1. 서 론

최근 장기사용 초고압 변압기에 설치된 부싱에 의한 고장발생이 증가하는 추세로 그 중 일부는 화재로 진전되는 등 설비피해 발생 가능성이 증대되고 있다. 국내 기준 장기 사용 부싱의 비율은 전체 설비중 약 70% 이상으로 지속적으로 관련 기술에 대한 현장에서의 요구가 증대되고 있는 상황이다. 전력용 변압기 부싱의 경우 전량 해외에서 수입하기 때문에 현재 국내 중전기 제조사의 부싱 운영기술이 없으며, 부싱 절연파괴 발생 시 변압기 전체 화재로 진행되는 등 파급효과가 크기 때문에 이에 대한 진단이 필수적이다^[1].

한전에서 운영 중인 전력용 변압기 부싱은 전사에 약 9,000대가 있으며, 부싱 절연파괴에 의한 고장의 지속발생 및 고장의 재발방지를 위하여 절연유중 가스분석을 시행중에 있다. 하지만, 한전 자체의 부싱 유중가스 관리기준이 없기 때문에 제조사별로 절연유종이 상이한 점을 고려한 관리기준 수립이 필요한 상황이다^[2,3].

한전에서 운용중인 초고압 변압기에 설치된 부싱에는 다양한 제조사의 제품이 적용되어 있으며, 부싱 타입별 내부 사용 절연유와 절연물의 구성비 등 설계 자체가 다를 뿐만 아니라, 이러한 설계 인자들에 대한 자료가 제공되지 않고 있다. 또한 한전의 자체적인 부싱 절연유 관리기준 수립을 위해서는, 운용중인 부싱 5개 제조사(ABB, TRENCH, HAEFELY, NGK, PASSONIVILLA)에 따라서 절연유 종류가 다르기 때문에 절연유종별 가스발생특성을 평가하여 부싱 제조사별 절연유종별 열화특성을 반영한 진단기준이 확보되어야만 설비의 예방진단이 가능할 것으로 보인다^[4].

따라서, 본 연구에서는 운용중인 부싱 주요 제조사에 대한 한전에 축적된 부싱 유중가스분석 데이터베이스, 부싱 내부 해체점검 및 제조사별 열화시험을 바탕으로 고장유형별 주요 분해가스의 발생특성을 평가하였다.

2. 부싱 절연유종별 가속 열화에 따른 가스 발생량 비교

부싱 제조사별 장기사용에 따른 특성변화의 비교 및 성능평가를 위해 절연물의 가속열화 시험을 진행하였다. 가속 열열화에서는 부싱에 사용되는 광유 계열 3종(Nytro 10 XN, Nytro Libra, NTR-11423)와 변압기 본체절연유 1종(광유 1종 4호) 및 알킬벤젠유 절연유 1종을 사용하였고 시료 구성에는 부싱의 실제 구성재료인 알루미늄 박막, 절연지(셀룰로오스계 크래프트지), 구리도체를 일정비율로 적용하였다. 시험용기는 유리재질을 사용하였으며, 발생가스의 누기를 최소화하기 위해 사전 실험에서 밀봉성이 검증된 실리콘 재질의 stopper로 용기 입구를 막은 후 테프론 내막을 지닌 플라스틱 재질의 마개를 체결하였다. 시료의 전처리 방법으로는 절연지를 130℃에서 24시간 동안 탈기한 후 각 시료를 구성하고 진공펌프와 유조를 사용하여 진공 탈기를 수행하였다. 열화를 진행하기 전에 절연유종별로 유중가스 분석결과 분석대상 가연성 가스 모두 검출되지 않았다.

그림 1. 실험 시료 전처리 모습

Fig. 1. Test sample preprocessing

그리고, 부싱 제조사 및 절연유종별로 유중가스 발생특성을 평가하기 위해 열화온도 130℃, 총 열화기간 60일의 시험조건에서 모든 구성 재료가 포함된 복합시료에 대해 가속열화 실험을 진행하였다. 유종 특성 고려한 가속 열화 시험 조건 설정을 위해 유종별 인화점 고려하여 열화 시험 온도는 130℃로 설정하였으며, IEEE Std C57.91의 유입변압기 가속 열화 팩터 식 및 수명 손실률 식 이용하여 수명 손실률 50%에 도달하는 시점을 참고하여 열화 시간을 도출하였다^[5].

그림 2. 가속열화에 따른 절연유종별 가연성 가스 발생비율 비교

Fig. 2. Comparison of combustible gas generation ratio by insulation oil type due to acceleration deterioration

부싱 제조사별 가스 발생 비율을 분석함으로써 열화 정도에 따른 분해가스 발생 패턴에 대한 평가가 가능하고, 실제 운영설비에서 발생한 가스 발생 패턴과 비교를 통해 설비의 열화 진행 정도를 추정할 수 있다. 부싱 제조사별로 열화 기간에 따른 가스 발생량을 살펴보면, 열화조건과 관계 없이 C₂H₂ 가스는 발생하지 않았기 때문에 C₂H₂ 가스를 제외한 가연성 가스에 대해서 특성을 비교하였다. 광유계 절연유에서는 공통적으로 열화 기간 증가에 따라 H₂가 가장 높게 발생하였다. H₂는 광유계 절연유에서 총 가연성가스량 대비 46% ~ 79%의 비율로 발생하였고 이에 비해 합성유인 PASSONIVILLA 절연유에서는 12%의 비율로 낮게 발생하였다. 광유계 절연유에서는 H₂ 다음으로는 CH₄, C₂H₆, C₃H₈ 및 C₂H₄가 많이 발생하였다. 광유계 절연유끼리 비교 시, H₂는 HAEFELY, TRENCH 절연유에서 가장 낮게 발생하며, NGK 절연유 및 본체유(1종 4호)에서 2,000ppm 이상으로 높게 발생하였다. 하지만 합성유인 PASSONIVILLA 절연유에서는 광유계 절연유와 달리 H₂의 발생량이 주요하지 않으며, C₃H₈과 CH₄의 발생 비율이 높게 나타났다. 이를 통해 절연유의 기유 종류에 따라 가스 발생 특성 및 주요 발생가스가 상이함을 알 수 있다.

CH₄는 유종에 관계 없이 총 가연성 가스에 대비 평균 20%비율로 발생하였다. C₂H₄, C₂H₆ 및 C₃H₈은 합성유인 PASSONIVILLA 절연유에서 월등히 많은 비율을 차지하며 H₂가 대부분을 차지하는 광유계 절연유와 달리 C₂H₆이 최다 비율로 발생하였다. 광유계 절연유끼리 비교 시, C₂H₄는 발생률이 서로 비슷하고 C₂H₆과 C₃H₈은 HAEFELY, TRENCH 절연유에서 가장 많이 발생하였다. 이를 통해 전반적으로 4종의 광유끼리는 각 가스에 대해 유사한 발생 특성을 보이며 합성유인 PASSONIVILLA 절연유은 다른 4종의 광유와 가스 발생 특성이 상이함을 알 수 있고, 합성유를 사용하는 PASSONIVILLA 부싱에서는 열화 지표로 특히 C₂H₆과 C₃H₈ 가스를 활용할 수 있다고 판단된다.

3. 한전 유중가스분석 데이터베이스 평가

한전에서는 유입식 부싱의 예방진단을 위해 주기적으로 유중가스분석을 시행하고 있으며, 설비별로 수행된 유중가스분석의 분석결과는 설비정보와 연계된 예방진단시스템에 저장된다. 실제 부싱에서도 열화실험과 동일한 가스발생특성이 나타나는지 알아보기 위하여 전사 부싱 절연유 분석 데이터를 수집하였으며, 구축된 시스템으로부터 19,000여개의 운영 중인 설비의 유중가스 분석데이터를 추출하였다.

데이터 수집 후 분석 설비에 대해 부싱 제조사별로 가스 농도의 분포를 파악하고 발생 농도에 대한 누적 분포를 백분율로 나타내었다. 총 5종(H₂, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆, CH₄)의 가연성 가스에 대하여 평가를 수행하였으며, 운영설비 유중가스 분석데이터의 경우 기존에는 C₃H₈ 가스가 분석항목에 포함되어 있지 않아 데이터 수집이 불가하였기 때문에 데이터 평가에서 제외되었다. 그림 3에서 그림 7은 한전 데이터베이스에서 추출한 부싱 유중가스 분석데이터의 개별가스별 분포를 히스토그램으로 각각 나타낸 것이다. x축에는 가스농도(ppm)을, y축은 누적분포(%)로 구성하였다. 이를 통해 각 부싱 제조사별로 해당 가스에 대한 발생 농도의 분포를 비교할 수 있으며 가스가 고농도에서 높게 분포되어 있는 부싱에서는 해당 가스가 높은 발생 비율을 차지함을 알 수 있다.

그림 3. 운영설비 절연유종별 가연성 가스 발생비율 비교 (H₂)

Fig. 3. Comparison of combustible gas generation ratio by insulation oil type of operating facility (H₂)

전사 부싱 제조사별 절연유 분석 데이터 평가를 통해 가연성 가스별로 발생 비율이 높은 부싱 제조사를 구분할 수 있으며 H₂ 가스의 경우 부싱 제조사 중 ABB 부싱이 가장 높은 비율로 발생하였고, 그 다음 순서는 NGK, HAEFELY/TRENCH, PASSONIVILLA 순서로 높게 나타났다.

그림 4. 본체유 및 부싱 절연유별 가연성 가스 발생비율 비교 (C₂H₂)

Fig. 4. Comparison of combustible gas generation ratio by insulation oil type of operating facility (C₂H₂)

다음으로 C₂H₂에 대해서 비교한 결과, 3종의 광유계 절연유를 사용하는 부싱은 저농도에서 고농도까지 누적 분포가 꾸준히 증가하는 반면, 합성유를 사용하는 PASSONIVILLA 부싱은 32 ppm에서 누적 분포 100%에 도달하였다. 종합하면 부싱 제조사별로 C₂H₂가 고농도에서 높은 비율로 발생하는 순서는 ABB ≥ NGK > HAEFELY, TRENCH > PASSONIVILLA이다. 이로 인해 전기적 아크 방전 및 고온 열화 시 발생하는 C₂H₂ 가스는 합성유를 사용하는 PASSONIVILLA 부싱에서 가장 적은 비율로 발생함을 알 수 있다.

C₂H₄ 가스의 경우는 부싱 제조사 중 유일하게 합성유를 사용하고 있는 PASSONIVILLA 부싱이 가장 높은 비율로 발생하였고, 그 다음 순서는 NGK, HAEFELY/TRENCH, ABB 순서로 높게 나타났다.

그림 5. 본체유 및 부싱 절연유별 가연성 가스 발생비율 비교 (C₂H₄)

Fig. 5. Comparison of combustible gas generation ratio by insulation oil type of operating facility (C₂H₄)

그림 6. 본체유 및 부싱 절연유별 가연성 가스 발생비율 비교 (C₂H₆)

Fig. 6. Comparison of combustible gas generation ratio by insulation oil type of operating facility (C₂H₆)

다음으로 C₂H₆에 대해서 비교한 결과 저농도 구간에서부터 농도 분포가 뚜렷하게 구분된다. 증가 기울기가 PASSONIVILLA 부싱에서 가장 작으며 이는 가스 농도가 다른 부싱 대비 고농도에 많이 분포되어 있음을 의미한다. 또한 200 ppm이상으로 농도가 증가했을 때 나머지 3종의 광유계 절연유를 사용하는 부싱은 누적 분포가 100%에 가까이 도달하는 반면, 합성유를 사용하는 PASSONIVILLA 부싱은 80% ~90%의 누적 분포를 보이며 꾸준하게 증가하는 추세를 보인다. 종합하면 부싱 제조사별로 C₂H₆가 고농도에서 높은 비율로 발생하는 순서는 PASSONIVILLA > NGK > HAEFELY, TRENCH > ABB이다. 이는 광유계 절연유를 사용하는 3종의 부싱은 PASSONIVILLA 부싱 대비 C₂H₆가 저농도 범위에서 발생함을 의미하며, 이와 비교하여 PASSONIVILLA 부싱에서는 C₂H₆가 높은 비율로 발생함을 알 수 있다. 이는 C₂H₆가 광유계 부싱유에서 미미하게 발생하고 합성유에서는 주요하게 발생했던 부싱 가속열화 시험 결과와 유사하다.

CH₄ 가스의 경우는 C₂H₄ 가스와 마찬가지로 PASSONIVILLA 부싱이 가장 높은 비율로 발생하였고, 그 다음 순서는 NGK, HAEFELY/TRENCH, ABB 순서로 높게 나타났다.

전사 부싱 제조사별 절연유 분석 데이터를 종합하면, 가연성 가스별로 발생 비율이 높은 부싱 제조사를 구분할 수 있으며 그 결과는 다음과 같다. H₂ 가스와 C₂H₂ 가스의 경우 부싱 제조사 중 ABB 부싱이 가장 높은 비율로 발생하였고, 그 다음 순서는 NGK, HAEFELY/TRENCH, PASSONIVILLA 순서로 높게 나타났다. C₂H₄, C₂H₆, CH₄ 가스의 경우는 부싱 제조사 중 유일하게 합성유를 사용하고 있는 PASSONIVILLA 부싱이 가장 높은 비율로 발생하였고, 그 다음 순서는 NGK, HAEFELY/TRENCH, ABB 순서로 높게 나타났다.

그림 7. 본체유 및 부싱 절연유별 가연성 가스 발생비율 비교 (CH₄)

Fig. 7. Comparison of combustible gas generation ratio by insulation oil type of operating facility (CH₄)

4. 불량 부싱 해체점검

유입식 부싱 해체점검은 변압기에서 부싱을 분리한 뒤 실시된다. 부싱의 해체 육안점검 절차는 분석용 절연유를 샘플링하고 나머지는 배유한 뒤, 부싱 콘덴서 부분(도체에 감겨진 절연지 부분)의 해체점검을 위해 상부 애관을 깨서 분리한다. 그 다음 부싱 콘덴서 부분의 절연지 샘플링 및 절연지 육안 점검을 위해 부싱의 하부 캡, 하부 애관, 취부 플랜지를 순차적으로 분리한다. 그 다음, 부싱 콘덴서 부분의 절연지 샘플링 및 절연지 육안 점검을 위해 부싱의 상부 헤드를 분리한다. 헤드 분리 작업을 마친 후 콘덴서부의 절연지와 알루미늄 박막을 제거하여 절연지 샘플을 채취하고 절연지를 해체하면서 이상흔적을 검사하고 도체 및 기타 부속품에 대해 이상흔적을 검사하는 순으로 진행한다. 해체점검은 외관 이상유부, 절연지 주름, 절연지의 탄화, 절연지의 왁스화, 절연지 갭 이상 유무를 확인하고, 각 부위에서 관찰되는 특이사항을 체크리스트에 기록하였다.

수행된 해체점검을 통해 절연지층의 밀착 불량, 절연지의 탄화, 시험 탭에서의 누유 등의 다양한 불량 원인을 발견하였다. 부싱의 해체를 통하여 부싱의 내부 구조를 관찰할 수 있었으며, 절연지 해체점검을 통해 절연지 및 알루미늄 박막의 개수를 파악하였다. 또한 절연지를 외측 및 내측으로 구분하여 탄화 위치를 상세하게 확인할 수 있었으며, 샘플링한 절연유로 유중가스분석을 실시하여 부분 방전과 같은 부싱의 열화 원인을 파악하였다^[6].

그림 8. 유입식 부싱 해체 육안점검 결과

Fig. 8. Results of visual inspection of bushing dismantling

그림 9. 유입식 부싱 해체점검 체크리스트

Fig. 9. Inspection checklist of bushing dismantling

이와 같이 수행되어진 해체점검 데이터들을 수집하여 그림 9와 같이 해체점검 결과 체크리스트를 작성하였다. 체크리스트에 포함되는 내역은 설비정보, 해체점검 일시, 유중가스분석 데이터 및 분석일자, 점검결과 불량내역, 불량사진 등이다.

5. 분해가스 생성요인 평가 및 부싱 진단 프로세스 검토

부싱 내부 해체점검 결과 및 제조사별 열화시험 분석데이터를 바탕으로 고장유형별 주요 분해가스의 발생특성을 반영하여 분해가스 생성요인에 따른 개별가스별 상관관계를 평가하였다. 해체점검시 발견되 고장원인을 바탕으로 방전열화와 열열화로 이상유형을 구분하였고, 제조사별 열화시험에서 취득한 분해가스 데이터는 열열화로 분류하여 각각의 개별가스에 대하여 IEC에서 고장유형 분류시 활용하는 가스 조합을 적용하여 상관관계가 높은 조합을 평가하였다^[3]. 평가 결과 C₂H₄ 가스와 C₂H₆ 가스의 가스분포를 활용한 경우가 분해가스 생성요인별 경계가 뚜렷하게 나타났기 때문에 진단에 활용할 수 있을 것으로 판단하였다.

그림 10. 분해가스 생성요인에 따른 가스분포

Fig. 10. Inspection checklist of bushing dismantling

C₂H₄ 가스와 C₂H₆ 가스의 가스분포를 활용한 열열화 및 방전열화의 분해가스 생성요인을 판정하기 위한 수식은 표 3과 같다.

그리고, 부싱 주요 제조사에 대한 한전에 축적된 부싱 유중가스분석 데이터베이스, 부싱 내부 해체점검 및 제조사별 열화시험을 바탕으로 부싱 제조사별 분해가스 진단기준 수립 시 적용가능한 진단 프로세스를 검토하였다. 진단 방법을 통한 판정은 가스별 정상기준치 비교를 통해 이상등급(정상/이상)을 판단한 후에 이상으로 진단된 경우에 분해가스 생성요인(방전열화/열열화) 판정 수식을 적용하여 이상 유형을 검출하는 형태로 동작하는 것으로 세부적인 진단방법은 표 4와 같다.

표 4 진단방법의 진단 흐름도

Table 4 Diagnostic flowchart of diagnostic method

진단 수행시 개별 설비의 설비정보 및 유중가스 분석 데이터를 활용하여 이상 수준을 판정하는 이상등급과 고장유형의 진단이 가능한 이상유형의 확인이 가능하다. 표 5은 진단결과에 따른 이상등급 및 이상유형에 대한 설명을 나타내었다.

6. 결 론

변압기 부싱의 제조사별 절연유종이 상이하여 진단에 어려움이 있기 때문에, 본 연구에서는 한전에서 운영 중인 설비의 현장에서 축적된 절연유 분석데이터, 부싱 내부 해체점검 및 제조사별 열화시험을 통해 부싱 제조사별 절연유 분해가스 발생특성을 평가하였다. 또한 열화요인에 따른 개별가스별 상관관계를 평가하여 분해가스 생성요인에 따른 판정수식을 도출하고 부싱 절연유 분해가스 진단 프로세스를 검토하였다. 상기의 연구내용을 바탕으로 부싱 제조사별 특성에 맞는 관리기준을 수립하여 현장에서의 변압기 유지관리 업무에 적용할 예정으로, 초고압 변압기에 적용된 다양한 제조사별 부싱의 이상수준 및 고장유형 판정이 가능하므로 내부 이상상태를 쉽게 모니터링 할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 부싱의 열화상태를 초기에 정확하게 진단하고, 고장유형 분석을 통한 사고예방 및 설비유지보수 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대한다.