1. 서 론

20～24 kV급 발전기 고정자 권선은 레진 리치(Resin Rich) 마이카 테이프를 사용하여 제작하며, 주절연물(Groundwall Insulation)의 두께가 편측(Single Side)으로 대략 4.8～5.7mm 범위를 유지하고 있다. 신규로 제작한 발전기 고정자 권선의 주절연물의 두께가 두꺼워서 내부에는 미세한 박리(Delamination)가 많이 존재하기 때문에 2～3년 운전한 발전기 고정자 권선에 비해 오히려 부분방전 크기가 높게 측정되는 경향이 있다. 실제로 발전기가 운전하면 높은 전류가 흘러 온도가 증가하여 미세한 박리는 오히려 운전 연수가 증가함에 따라 점차적으로 감소한다. 특히, 부분방전 크기는 대략 3년 정도 운전하면 가장 낮게 감소했다가 다시 절연열화가 진행됨에 따라 점차적으로 증가한다. 부분방전은 주절연물 내부의 국부적인 결함 혹은 작은 보이드(Void)에서 주로 발생하며, 향후 절연파괴 가능성을 예측하는 핵심 지표로 사용하고 있다. 그러나 교류전류 증가율(△I)과 유전정접 증가율(Δtanδ)은 절연열화가 어느 정도 진행되어 전체적인 특성이 변할 때 비로소 수치 변화가 명확하게 나타나기 때문에 10년 이상 발전기를 운전하는 동안 그 크기가 계속적으로 감소하다가 주절연물 내부에서 절연열화가 개시되면 다시 점차적으로 증가하는 경향을 보이고 있다^[1].

장기간 운전 중인 발전기 고정자 권선은 열적, 전기적, 기계적 및 환경적 영향으로 주절연물 내부의 보이드 생성, 슬롯내부에서 주절연물 표면 마모, 슬롯 단부(Slot-End)에서 도전성 테이프(Outer Corona Protection : OCP) 손상, 상간 방전(Phase-to-Phase Discharge), 냉각수 누수 및 고정자 철심(Core) 사이의 절연손상으로 인한 국부적 과열 등에 의해 최종적으로 절연파괴가 발생한다^[2～5]. 운전 중인 발전기 고정자 권선의 갑작스런 절연파괴 사고는 전력공급의 신뢰성을 저하시키고 단시간에 복구가 곤란하기 때문에 경제적인 손실이 매우 크게 된다. 따라서 일본, 한국 및 캐나다 등에서 발전기 고정자 권선의 절연열화를 예측하기 위해 정지 중(Off-Line)과 운전 중(On-Line)에 진단 시험을 통해 건전성을 평가하고 있다^[6～8].

정지 중에 발전기 고정자 권선의 열화 상태, 잔여 수명 및 교체 주기를 예측하기 위해 주로 절연진단 시험을 수행하고 있다. 절연진단 시험항목은 절연저항, 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 등을 포함하며, 측정데이터를 종합적으로 분석하여 절연열화 정도와 정비 여부를 판정하고 있다. 일본은 발전기 제작사에서 만든 절연열화 판정기준을 사용하고 있으며^{[6, 9],} 최근 국내에서도 발전기 고정자 권선의 절연열화 판정기준을 정립하는 연구를 진행하였다^{[10, 11]}.

본 연구에서는 23년 이상 동안 운전된 증기터빈(Steam Turbine, S/T) 발전기(374 MVA, 20 kV) 고정자 권선의 절연열화 상태를 평가하기 위해 정지 중에 절연진단 시험을 수행하였다. 절연진단 시험을 통해 교류전류, 유전정접 및 부분방전 크기 등을 2011년부터 2026년까지 15년 동안 계획예방정비공사를 진행할 때마다 6회 측정한 결과를 근거로 트렌드를 상세하게 분석하였다.

2. 시험방법

본 논문은 화력발전소에서 23년 이상 동안 운전하고 있는 20 kV S/T 발전기 고정자 권선의 정지 중 절연진단 시험을 2011년 9월부터 2026년 5월까지 6회 동안 수행하였다. 교류전압을 인가하기 전에 발전기 고정자 권선에서 상별로 직류 5 kV를 인가하면서 절연저항과 성극지수(Automatic Insulation Tester, AVO International)를 측정하였다. 그림 1은 발전기 고정자 권선에서 부분방전 크기와 패턴을 측정하기 위한 회로도를 나타내었다.

그림 1. 발전기 고정자 권선의 부분방전 측정 회로도

Fig. 1. Measurement circuit diagram of partial discharge in generator stator windings

발전기 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 공진인덕터(Resonating Inductor, Type 5285)로 구성되어 있다. 발전기 고정자 권선에 쉐링브리지(Tettex Instruments)를 연결하여 교류전압을 인가하였으며, 커플링 커패시터(Tettex Instruments, 4,000 pF)는 권선에서 유입되는 신호를 커플링 유니트(Coupling Unit, Tettex Instruments AKV 572)에 보내어 증폭한 후 부분방전 측정기에서 방전크기와 패턴을 분석하였다. 부분방전 측정기의 주파수 대역폭은 40～400 kHz 이다

3. 시험결과 및 고찰

표 1은 화력발전소에서 23년 이상 동안 사용된 S/T 발전기(374 MVA, 20 kV) 정격을 나타내었다.

표 2에서 나타낸 바와 같이 S/T 발전기 고정자 권선의 열화 정도, 절연상태 변화 및 트렌드를 관리하기 위해 운전 연수가 8년 2개월(2011년 9월)부터 23년 2개월(2026년 5월)까지 대략 15년 동안 정기적인 계획예방정비공사 기간 중에 절연진단 시험을 수행하였다. 15년 동안 S/T 발전기 고정자 권선의 절연저항은 100MΩ 이상 및 성극지수는 2.0 이상으로 양호하게 측정되었다. 발전기 고정자 권선에 교류전압을 인가했을 때 흐르는 교류전류의 변화를 통해 주절연물의 전체적인 흡습과 오염 상태를 확인할 수 있다. 주절연물의 상태가 건전할 때는 전압과 전류가 선형적으로 비례하지만, 장기간 운전으로 내부 보이드가 발생하면 특정 전압 이상에서 급격한 증가점이 나타난다. 이와 같은 두 번째 전류 급증점이 정격전압보다 낮게 나타나면 절연파괴 위험이 매우 높아진 상태로 판단한다.

S/T 발전기 중성점을 분리하고 상별로 교류전압을 1 kV부터 상전압의 1.25배인 14.4 kV까지 증가하면서 교류전류와 유전정접의 변화를 측정한 데이터를 근거로 교류전류 증가율(△I)와 유전정접 증가율(Δtanδ)을 계산하였다^{[6, 11]}. 표 2에 나타낸 바와 같이 상전압의 1.25배(14.4 kV)에서 A, B, C상의 △I는 각각 0.65～0.91%, 0.59～0.90%, 0.58～0.96%이며, 20 kV 발전기의 경우 상전압의 1.25배인 14.4 kV에서 △I는 5% 이하이면 양호로 판정하고 있으며^[2], △I가 0.58～0.96%로 측정되어 양호하게 판정되었다.

그림 2는 발전기 ΔI의 트렌드를 나타내었으며, 운전 연수가 14년 5개월(2017년 2월)까지 감소했다가 다시 서서히 증가하는 추세를 나타내고 있다. 주절연물 표면이 오손 되거나 혹은 주절연물 내부에 박리, 크랙(Crack) 및 보이드 등과 같은 결함이 생기면 전류 급증 전압이 낮아지기 때문에 상대적으로 △I는 증가한다. 따라서 14년 5개월 정도 운전한 후에 발전기 고정자 권선에서 △I의 수치 변화가 증가함에 따라 결함 발생에 의한 절연열화가 서서히 개시되고 있음을 확인할 수 있었다.

그림 2. S/T 발전기 ΔI의 트렌드

Fig. 2. ΔI trend of S/T generator

표 2에서 나타낸 바와 같이 발전기 A, B, C상의 Δtanδ는 각각 0.47～0.57%, 0.47～0.56%, 0.45～0.55%이며, 20 kV 발전기의 경우 상전압의 1.25배인 14.4 kV에서 Δtanδ는 2.5% 이하이면 양호로 판정하고 있으며^[6], Δtanδ는 0.45～0.57%로 측정되어 양호하게 판정되었다. Δtanδ 값이 기준치를 초과하면 절연성능이 크게 떨어진 상태이기 때문에 절연 보강이나 재권선 여부를 판정해야 한다.

그림 3은 발전기 Δtanδ의 트렌드를 나타내었으며, 운전 연수가 16년 4개월(2019년 3월)까지 감소하다가 다시 서서히 증가하기 시작하여 운전 연수가 23년 2개월(2026년 5월)까지 증가하는 트렌드를 나타내고 있다. 따라서 16년 4개월 정도 운전한 후에 발전기 고정자 권선에서 Δtanδ의 수치 변화가 증가함에 따라 주절연물 표면이 오손 되거나 혹은 주절연물 내부에 박리, 크랙 및 보이드 등과 같은 결함 발생에 의해 절연열화가 서서히 개시되고 있음을 확인할 수 있었다.

그림 3. S/T 발전기에서 Δtanδ의 트렌드

Fig. 3. Δtanδ trend of S/T generator

이상적으로 완전한 주절연물은 순수하게 용량성 전류만 흐르지만, 실제 주절연물은 완벽하지 않기 때문에 저항성 전류가 동시에 흘러서 유전정접(tanδ)은 용량성 전류와 저항성 전류의 위상차를 나타내는 값이다. 유전정접 크기가 상승하면 주절연물 내부의 저항성 성분이 커져서 손실열이 더 많이 발생한다. 발전기는 장기간 운전하면, 열적, 전기적, 기계적 및 환경적인 복합열화로 인해 주절연물의 표면 오손, 흡습 및 내부에 보이드가 생성됨에 따라 저항성 성분이 증가해서 전력 손실이 커져 tanδ 값이 상승한다. 따라서 tanδ 값은 주절연물 내부의 전체적인 열화와 종합적인 노화 정도를 나타내는 가장 대표적인 지표이다.

그림 4는 S/T 발전기 중성점을 분리하고 상별로 교류전압을 1 kV부터 상전압의 1.25배인 14.4 kV까지 증가하면서 tanδ의 변화를 측정하였다. 운전 연수가 8년 2개월(2011년 9월)부터 20년 4개월(2023년 3월)까지 유전정접의 크기가 점차적으로 감소하다가 23년 2개월(2026년 5월)이 지나면서 다시 증가하고 있다. 2023년 3월 이후부터 발전기가 20년 이상 운전됨에 따라 절연열화가 개시되어 주절연물 내부에서 저항성 전류가 증가하고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 특성은 발전기 고정자 바에서 가속열화 시험을 수행할 때 열화 시간이 증가할수록 유전정접 크기가 점차적으로 증가하는 유형과 일치하고 있다^[12]. 따라서 실제 발전기 고정자 권선의 주절연물 내부에서 유전정접의 크기가 서서히 증가하는 추세를 나타냄에 따라 절연열화 진행이 시작된 것을 확인할 수 있었다.

그림 4. S/T 발전기 tanδ-전압 특성

Fig. 4. Characteristics of tanδ-voltage in S/T generator

표 3은 운전 연수가 8년 2개월(2011년 9월)부터 23년 2개월(2026년 5월)까지 15년 동안 정기적인 계획예방정비공사 중에 S/T 발전기 고정자 권선을 상별로 분리하여 A, B, C상에 상전압(11.6 kV)을 인가하면서 부분방전 크기를 측정하여 나타내었다. 발전기 고정자 권선에서 부분방전 크기가 전년 대비 2～3배 이상 급증하거나 수만 pC 이상으로 상승하면, 조만간에 국부적 절연파괴가 발생하여 정지할 수 있다.

부분방전은 주절연물 전체가 아닌 국부적인 결함(보이드, 균열 및 박리)에서 발생하는 미세한 방전 현상이며, 부분방전 자체가 직접적으로 절연파괴에 영향을 미치지 않고 단지 결함이 있다는 징후를 나타내 준다. 예를 들어 주절연물이 열적 열화에 의해 보이드가 생성되면 그 결함의 크기에 비례하여 부분방전 크기로 나타나며, 부분방전이 발생해서 보이드의 크기가 커지는게 아니라 계속적으로 열적 열화가 진행하여 보이드가 커져서 부분방전 크기가 증가한다. 부분방전 크기가 지속적으로 증가하면 열적 열화가 원인이 되어 주절연물 내부의 보이드 크기가 커져서 최종적으로 절연파괴가 발생한다. 따라서 부분방전 크기와 패턴은 주절연물 내부 결함의 존재와 열화 진행을 직접적으로 민감하게 나타내 주는 지표이다.

그림 5는 부분방전 크기의 트렌드를 나타내었으며, 운전 연수가 20년 4개월(2023년 3월)까지는 A, B, C상의 부분방전 크기가 모두 서서히 증가하고 양호하지만 운전 연수가 23년 2개월(2026년 5월)에 A상은 37,200 pC으로 요주의, B, C상은 각각 14,200 pC, 19,800 pC으로 양호하게 분석되었다. 따라서 운전 연수가 20년 4개월(2023년 3월)에 비해 23년 2개월(2026년 5월)에는 A, B, C상의 부분방전 크기가 각각 3.1배, 1.2배, 1.7배로 증가하였으며, A상은 차기계획예방정비공사를 수행할 때 세밀한 점검이 필요하다.

그림 5. S/T 발전기에서 부분방전의 트렌드

Fig. 5. PD trend of S/T generator

S/T 발전기는 상전압인 11.6 kV에서 A, B, C상의 부분방전 크기가 각각 5,200∼37,200 pC, 5,400∼14,200 pC, 5,800∼19,800 pC으로 측정되었다. 상전압인 11.6 kV에서 부분방전 크기가 30,000 pC 이하는 양호하고 30,000 pC 이상∼50,000 pC 이하는 요주의 및 50,000 pC 이상은 불량으로 판정하고 있다. 따라서 S/T 발전기 고정자 권선은 상전압(11.6 kV)에서 부분방전 크기는 A상은 요주의. B, C상 은 양호하게 판정되었다. 표 2와 표 3에 나타낸 바와 같이 S/T 발전기 고정자 권선은 상전압의 1.25배인 14.4 kV에서 계산한 △I와 Δtanδ는 A, B, C상 모두 양호하고 부분방전 크기는 A상은 요주의, B, C상은 양호하게 판정되었다. 부분방전 패턴 분석은 단순히 방전이 크다는 의미를 넘어서 발전기가 언제 혹은 어떻게 사고가 날 것인가를 예측하는 지표를 나타내 주고 있다. 특히, 슬롯방전이나 도체표면에서 방전의 패턴이 분석된다면 발전기 고정자 권선의 주절연물 수명이 한계에 도달했다는 강력한 경고를 나타내기 때문에 불시 정지를 예방하기 위해 즉각적인 정비 계획을 수립해야 한다.

그림 6(a), (b), (c)에서 나타낸 바와 같이 S/T 발전기는 정지 중에 상전압(11.6 kV)까지 교류전압을 증가하면서 운전 연수가 20년 4개월(2023년 3월)과 23년 2개월(2026년 5월)에 부분방전 크기와 패턴을 측정하였다. 그림 6 (a)에서 A상의 부분방전 크기는 2023년 3월 12,110 pC에서 2026년 5월 37,200 pC으로 3.1배 증가하고 부분방전 패턴은 주절연물 내부에서 간헐적 아크방전을 나타내었다. 그리고 그림 6(b), (c)에서 B상의 부분방전 크기는 2023년 3월 11,520 pC에서 2026년 5월 14,200 pC으로 1.2배 증가하고 C상의 부분방전 크기는 2023년 3월 11,917 pC에서 2026년 5월 19,800 pC으로 1.7배 증가하였으며, B, C상의 부분방전 패턴은 발전기 고정자 권선의 주절연재료 내부에 보이드가 존재하는 내부방전(Internal Discharge)을 나타내었다^{[14, 15]}. 따라서 발전기 고정자 권선의 주절연물 상태를 분석한 결과 A, B, C상의 부분방전 크기는 요주의와 양호하게 평가되어 정상적인 운전에 문제가 없는 것으로 판정되었다.

그림 6. 발전기 고정자 권선의 부분방전 크기 및 패턴

Fig. 6. PD magnitudes and patterns of the stator windings in generator

16년 4개월(2019년 3월) 동안 발전기를 운전하고 수행한 절연진단 시험과 정비이력을 검토한 결과 A상은 아크방전으로 인해 부분방전 크기가 최대 177,649～191,525 pC으로 높게 측정되었다. 부분방전 발생 위치를 찾기 위해 A상 단자에 교류전압 11.6 kV을 인가하고 세부적으로 점검한 결과 TE측(Turbine End Side) 단말권선 연결부 54번, 55번, 56번 부위에서 방전음이 확인되었다. 정확하게 아크방전이 발생하고 있는 단말권선 연결부를 찾기 위해 코로나 프로브(Corona Probe)를 이용해 점검한 결과 54번으로 확정되었다. 54번 단말권선 연결부 내부에서 아크방전이 발생하는 것으로 확인되어 절연물을 제거한 결과 발전기 고정자 권선을 제작할 때 설치되었던 온도검출용 RTD(Resistance Temperature Detector) 신호선이 동도체에서 분리되어 있었다. RTD 신호선이 동도체와 분리되면 아크방전이 발생하여 부분방전 크기가 177,649～191,525 pC으로 측정되었으며, 동도체와 연결시키면 부분방전 크기가 8,123 pC으로 감소하였다^[16]. 54번 단말권선 연결부에서 RTD 신호선을 연결시키고 절연물을 원상 복구하는 정비작업을 마친 후에 부분방전 크기는 8,123 pC이며, 방전 패턴은 내부방전을 나타내었다. 16년 4개월(2019년 3월) 동안 발전기를 운전하고 부분방전 크기가 급증하여 결함 발생 부분에서 정비작업을 마치고 7년 정도 운전함에 따라 정비한 위치에서 다시 간헐적 아크방전이 발생하고 있는 것으로 예측되었다. 따라서 차기 계획예방정비공사 기간에 정밀 절연진단 시험과 부분방전 크기의 증가 원인을 확인할 필요가 있다.

4. 결 론

23년 이상 동안 운전한 S/T 발전기(374 MVA, 20 kV) 고정자 권선에서 정지 중에 절연진단 시험을 시행한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.

(1) S/T 발전기 고정자 권선에서 상전압의 1.25배(14.4 kV)에서 A, B, C상의 △I는 각각 0.65～0.91%, 0.59～0.90%, 0.58～0.96%이며, Δtanδ도 각각 0.47～0.57%, 0.47～0.56%, 0.45～0.55%로 측정되어 둘 다 양호하게 평가되었다. 발전기를 14년 5개월(2017년 2월) 동안 운전할 때까지 ΔI의 트렌드는 감소했다가 다시 서서히 증가하는 추세이며, Δtanδ의 트렌드도 16년 4개월(2019년 3월)까지 감소하다가 다시 서서히 증가하기 시작하여 23년 2개월(2026년 5월)까지 계속적으로 증가하였다. tanδ의 트렌드 변화를 분석한 결과 8년 2개월(2011년 9월)부터 20년 4개월(2023년 3월)까지 크기가 점차적으로 감소하다가 23년 2개월(2026년 5월)에 다시 증가하였다. 따라서 ΔI, Δtanδ 및 tanδ의 트렌드를 종합적으로 분석한 결과 14∼20년 정도 운전된 후에 발전기 고정자 권선의 주절연물 내부에 서 전체적으로 미세한 보이드와 같은 결함이 생성됨에 따라 절연열화 진행이 개시되고 있었다.

(2) S/T 발전기는 11.6 kV에서 A, B, C상의 PD 크기가 각각 5,200∼37,200 pC, 5,400∼14,200 pC, 5,800∼19,800 pC으로 측정되었다. PD 크기의 트렌드 변화를 확인한 결과 운전 연수가 8년 2개월(2011년 9월)부터 20년 4개월(2023년 3월)까지는 3상의 PD 크기가 서서히 증가하고 모두 양호하지만 23년 2개월(2026년 5월)이 지나면서 A상은 37,200 pC으로 요주의, B, C상은 각각 14,200 pC, 19,800 pC으로 양호하게 분석되었다. A상의 PD 패턴은 주절연물 내부에서 간헐적 아크방전이며, B, C상은 주절연재료 내부에 보이드가 존재하는 내부방전을 나타내었다. 따라서 S/T 발전기 고정자 권선에서 tanδ, PD 트렌드 변화 및 PD 패턴을 분석한 결과 23년 2개월(2026년 5월)에 다시 증가하고 있는 추이가 상호 일치함에 따라 절연열화가 서서히 진행하고 있음을 다시 확인할 수 있었다.