1. 서 론

장기간 운전 중인 반폐형 고압전동기 고정자 권선은 필터(filter)를 통해 냉각용 공기가 유입되는 과정에서 먼지 등과 같은 이물질로 인해 오손되고 있다. 도전성을 갖는 이물질 유입에 의해 표면 트레킹(tracking)이 발생하거나 혹은 단말권선(endwinding)에서 국부적인 오손영역이 인접되면서 건조 대역(dry band)이 존재하여 절연파괴에 이르는 원인이 되기도 한다^[1-3]. 특히, 발전소에서는 계획예방정비공사 중에 3∼5년 정도 운전한 고압전동기는 회전자를 분리하여 세척작업을 마치고 육안검사를 수행한다. 슬롯 단부측과 단말권선 사이를 세밀하게 관찰하여 도전성 테이프(outer corona protection : OCP)와 반도전성 테이프(endwinding corona protection : ECP)의 손상여부와 백화현상 발생 등을 점검하고 있다^[4]. 그리고 고압전동기 고정자 권선의 절연열화 가능성 여부를 사전에 예측하기 위해 절연진단, 내전압 및 턴 단락(turn shorted) 건전성 시험 등을 병행하고 있다^[5-7]. 정지 중(off-line)에 절연진단 시험 항목은 절연저항, 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 크기를 측정하고 있다.

본 논문은 4년 정도 운전한 반폐형 고압전동기(2,850 kW, 6.6 kV) 고정자 권선 내부에서 심한 오염으로 인해 세척작업을 마치고 건조 후에 절연진단 시험을 수행하였다. 교류전압을 증가하면서 부분방전 시험 중에 정격전압(6.6 kV)에서 토끼 귀 모양(rabbit ear-like)의 방전에서 주절연물(groundwall insulation) 내부의 박리(internal delamination)에서 발생하는 방전으로 변환됨에 따라 근본적인 원인을 분석하였다.

2. 시험방법

정지 중에 고압전동기 고정자 권선에서 절연진단 시험을 수행하였다. 교류전압을 인가하기 전에 고압전동기 고정자 권선에서 삼상 일괄로 직류 5 kV를 인가하면서 절연저항과 성극지수(Automatic Insulation Tester, AVO International)를 측정하였다. 고압전동기 고정자 권선에서 교류전류, 유전정접 및 부분방전 시험을 위해 쉐링브리지(Schering Bridge), 커플링 커패시터(Coupling Capacitor) 및 부분방전 측정기(Partial Discharge Detector : PDD, Tettex Instruments TE 571)를 사용하였다. 쉐링브리지는 전원장치(HV Supply, Type 5283), 브리지(Bridge, Type 2818) 및 공진 인덕터(Resonating Inductor, Type 5285)로 구성되어 있다. 고압전동기 고정자 권선에 쉐링브리지(Tettex Instruments)를 연결하여 교류전압을 인가하였으며, 커플링 커패시터(Tettex Instruments, 1,000 pF)는 권선에서 유입되는 신호를 커플링 유니트(Coupling Unit, Tettex Instruments AKV 572)에 보내어 증폭한 후 부분방전 측정기에서 방전 크기와 패턴을 분석하였다. 부분방전 측정기의 주파수 대역폭은 30～400 kHz이며, 외부노이즈는 250 pC 정도로 측정되었다.

3. 시험결과 및 고찰

표 1은 국내에서 2019년 제작되어 4년 동안 운전한 6.6 kV급 고압전동기의 정격을 나타내었다.

그림 1에서 나타낸 바와 같이 회전자를 분리하고 반폐형인 고압전동기 고정자 권선 내부의 세척작업 전과 세척작업 후의 상태를 비교하였다. 세척작업 전에 내부를 점검한 결과 심한 오염이 확인되었으나, 세척작업 후에 권선은 깨끗한 상태를 유지하고 있다.

그림 1. 고압전동기 고정자 권선의 세척작업 전과 후 비교

Fig. 1. Comparison of before and after cleaning in HV motor stator windings

표 2는 고압전동기 고정자 권선에서 상간으로 측정한 권선저항 시험결과를 나타내었으며, R-S상, S-T상 및 T-R상에서 모두 0.109 Ω으로 동일하게 측정되어 편차가 없는 양호한 상태로 판정되었다.

표 3은 고압전동기 고정자 권선에서 절연저항, 성극지수 및 절연진단 시험을 수행한 결과를 나타내었다. 고압전동기 고정자 권선에서 3상 일괄로 교류전압 DC 5 kV를 인가하여 절연저항은 15,740 ㏁이며, 성극지수도 2.0이상인 3.67로 측정되어 둘 다 양호하게 분석되었다. 고압전동기 고정자 권선은 삼상 일괄로 외부 전원장치에서 교류전압을 0.95 kV에서부터 정격전압 6.6 kV까지 점차적으로 증가하면서 교류전류, 유전정접(dissipation factor, tanδ) 및 커패시턴스(capacitance)를 측정하였으며, 교류전류 증가율(△I), 유전정접 증가율(Δtanδ) 및 커패시턴스 증가율(ΔC)을 계산하였다[5, 6, 8].

6.6 kV급 고압전동기의 경우 정격전압에서 △I는 8.5% 이상이면 불량으로 판정하며, Δtanδ는 6.5% 이상일 경우에 불량으로 판정하고 있다^[2,6]. 고압전동기 고정자 권선은 교류전압 0.95 kV를 인가했을 때 교류전류는 63.65 mA이며, 6.6 kV에서 452.0 mA로 측정되었다. 0.95 kV와 6.6 kV에서 측정한 데이터를 근거로 계산한 ΔI는 2.48%로 양호하게 분석되었다.

그림 2. 고압전동기 고정자 권선의 tanδ-전압 특성

Fig. 2. Characteristics of tanδ-voltage in HV motor stator windings

그림 2에서 나타낸 바와 같이 고압전동기 고정자 권선은 교류전압 0.95 kV를 인가했을 때 tanδ는 0.583%이며, 6.6 kV에서 2.093로 측정되었다. 1.91 kV에서 0.653%와 6.6 kV에서 2.093%로 측정된 데이터를 근거로 Δtanδ는 1.44%로 양호하게 분석되었다. 그리고 교류전압을 증가했을 때 tanδ 증가점의 전압은 2.86 kV로 측정되었다.

그림 3에서 나타낸 바와 같이 고압전동기 고정자 권선은 교류전압 0.95 kV를 인가했을 때 커패시턴스는 177.4 nF이고 6.6 kV에서 181.5 nF로 측정되었다. 정격전압 6.6 kV에서 측정한 데이터를 근거로 ΔC는 2.43% 이다. 표 3에서 나타낸 바와 같이 0.95 kV와 정격전압 6.6 kV에서 ΔI는 2.48%로 계산되어 커패시턴스 증가율 ΔC와 유사하게 나타내었다. 그리고 교류전압을 증가했을 때 커패시턴스 증가점의 전압도 역시 2.86 kV로 측정되어 tanδ 증가점의 전압과 일치하였다. 따라서 부분방전 개시전압도 2.86 kV 전후로 측정될 것으로 예측할 수 있었다.

그림 3. 고압전동기 고정자 권선의 커패시턴스-전압 특성

Fig. 3. Characteristics of capacitance-voltage in HV motor stator windings

표 4는 고압전동기 고정자 권선의 부분방전 특성을 나타내었다. 외부 노이즈는 250 pC으로 측정되었으며, 외부노이즈를 기준으로 해서 교류전압을 증가하면서 부분방전 크기가 1,000 pC이상으로 나타날 때 전압을 부분방전 개시전압(partial discharge inception voltage : PDIV)이라 한다. 반대로 교류전압을 정격전압까지 증가했다가 다시 전압을 내리면서 부분방전 크기가 1,000 pC이하로 나타날 때 전압을 부분방전 소멸전압(partial discharge exception voltage : PDEV)이라 한다. 6.6 kV급 전동기의 경우 상전압인 3.81 kV에서 10,000 pC이하는 양호, 10,000 pC이상∼30,000 pC이하는 요주의, 30,000 pC이상은 불량으로 판정하고 있다^[5,7].

그림 4에서 나타낸 바와 같이 부분방전 시험결과 상전압(3.81 kV), 상전압의 1.25배(4.76 kV) 및 정격전압(6.6 kV)에서 부분방전 크기는 각각 6,710 pC, 9,700 pC 및 12,000 pC으로 측정되었다. 6.6 kV에서 4∼5분 동안 교류전압을 유지한 후에 부분방전 크기는 12,000 pC에서 10,000 pC으로 감소하였으며, 부분방전 패턴이 토끼 귀 모양의 방전에서 주절연물 내부의 박리에서 발생하는 내부방전으로 변환되었다. 토끼 귀 모양의 방전은 부분방전 패턴이 토끼 귀의 형태와 유사하여 그렇게 부르고 있다^[9]. 6.6 kV에서 다시 전압을 감소하면서 부분방전 크기를 측정한 결과 4.76 kV와 3.81 kV에서 각각 7,950 pC, 3,920 pC으로 감소하였다.

그림 4. 고압전동기 고정자 권선의 부분방전 크기 및 패턴

Fig. 4. PD magnitude and patterns in HV motor stator windings

고압전동기 고정자 권선은 이물질 유입으로 인해 심한 오염으로 세척작업을 마치고 건조 후에도 미세한 도전성 이물질이 단말권선 표면에 잔존하고 있었다. 교류전압을 3.81 kV, 4.76 kV 및 6.6 kV로 인가됨에 따라 도전성 이물질이 타면서 발생하는 과전압으로 인해 토끼 귀 모양의 방전을 나타내었다. 정격전압에서 4∼5분 동안 유지하는 동안 도전성 이물질이 부분적으로 타서 없어짐에 따라 토끼 귀 모양의 방전이 주절연물 내부의 박리에서 발생하는 내부방전으로 변환되었다. 이러한 토끼 귀 모양의 방전 패턴은 단말권선의 표면 문제(접촉 불량, 이물질, 흡습 및 마모 등)가 생기면, 높은 수평 성분을 갖는 매우 강력한 전계로 인해 권선 주절연재료의 표면에서 높은 저항을 갖기 때문이다^[9]. 그리고 부분방전 패턴은 도전성 이물질이 타면서 생기는 과전압으로 인한 토끼 귀 모양의 방전과 비교했을 때 주절연물 내부의 박리에서 발생하는 내부방전으로 변환되면서 오히려 부분방전 크기가 1,750 pC∼2,790 pC이 감소하였다. 토끼 귀 모양의 방전은 주로 환경적인 영향에 의해 나타나기 때문에 주절연물 내부의 박리 혹은 보이드(void)에서 발생하는 부분방전 패턴에 비해 절연파괴 가능성은 매우 낮은 것으로 분석할 수 있다.

따라서 토끼 귀 모양의 방전은 고압전동기 고정자 권선 표면에 도전성 이물질 유입이 주요한 원인임으로 주기적은 세척건조 작업이 필수적이다. 보통 고압전동기 고정자 권선은 회전자를 분리하고 세척작업을 수행함으로 상부 권선(top winding)의 이물질 제거는 쉽지만 하부 권선(bottom winding)에는 이물질이 잔존해 있는 경우가 많이 있다. 향후 연구에서는 고압전동기 회전자를 인출하고 고정자 권선을 외부 프레임(frame)에서 분리하면 하부 권선의 세척작업도 훨씬 더 효율적으로 할 수 있기 때문에 이물질을 거의 제거한 후에 부분방전 크기와 패턴 변화를 분석할 예정이다.

표 4와 그림 5에서 나타낸 바와 같이 부분방전 시험결과 부분방전 개시전압과 소멸전압은 동일하게 2.6 kV이며, 이 전압은 다시 tanδ 증가점의 전압과 커패시턴스 증가점의 전압 2.86 kV와 유사하게 측정되었다. 따라서 고압전동기 고정자 권선의 절연상태가 양호한 경우에 부분방전 개시전압, tanδ 증가점의 전압 및 커패시턴스 증가점의 전압이 모두 상전압(3.81 kV) 근처인 3.3 kV∼3.7 kV로 높게 측정되고 있다^[10,11].

그림 5. 고압전동기 고정자 권선의 부분방전 크기와 전압 사이의 관계

Fig. 5. Relationship between PD magnitude and voltage in HV motor stator windings

4. 결 론

반폐형 고압전동기(2,850 kW, 6.6 kV) 고정자 권선의 내부가 심한 오염이 발생하여 세척작업을 마치고 건조한 상태에서 절연진단 시험을 수행한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.

(1) 고압전동기 고정자 권선의 권선저항, 절연저항, 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 크기는 모두 양호하게 판정되었다. 정격전압(6.6 kV)까지 인가하는 동안 tanδ 증가점의 전압과 커패시턴스 증가점의 전압은 대략 2.86 kV로 측정되었다. 그리고 정격전압 6.6 kV에서 ΔI는 2.48%이며, ΔC는 2.43%로 측정되어 ΔI와 ΔC는 유사하게 나타내었다.

(2) 고압전동기 고정자 권선의 부분방전 개시전압과 소멸전압은 2.6 kV이며, 이 전압은 다시 tanδ와 커패시턴스 증가점의 전압 2.86 kV와 유사하게 측정되었다. 상전압(3.81 kV), 상전압의 1.25배(4.76 kV) 및 정격전압(6.6 kV)에서 부분방전 크기는 각각 6,710 pC, 9,700 pC, 12,000 pC으로 측정되었다. 6.6 kV에서 4∼5분 유지하는 동안에 부분방전 크기는 12,000 pC에서 10,000 pC으로 감소하였으며, 부분방전 패턴이 토끼 귀 모양의 방전에서 주절연물 내부의 박리에서 발생하는 내부방전으로 변환되었다. 6.6 kV에서 다시 전압을 감소하면서 부분방전 크기를 측정한 결과 4.76 kV와 3.81 kV에서 각각 7,950 pC, 3,920 pC으로 감소하였다.