1. 서 론

20∼30년 동안 장기간 운전 중인 고압전동기 고정자 권선은 열적, 전기적, 기계적 스트레스 및 환경적 요인에 의해 복합적인 열화가 가속되며 이에 따라 절연내력이 급격하게 감소하고 최종적으로 절연파괴가 발생한다^[1-3]. 운전중인 중요 고압전동기는 고정자 권선의 갑작스런 절연파괴 사고에 의해 발전소에 출력 감발 혹은 발전 정지를 유발할 수 있으며 이 경우 큰 경제적인 손실로 이어진다. 그래서 국내에서도 1990년도 말부터 고압전동기 고정자 권선의 건전성 여부를 평가하기 위해 정지 중에 절연진단 시험을 적극적으로 활용하고 있다^[4,5].

본 논문은 27년 동안 운전 중인 고압전동기(1,300kW, 6.6kV) 고정자 권선에서 운전 중에 접지 사고가 발생한 내용을 다루고 있다. 제작사에서 고압전동기 고정자권선 설계시 절연수명은 30년 이상이지만 고압전동기 운전 현장 환경과 제작시 절연물의 결함 여부에 따라 절연수명이 결정된다. 고압전동기 절연물의 고장 발생 주기는 Bath-tub 곡선에 의해 초기 고장, 안정기, 노후에 따른 고장으로 분류할 수 있으며, 여러 사례들을 통해 절연수명이 안정기에서 노후기로 넘어가는 변곡점은 일반적으로 20년에서 25년 사이로 보고 있다. 따라서 해당 고압전동기 절연의 상태도 노후기에 해당하며 운전중 외부 먼지 유입과 운전 전압, 온도에 따라 절연열화가 진행되었음을 유추할 수 있다. 사고발생 1년 6개월 전에 절연진단 시험을 수행한 결과 절연저항, 성극지수, 교류전류 및 유전정접 시험 결과는 모두 양호하였으며 부분방전 크기는 요주의로 평가되었다. 시험을 통한 전동기의 절연상태를 본문에 기록하였다. 해당 전동기의 절연파괴 원인이 주절연물의 절연열화와 오손에 의한 트래킹 보다는 주절연물 내부 소선의 열화에 의한 턴단락(shorted turn)으로 예측되어 사고 권선을 정밀하게 확인하기 위해 권선을 분해하고 육안점검을 시행하였다.

2. 시험방법

고압전동기 고정자 권선 절연진단 시험은 접지 사고가 발생하기 1년 6개월 전에 수행되었다. 고압전동기 고정자 권선 절연진단 시험을 위해 교류 전원장치와 제어 시스템(HV supply and control system), 쉐링브리지(Schering bridge)를 포함하고 있는 이동식 절연진단 및 분석 시스템(Mobile Insulation Diagnosis & Analysing System : MIDAS), 커플링 커패시터(coupling capacitor), 커플링 유니트(coupling unit) 및 부분방전 측정기(partial discharge detector)를 사용하였다. 부분방전 시험은 고압전동기 고정자 권선에 이동식 절연진단 및 분석 시스템(MIDAS, Tettex Instruments, 2880)을 연결하여 전압을 인가하였으며, 커플링 커패시터(Tettex Instruments, 1,000pF)는 권선에서 유입되는 신호를 광대역 매칭 유니트(Broadband Matching Unit, Tettex Instruments 9103)에 보내어 증폭한 후 부분방전 측정기(Robinson, DDX 9101)에 나타내고 있다. 부분방전 측정기의 주파수 대역폭은 30～400kHz 이다. 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 kHz 이며, 외부노이즈는 250 pC 정도로 측정되었다

3. 고압전동기 정격 및 고정자 권선의 구조

3.1. 정격

표 1은 국내에서 1996년 제작되어 27년 동안 운전한 6.6kV급 고압전동기의 정격을 나타내었다. 해당전동기는 실외에 설치되어 기후나 계절별 온도에 영향을 많이 받으며 바닷가에 설치되어 있어 염해에 노출되어 있다는 특징이 있다.

표 1 고압전동기 정격

Table 1 Nominal ratings of HV motor

용량 [kW]	전압 [kV]	전류 [A]	회전수 [RPM]	절연등급	제작년도	제작사
1,300	6.6	188	395	F	1996	국내

그림 1. 고압전동기 현장설치 모습

Fig. 1. On-site installation of high voltage motor

3.2. 고정자 권선의 절연 구조

고압전동기 고정자 권선의 구조는 Form-wound 권선 방식이며, 슬롯(Slot)에 삽입된 권선의 모양은 그림 2와 같이 절연된 평각 동선이 슬롯에 상, 하의 2층 구조로 배치되어 있는 것을 볼 수 있다.

그림 2. 고압전동기 슬롯 샘플 내부 권선 배치 모습

Fig. 2. Internal winding arrangement inside of high-voltage motor slot sample

권선의 종류는 다회권(Multi-turn)으로 되어 있으며 권선의 단면을 확인한 결과 소선(Turn)의 수는 16턴으로 확인되었다. 절연물의 구조는 소선간 절연으로 얇은 마이카테이프를 사용하였으며, 주절연물도 역시 마이카 테이프를 여러 층으로 적층하여 제작하였다.

그림 3. 고압전동기 고정자 권선의 절연 구조

Fig. 3. Insulation structure of high voltage motor stator winding

4. 시험결과 및 고찰

4.1. 졀연진단 시험결과 분석

표 2는 고압전동기 고정자 권선의 슬롯단부에서 접지 사고가 발생하기 1년 6개월 전에 측정한 절연진단 시험결과를 나타내었다. 고압전동기 고정자 권선은 삼상권선을 일괄로 연결하고 외부 전원장치에서 시험전원을 인가하여 시험하였다. 교류전압을 0.95kV에서부터 정격전압 6.6kV까지 점차적으로 증가 시키며 교류전류와 유전정접(Dissipation Factor, tanδ)값을 측정하였다. 교류전류 증가율(△I)과 유전정접 증가율(Δtanδ)은 참고문헌^[4,6]에 의해 계산하였다.

표 2 고정자권선 절연진단 특성

Table 2 Insulation test characteristics of stator winding

설비명	절연 저항[㏁]	성극 지수	△I[%]	△tanδ [%]	3.81kV에서 PD 크기[pC]
고압 전동기	4,020	8.70	1.98	1.31	13,000

표 2에 나타낸 바와 같이 고압전동기 고정자 권선의 절연저항은 4,020㏁으로 양호하고 성극지수도 8.70으로 역시 양호하였다. 6.6kV급 고압전동기의 경우 교류전류(△I)는 정격전압에서 8.5% 이상이면 불량으로 판정하고 유전정접(Δtanδ)은 6.5% 이상이면 불량으로 판정하고 있다^[1,6]. 진단시험 결과 ΔI가 1.98%, Δtanδ가 1.31%로 양호하게 측정되었다. 부분방전 크기는 13,000pC으로 측정되어 요주의로 판정되었다. 부분방전시험 결과의 양부 판정은 일본 전력중앙연구소보고「합성수지 절연 발전기 권선의 절연열화 판정법」(연구보고서:W88046, 1989년 6월)을 참고하였다. 이 보고서에 따르면 6.6kV급 고압전동기의 경우 상전압(3.81kV)에서 10,000pC이하는 양호, 10,000pC초과∼30,000 pC이하는 요주의, 30,000pC 초과는 불량으로 판정하고 있다^[3,4,6].

표 3 고정자 권선의 부분방전 특성

Table 3 Characteristics of insulation diagnostic in HV motor stator windings

설비명	계통 잡음[pC]	방전개시 전압[kV]	3.81kV에서 PD 크기[pC]	4.76kV에서 PD 크기[pC]
고압 전동기	1,500	2.8	13,000	16,000

표 3은 고압전동기 고정자 권선의 부분방전 패턴을 나타내었다. 외부 노이즈는 1,500pC으로 측정되었으며, 외부 노이즈를 기준으로 해서 부분방전 크기가 1,000pC이상으로 나타날 때 전압을 부분방전 개시전압(Partial Discharge Inception Voltage : PDIV)이라 한다. 그러나 외부 노이즈가 1,500pC으로 높게 측정되어 부분방전 크기가 1,000pC 이상으로 나타날 때 전압이 2.8kV로 높게 측정되었다. 상전압(3.81kV)과 상전압의 1.25배(4.76kV)에서 부분방전 크기는 각각 13,000pC, 16,000pC으로 측정되어 요주의로 평가되었으나 심각한 절연열화를 나타내는 값은 아니다^[1-3]. 그림 1에서 나타낸 바와 같이 부분방전 패턴은 상전압과 상전압의 1.25배에서 동일하게 내부방전 패턴을 나타내고 있다.

그림 4. 고정자 권선의 PD 패턴

Fig. 4. PD pattern of stator winding

4.2.1. 보호계전기 동작 분석

그림 5에 나타낸 바와 같이 보호계전기 고장 발생 이벤트(Event)를 확인한 결과 고압전동기 고정자 권선 A상에서 지락이 발생한 것을 확인하였다. 지락전류는 422A이며, A상 고장전류는 480A로 측정되었다. 참고로 지락보호계전기 정정값은 1차측 전류기준 4~20A에 설정이 원칙이며(참고문헌 ANSI C37.96 2.4.5.2) 돌입전류에 의한 계전기 오동작을 방지하기 위해 일정시간 Time delay를 적용한다. 해당전동기 Setting값은 20A, 0.1sec에 정정되어 있는 것을 확인하였다.

그림 5. 고정자 권선 고장 발생시 파형

Fig. 5. Waveform when stator winding failure occurs

아래 그림 6에 나타낸 바와 같이 벡터 파형은 A상에서 지락이 발생했을 때 A, B, C상 모두 지락점을 기준으로 기준전위가 이동하였으며, A상의 사고전류와 비슷한 크기의 지락전류가 중성점에 발생한 것을 확인할 수 있다.

그림 6. 고정자 권선 고장 발생 전과 후 벡터 파형 비교

Fig. 6. Comparison of vector forms before and after stator winding failure

4.2.2. 고정자 권선의 절연파괴 분석

고압전동기 회전자를 분리하고 절연파괴 발생 부분을 조사한 결과 그림 7(a)에서 나타난 바와 같이 실제로 A상 슬롯 단부에서 접지 사고가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 접지 사고 주변에서 다량의 동분 흔적이 확인되지 않았기 때문에 2개의 소선에서 턴단락의 가능성, 주절연물의 절연열화 및 오손에 의한 트래킹 발생 등을 의심할 수 있었다^[7-10]. 고압전동기 고정자 단말권선의 표면에서 부분적으로 오손은 확인되었으나 트래킹 발생 흔적은 찾을 수 없었다^[9]. 그리고 주절연물 에서 절연열화가 진행하여 최종적으로 권선과 철심 사이에서 접지 사고가 발생한 것으로 생각할 수 있지만 앞에서 설명한 바와 같이 절연진단 결과를 분석했을 때 절연저항, 성극지수, 교류전류 및 유전정접은 모두 양호하고 상전압에서 부분방전 크기도 역시 13,000pC으로 측정되어 요주의로 평가됨에 따라 절연열화로 판정하기도 어려운 상황이다. 따라서 정확한 원인을 분석하기 위해 절연파괴된 권선을 절단하여 분석하였다.

그림 7. 고정자 권선 절연파괴 부분

Fig. 7. Insulation breakdown area of stator winding

그림 7(b)에서 나타난 바와 같이 소선절연은 마이카 테이프(Mica Tape)를 사용하였으며, 2개의 소선에서 턴단락이 발생한 것을 확인할 수 있었다^[7,8]. 고압전동기 소선절연은 마이카 테이프를 사용하는 경우 보다 더블 글라스(Double Glass), 글라스파이버 (Glass Fiber) 및 다글라스 (Daglas) 등 유리계열을 사용한 경우에 턴단락이 더 많이 발생하는 것으로 알려져 있지만 이번 사례는 마이카 테이프를 사용한 경우의 턴단락을 보여주고 있다^[7]. 현재 국내 제작사와 재권선 업체들은 모두 소선절연을 마이카 테이프로 제작하고 있다.

4.2.3. 고정자 권선에서 턴 단락에 의한 절연파괴 분석

그림 8에서 나타낸 바와 같이 턴 단락은 소선간의 단락을 말하며, 소선 단락에 의해 생성된 경로로 순환전류가 흐르게 된다. 따라서 턴 단락이 발생하면 정격전류에 비해 수백배 높은 전류가 흘러 온도가 급격하게 증가하여 동도체가 녹으면서 주절연물을 절연파괴 시킨다.

그림 8. 턴 단락 발생시 순환전류 발생 원리

Fig. 8. Principle of circulating current generation when a turn short circuit occurs

5. 결 론

27년 동안 운전한 고압전동기(1,300kW, 6.6kV) 고정자 권선의 슬롯단부에서 운전 중에 접지 사고가 발생하였다. 원인분석을 위하여 IEEE 자료와 국내 논문을 참고 하였으며 국내 논문중 전력연구원에서 30년 이상 고압전동기 절연진단을 시행한 결과들을 활용하였다. 이와 같은 방법으로 고압전동기 고정자 권선 절연파괴의 직접적인 원인을 종합적으로 분석하였으며 아래와 같은 결론을 얻었다.

운전 중인 고압전동기가 사고로 인해 정지함에 따라 먼저 고장 발생 이벤트를 확인한 결과 A상의 고정자 권선에서 지락 사고가 발생한것을 확인할 수 있었다. 고압전동기 회전자를 분리하고 절연파괴 위치를 점검한 결과도 역시 A상 슬롯단부에서 접지 사고를 확인할 수 있었다. 그리고 정확한 사고 원인을 알기 위해 절연파괴된 권선을 분해하여 세밀하게 분석한 결과 2개의 소선에서 턴단락이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 고압전동기 고정자권선 정밀절연진단 결과 양호로 판정된 경우에도 주절연내부 소선의 절연파괴는 발생할 수 있으며 절연파괴가 발생하였을 때에는 주절연 내부의 절연열화, 오손에 의한 트래킹 및 턴단락의 가능성을 종합적으로 분석할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.

턴절연의 불량은 주절연의 불량과 달리 그 증상을 사전에 인지하고 예방하기가 어렵다. 일반적으로 써지시험을 통해 턴단락의 발생여부를 확인할 수 있으며 공진주파수를 인가하여 시험을 시행한다. 턴단락이 발생한 상(Phase)은 정상적인 상(Phase)에 공진파형이 일정량 이동한 것을 확인할 수 있다. 하지만 이는 턴단락이 발생한 경우 확인하는 방법이다. 일반적으로 턴단락은 발생한 순간부터 주절연을 파괴시켜 지락전류가 발생하기까지 시간은 수초에서 수분이 걸리기 때문에 턴단락을 사전에 점검하는 것은 매우 어렵다고 할 수 있다^[11]. 고압전동기 고정자권선의 주기적인 정밀절연진단을 통해 전체적인 절연물의 노후화 진행 정도를 관리하는 방법을 통해 턴절연의 노후도를 가늠해보고 관리하는 노력이 필요할 것으로 생각된다.