1. 서 론

변압기는 전력계통 설비의 핵심으로 안정적 전력 공급을 위해 정기적인 유지보수로 신뢰성을 확보해야 한다. 그러나 변압기 설치, 가압 후 장기간 운전이 지속되면 자연적 열화 과정 및 노후화로 인한 절연 문제가 발생할 수 있다. 절연 문제가 발생하면 변압기의 고장 뿐만 아니라 전력계통으로의 문제로 이어지고, 이러한 상황에 대비하기 위해 적기에 점검 및 유지보수를 시행하여야 한다.

변압기의 절연 진단과 유지보수 최적화를 위한 연구는 다양한 접근으로 이루어져 왔다. IEEE에서는 전력설비의 현장 진단을 위한 가이드라인을 제시하여 역률 및 유전손실을 주요 지표로 활용하도록 하였으며^[1], EPRI에서는 발전소 전기설비 reference를 통해 변압기 절연특성 평가 방법을 제안하였다^[2]. 한국전력공사는 변전설비 예방진단 가이드북을 발간하여 전력용 변압기 및 부싱을 포함한 주요 설비의 상태 진단 체계를 마련하였으며^[3], 최근에는 부싱 절연지 중합도 평가 결과를 토대로 열화상태를 정량적으로 분석하는 연구를 수행하였다^[4]. 또한, 참고문헌 ^[5]에서는 전력용 변압기의 절연열화 진단 방법과 실제 사례를 분석하여, 유전손실 측정과 유중가스 분석을 결합한 새로운 판정 기준의 필요성을 강조하였고, 참고문헌 ^[6]에서는 유중가스 분석을 기반으로 열화 인덱스와 가중치를 산정하는 방법을 제안하여 진단 신뢰성 향상 방안을 제시하였으며, 참고문헌 ^[7]에서는 변압기 부싱에 대한 예방진단 기법으로 온라인 누설전류 감시, 절연열화 측정, 절연유 가스분석, 절연지 중합도 평가를 종합적으로 활용하여 부싱 고장을 사전에 예방할 수 있음을 실증하였다.

이러한 선행 연구들은 절연 성능, 유전손실, 유중가스 분석, 부싱 누설전류 감시 등 다양한 진단 방법을 통해 변압기 열화와 고장을 사전에 탐지하려는 시도를 보여주고 있으며, 상태 기반 유지보수 기법의 발전에 중요한 기초를 제공하고 있다.

기존의 변압기를 취급하는 기업들의 점검 및 유지보수 방식은 각기 다르고 주기도 서로 동일하지 않으며 변압기의 상태와 무관하게 규정에 따라 점검하는 경우가 흔하다. 이로 인해 유지보수 비용이 과다 청구되거나 적기에 점검이 이루어지지 않아 고장 예방이 쉽지만은 않다. 변압기의 상태에 따른 적절한 점검을 할 필요가 있으며, 유중가스 분석을 통하여 열화 과정에서 나타나는 가스를 분석하여 변압기의 열화 진행 정도를 파악할 수 있다.

따라서, 본 논문에서는 변압기 상태에 따른 효율적인 변압기 유지보수 방안에 대하여 연구하며, 절연유 유중가스 분석을 통한 점검 주기를 제안하고 현행 점검 방식과 비교하여 점검 주기 및 비용절감 효과에 대하여 분석한다.

2. 본 론

2.4 점검 기준

국내 전력 설비 운영 기관의 설치 8년 이내 신규 변압기 40대의 CO 수치와 CO2 수치를 조사하고 수치의 증가를 예측한 자료는 그림 1, 그림 2와 같다.

40대 변압기를 조사하여 통계한 결과 CO 수치가 800 ppm을 처음 넘어선 시점이 4년 후였고 그 이후 4년 뒤 1,200 ppm을 처음 초과한다. CO 수치가 1,200 ppm을 초과한 시점부터는 CO₂ 값도 함께 고려하여, CO₂가 5,000 ppm 이상일 때를 정밀 점검 주기로 결정한다.

CO₂ 수치는 약 11년 후 5,000 ppm을 넘어서는 것으로 확인이 된다. 이 시점 이후에는 정밀 점검을 시행하고 한국전력 공사의 점검 주기대로 유지한다. 단, 전년도에 이미 점검을 시행한 경우에는 시험 항목만 진행한다.

그림 1. 변압기 40대의 CO 수치 추세

Fig. 1. CO trend in 40 transformers

그림 2. 변압기 40대의 CO2 수치 추세

Fig. 2. CO2 trend in 40 transformers

3. 사례연구

점검 기준은 4가지의 case로 구성하였으며 CO, CO₂를 활용한 기준은 같으나 보통 점검, 정밀 점검 배치를 서로 다르게 하여 각 점검 주기 및 비용을 분석한다. 다만, 운전 경과 년수가 25~30년인 변압기의 교체 계획을 고려하여 본 연구에서는 30년을 기준으로 점검 비용을 계산한다. 4가지 종류의 점검 방안을 정리하면 표 6과 같다.

표 6의 파란색은 보통 점검을 검은색은 정밀 점검을 의미하고, “점검”은 절연 성능 및 열화에 관련된 시험을 제외한 보통 점검이나 정밀 점검을 “시험”은 절연 성능 및 열화에 관련된 시험만을 의미한다. 네 가지의 방안 모두 공통적으로 11년 이후의 변압기는 기존 주기대로 점검이 진행된다. CO 및 CO₂의 수치 분석에 따른 값이다. 이는 case 1, case 2에서는 전년도에 점검을 진행 한 경우에는 시험만 진행한다는 기준으로 인하여 조건이 다르지만 점검 주기가 동일한 것으로 확인된다. Case 3에서는 요주의 시 정밀점검을 시행하고 추적 관찰 단계에서는 전년도 보통 점검을 시행하여 시험만 단독 진행하였다. 실제 설비에 적용시 반복적인 점검 제외로 인해 적기에 점검이 불가한 경우가 발생할 수 있다. Case 4에서는 보통 점검 후 바로 정밀 점검에 들어가면서 불필요한 점검이나 중복 점검 가능성이 있다. 따라서 case 1이나 case 2의 경우 적절한 점검 분배와 비용 절감 측면에서 가장 효율적인 방안으로 판단된다. 실제 설비에 적용할 경우 반복 점검으로 인한 불필요한 점검을 방지하면서 변압기 상태에 따른 적기 점검이 가능하다.

기존 점검 방식은 한국전력공사 유지보수 기준을 참고하였으며 30년 기준으로 3년에 1회 보통 점검, 9년에 1회 정밀 점검을 바탕으로 345kV 변압기 1상 점검 노무비를 산출하면 표 3과 같다.

30년 동안 동일한 점검 방식을 적용한다면 변압기 1상당 약 2억원의 비용이 소요되며, 3상을 적용하고 재료비, 간접 노무비, 경비와 같은 부가적인 요소까지 같이 포함하면 약 5배 수준으로 비용이 증가할 것으로 추정된다. 대부분 기업에서의 점검 주기는 변압기의 환경과 상태를 반영하지 않은 고정 주기의 방식이라 필요 이상의 점검이 이루어질 가능성이 있다. 유중 가스 분석 같은 변압기의 열화 상태를 확인하여 상태 기반으로 주기를 최적화한다면 점검의 효율성 향상에 기여할 수 있다.

표 6 점검 방안 정리

Table 6 Summary of Inspection Plan

본 연구에서 제시하는 case 1에서는 한국지역난방공사의 변압기 절연유 관리 기준과 그림 1, 2의 분석값을 참고한다. CO 수치가 800 ppm을 초과할 경우에는 보통 점검을 진행하며, 추적 분석 수치인 1,200 ppm을 초과할 경우 CO₂ 수치도 같이 관찰하여 5,000 ppm에 도달하면 보통 점검을 한번 더 진행한다. 그 이후에는 기존 점검 주기대로 진행하며, 30년 기준 345kV 변압기 1상 점검을 위한 case 1의 노무비 비용은 표 8과 같다.

표 8에 의하면 case 1은, 약 1억 9천만원 정도가 소요되고 분석 결과 기존 방식 대비 약 6% 비용 절감 효과를 확인할 수 있다. 이처럼 상태 기반 점검을 적용하면 불필요한 점검을 줄여 비용을 절감할 수 있으며 상태 기반으로 점검을 하는 것이기에 변압기의 수명 연장이나 고장 예방에도 기여할 수 있다. 점검 주기나 비용의 경우 변압기의 상태 및 환경에 따라 변동이 가능하다.

Case 2의 경우, CO 수치가 800 ppm을 초과할 경우에는 보통 점검을 진행하고 추적 분석 수치인 1,200 ppm을 초과할 경우 CO₂ 수치도 같이 관찰하여 5000 ppm에 도달하면 정밀 점검을 진행한다. 그 이후에는 기존 점검 주기대로 진행하며, 표 9은 30년 기준 345kV 변압기 1상 점검에 대한 case 2의 노무비에 대한 비용이다.

표 9에 의하면 case 2는, 약 1억 9천만원 정도가 소요되고, 분석 결과 기존 방식 대비 약 6% 비용 절감 효과를 확인할 수 있다. 표 8의 case 1과 비교하면 점검 조건은 서로 다르지만 실제 점검 주기가 서로 동일하여 같은 비용이 산출되었음을 확인할 수 있다.

Case 3의 경우, CO 수치가 800 ppm을 초과할 경우에는 정밀 점검을 진행하며 추적 분석 수치인 1,200 ppm을 초과할 경우 CO₂ 수치도 같이 관찰하여 5,000 ppm에 도달하면 보통 점검을 진행한다. 그 이후에는 기존 점검 주기대로 진행한다. 표 10는 30년 기준 345kV 변압기 1상 점검에 대한 case 3의 노무비에 대한 비용이다.

표 10에 의하면 case 3은, 약 1억 8천만원 정도가 소요된다. 분석 결과 기존 방식 대비 약 7% 비용 절감 효과를 확인할 수 있다. case 1이나 case 2와 비교하면 금액이 비슷한데 이는 시험 포함 점검 횟수는 동일하나 case 1이나 case 2에서는 단독 시험 진행을 1회 추가했기 때문이며, 약간의 차이는 있으나 총 비용은 비슷하다.

Case 4의 경우 CO 수치가 800 ppm을 초과할 경우에는 정밀 점검을 진행하며 추적 분석 수치인 1,200 ppm을 초과할 경우 CO₂ 수치도 같이 관찰하여 5,000 ppm에 도달하면 정밀 점검을 진행한다. 그 이후에는 기존 점검 주기대로 진행한다. 표 11은 30년 기준 345kV 변압기 1상 점검에 대한 노무비에 대한 비용이다.

표 11에 의하면 case 4는 약 2억 3천만원 정도가 소요되고, 분석 결과 기존 방식 대비 약 17% 비용이 증가한다. 정밀 점검의 빈도가 늘어나고 점검 주기가 겹쳐 반복되는 점검이나 불필요한 점검이 있을 수 있기에 비용 증가도 예상이 되지만, 고장 예방이나 설비 관리에는 효과적이다.

본 논문에서는 변압기 유중가스 분석 중 일산화탄소, 이산화탄소 가스 분석 결과에 따른 기준을 세워 점검 방법 및 주기에 대하여 분석하였다. Case 1, 2에서는 조건이 서로 다르지만, 모의 결과 기존 case 대비 점검 비용을 6% 절감할 수 있다. Case 3의 경우 기존 case 대비 점검 비용을 7% 절감할 수 있다. Case 4의 경우 정밀 점검 비중이 상대적으로 높아서 기존 case 대비 점검 비용이 18% 증가한 것을 확인할 수 있다. Case 4에서는 보통 점검 후 곧바로 정밀 점검에 들어가며 점검 항목이 겹치는 경우가 발생하였는데, 이에 따라 중복 점검 및 불필요한 점검의 가능성이 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 변압기 유중가스 분석 중 CO, CO₂ 가스를 중심으로 점검 기준을 수립하고 이에 따른 비용 및 주기를 분석하였다. 사례연구 결과, 보통 점검을 먼저 시행하는 경우 기존 사례 대비 점검비용 절감 효과가 있었고, 정밀 점검을 시행하는 경우 비용은 증가하였으나 잦은 설비 점검과 내부 점검으로 설비 고장 예방에 효과적일 것으로 예상된다. 본 연구는 특정 사례를 중심으로 분석하였기 때문에 운영 환경이나 상태에 따라 데이터가 달라질 수 있으므로, 향후 연구에는 20년 이상 장기 운전 변압기의 데이터와 다양한 가스 성분을 분석하여 적절한 점검 항목 분배 및 변압기 상태를 판단할 수 있는 명확한 기준을 세워서 보다 세분화된 점검 주기 최적화 분석이 필요하다. 급격한 가스 변화를 중심으로 변압기 상태 변화를 감지하여 향후 점검 주기를 최적화하는 것이 목적이며 효율성과 변압기 상태 신뢰성을 높여 안정적인 전력 확보에 기여하고자 한다.