐 것을 알 수 있으며 전체적으로 진동 횟수가 줄어들고 파장이 짧아졌기 때문에 주변의 다른 신호의 간섭이 생겨도 구분하기가 용이해졌다. ToF를 보면 1 MHz인 트랜스듀서로 측정했을 때와 유사하게 20.69 ㎲ 지점에서 첫 번째 왕복 반사파의 최대 피크가 나타났고 50 mm 두께에서는 약 34 ㎲ 지점에서 첫 번째 반사파의 피크가 나타난다.

몰드 변압기 내부의 고압 권선을 모의하여 금속과 에폭시 절연물의 경계면에서 초음파 신호가 어떻게 반사되는지를 측정했으며 각 시료의 총 두께는 에폭시 두께와 금속 두께를 합한 값이지만 금속과 에폭시의 경계면에서 반사되는 신호를 측정하는 것이 목적이기 때문에 에폭시의 두께를 기준으로 표 2에 측정 결과를 정리했다.

다음의 그림 6은 에폭시 두께 30 mm, 금속 두께 10 mm 인 시료에 대해 1 MHz, 2.25 MHz로 송신 및 반사파를 측정한 것으로 첫 번째 반사파의 도달시간은 1 MHz 트랜스듀서일 때 19.87 ㎲, 2.25 MHz 일 때 20.73 ㎲로 나타났다.

에폭시로만 이루어진 30 mm 시료의 반사 파형(그림 5)과 비교해 보면 첫 번째 반사파와 두 번째 반사파 사이에 다른 파형들로 채워진 것을 알 수 있다.

다음의 그림 7은 금속이 포함된 에폭시(15 mm) 시료에 대해 금속 부분의 온도를 상온에서 100 ℃까지 10 ℃의 간격으로 상승시켰을 때 측정된 초음파 반사파의 파형 중에서 40 ℃, 70 ℃, 100 ℃를 나타낸 것이다. 고온에서 반사파 측정을 위해 별도의 고온용 트랜스듀서(JP Probe, 1MHz)를 이용해 측정했으며 에폭시 두께가 30 mm, 45 mm인 경우에서도 금속의 온도가 높아질수록 진폭이 감소되고 반사파의 도달시간이 느려지는 특성을 보였다. 가장 위쪽의 그래프는 금속의 온도가 40 ℃인 경우로 초음파 송신 후, 10.6 ㎲가 지나고 반사파가 도달했고 금속 온도가 70 ℃인 중간의 그래프를 보면 11.52 ㎲가 지나서 반사파가 도착했고 가장 아래의 그래프인 100 ℃의 경우는 송신 신호가 에폭시와 금속의 경계면에서 반사되어 돌아오는데 12 ㎲가 소요됐다.

금속을 포함하고 있는 에폭시 시료의 내부 온도 변화에 따른 전체적인 반사파 측정 결과를 표 3에 나타내었다.

30 ℃인 경우를 보면 에폭시 두께가 15 mm에서 45 mm로 두꺼워짐에 따라 ToF는 선형적으로 증가되고 진폭은 감소되는 것을 볼 수 있으며 금속의 온도가 30 ℃에서 100 ℃로 상승됨에 따라 에폭시 두께가 15 mm인 경우의 반사파 도달 시간은 10.52 ㎲ - 12 ㎲로 1.48 ㎲가 지연됐고, 30 mm인 경우는 20.3 ㎲ - 22.9 ㎲로 2.6 ㎲가 지연됐으며, 45 mm인 경우는 31.58 ㎲ - 34.22 ㎲로 2.64 ㎲가 지연됐다.