KR100339040B1 - 변압기 절연유중의 용존가스 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기 내부의 이상을 조기에 검출하기 위한 절연유중 용존가스 농도 측정에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하자면 특별한 가스추출장치를 사용하지 않고, 300∼500㎖의 내부 체적을 갖는 수납체(이하 수납체라 한다) 내부의 하부로부터 절연유가 유입되어 입체 전체 공간의 70% 정도를 채우고 나머지 상부는 공간으로 남게 하여 절연유중의 가스가 공간에 모아지도록 한다. 상부 공간에 모아진 가스를 가스센서로 검출하여 절연유중 용존가스 농도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 변압기의 상부, 중부 또는 하부에 내부 공간을 갖는 수납체를 부착하고, 수납체의 하부를 변압기에 연결하여 절연유가 유입되도록 하고, 입체 내부의 공간의 기름레벨이 일정 수준보다 높아지는 경우에는 외부로부터 변압기 내부 이상진단과 관계가 없는 가스(예:아르곤)를 주입하여 항상 입체의 상부의 공간 체적이 확보될 수 있도록 하는데 그 특징이 있다.

Description

변압기 절연유중의 용존가스 측정방법 및 장치{Apparatus for Determination of Dissolved Gases in Oil Filled Transformer Using the Upper Space of the Cube and Method Thereof}

본 발명은 변압기에 별도의 가스추출부를 부가적으로 형성하여 변압기의 절연유를 가스추출부에 유입하도록 하여 유입된 절연유의 용존 가스농도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

변압기는 전력공급에 매우 중요한 설비로 돌발적인 사고가 발생하여 전력공급이 중단되면 국민생활과 산업활동에 많은 지장을 초래할 뿐만 아니라 막대한 경제적 손실이 발생하므로 변압기를 보유하고 있는 사업자는 사고를 미연에 예방하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 운전중인 변압기의 내부에 돌발적인 사고로 이어질 수 있는 과열, 아크 또는 부분방전 등의 이상을 조기에 발견하는 방법은 여러가지가 있으나, 그 중에서 절연유중에 포함된 가스의 분석에 의한 방법이 가장 신뢰성이 높아 세계적으로 많이 사용되고 있다. 변압기 내부에서 일어나는 여러 가지 이상에는 열이 동반하여 발생하며, 이 열에 의해서 변압기 내부의 절연유, 절연지 및 프레스보드 등의 절연물이 분해되면서 가스가 생성되어 절연유중에 용해된다. 그러므로 절연유중에 용해되어 있는 가스를 추출하여 가스의 종류와 함량을 분석함으로써 변압기 내부의 이상여부와 이상의 종류를 조기에 진단하는 것이 가능하다. 변압기 내부에 이상의 징후가 나타나면(특정 가스가 기준치를 초과하면) 사전에 내부점검 등 적절한 조처를 취하여 돌발적인 사고를 예방할 수 있다. 절연유중의 가스를 분석하기 위해서는 운전중인 변압기에서 절연유 시료를 채취하여 실험실로 운반하여 가스를 추출한 다음 가스분석기(Gas Chromatography)로 분석하는 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 이러한 실험실적인 분석방법은 시료의 채취, 운반 및 분석에 많은 시간과 인력이 소요되기 때문에 최근에는 현장의 변압기에 자동가스 검출장치를 설치하여 연속적으로 감시하는 방법이 개발되어 사용되고 있다. 절연유중의 가스를 감시하기 위해서는 먼저 절연유로부터 가스를 추출하여야 한다. 자동가스 검출장치에서 가장 많이 사용되는 가스추출 방법으로는 가스투과 멤브레인(막)에 의한 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 그 이유로는 구동부가 없기 때문에 유지, 보수가 용이하고 비용이 적게 들기 때문이다. 멤브레인에 의한 추출방법은 절연유와의 접촉면에 가스만 투과할 수 있는 멤브레인을 설치하여 절연유와 반대쪽에 공간층을 만들어 가스가 모이도록 하여 모인 가스를 가스검출기로 검출하는 방법이다. 그러나 멤브레인에 의한 방법은 멤브레인 재질 및 온도에 따라 투과특성이 다르고 절연유중 가스가 멤브레인을 투과하여 평형을 이루기 까지는 시간이 많이 걸리는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 멤브레인 또는 그 밖의 인위적인 가스추출 방법을 사용하지 않고 변압기의 절연유를 외부로 유출시키어 별도의 수납체에 수납하고, 수납체 하부로부터 유입되어 일정 수준까지만 채워지도록 하고, 상부에는 공간을 남겨 공간층으로 절연유중의 용해가스가 빠져 나오도록 하여 공간층의 가스농도를 측정하므로써 절연유중의 총가스 농도를 측정하는 것이다(액상과 기상에 존재하는 가스는 일정한 평형상태를 이룬다). 또한, 수납체 내의 절연유 레벨이 일정수준을 넘으면 외부로부터 절연유중 가스측정을 방해하지 않는 가스가 유입되어 공간층이 확보되도록 하는 것이다.

도 1은 가스의 종류 및 온도에 따른 k값의 변화를 나타낸 것이다.

도 2는 온도에 따른 멤브레인의 가스 투과율 변화를 나타낸 것이다.

도 3은 절연유중 가스의 멤브레인 투과시간을 나타낸 것이다.

도 4는 현재 사용되고 있는 멤브레인 방식 절연유중 가스 추출 장치를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 절연유중 가스 추출 및 검출 장치의 구성을 나타낸 것이다.

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＞

1: 가스추출부 2: 변압기

3: 발브 4: 가스센서

5: 절연유 6: 멤브레인

7: 레벨감시창 8: 부유장치

9: 가스통 10: 배기발브

11: 레벨센서 12: 연결발브

13: 온도조절기 14: 공간

본 발명은 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이 변압기(2)의 외부에 일정 체적을 갖는 수납체인 가스추출부(1)를 부가 형성하고 가스추출부(1)를 변압기(2)의 본체 하부와 연결하여 가스추출부(1)의 내부공간 70% 정도로 변압기(2)의 절연유(5)가 채워지게 구성하고, 가스추출부(1)의 상부는 빈 공간층이 소정량 유지되도록 하여 공간층으로 절연유(5)중에 용해되어 있는 가스가 빠져 나오도록 하여(액상과 기상간에 평형이 이루어질때까지 빠져 나온다) 절연유(5)중의 가스농도를 가스추출부(1)의 맨위에 형성된 가스센서(4)로 검출하는 방법 및 장치에 관한 것인데, 가스농도를 측정하기 위해서는 가스추출부(1) 상부의 공간체적이 소정량 만큼 확보되어야 하므로 절연유(5) 레벨이 일정수준 이상으로 증가하면 외부로부터 공간 내에 공기, 질소, 알곤 또는 헬륨가스가 유입되도록 하여 소정의 공간 체적이 확보되도록 하여 절연유중의 가스농도를 검출하는 하기 위하여 가스추출부(1)의 외부에 별도의 공기, 질소, 알곤, 또는 헬륨가스가 충진된 가스통(9)을 구비하여 발브(12)가 형성된 관으로 연결하도록 하였다.본 발명은 기체의 용해도를 이용한 가스분석법의 원리를 이용하는 방법으로서

일반적으로 액체에 대한 기체의 용해도는 헨리의 법칙(Henry's Law)에 따른다.

C = kP_gas(1)

이 때 C는 절연유중에 용해되는 가스의 농도, k는 가스의 종류에 의존하는 상수, P_gas는 액체 상부의 공간층에 있는 특정가스의 분압을 나타낸다. 즉 액체로부터 공간층으로 증발하는 기체의 용해속도와 공간층으로부터 액체로 용해되는 속도가 같을 때 공간층의 기체농도와 액체중의 기체농도 사이에 평형상태에 도달하게된다. 가스의 증발속도는 용액 부피당의 분자수에 의존하고, 용해속도는 용액위 즉 공간층에 있는 기체의 단위 부피당의 분자수에 의존한다. 식(1)에서 액체인 절연유중에 이상에 의하여 가스농도(C)가 증가하면 k가 일정값이 될 때까지 절연유에서 가스가 빠져나와 공간층으로 이동하여 가스의 분압(P_gas)이 증가하게 된다(가스농도가 증가한다). 그러므로 공간층에 있는 가스농도와 절연유중의 가스농도 사이에 일정한 관계에 있게 되므로 공간층의 가스농도를 측정하므로써 절연유중에 포함되어 있는 총 가스농도를 알 수 있다. 처음 공간층이 만들어 질 때에는 공간층에는 공기 또는 주입가스 성분 만 존재하므로 절연유중에 존재하고 있는 가스의 분압은 '0'이다. 따라서 절연유중에 용해되어 있는 여러 가지 분해가스는 평형상태에 도달할 때까지 가스포집 공간층으로 빠져 나오게 된다. 이 때 가스포집 공간층의 가스농도는 공간층의 체적에 의해서 달라지므로 공간층의 체적을 일정하게 유지할 필요가 있다. 공간층의 체적은 온도 및 변압기 절연유의 높이에 따라서 달라질 수 있으나, 변압기에서 절연유의 높이는 항상 거의 일정하게 유지되므로 영향이 없고 다만 절연유의 온도변화에 의하여 달라질 수 있으나 운전중인 변압기의 온도변화는 크지 않을 뿐만 아니라, 현장에서 운전중인 변압기의 내부에 이상발생 여부를 확인하기 위해서는 절연유중의 정확한 절대 가스농도보다는 경시적인 상대적 변화추세가 중요하기 때문에 온도변화에 의한 미소한 가스농도 변화는 크게 문제시되지 않는다.

현재 사용되고 있는 멤브레인에 의한 가스추출 장치(도 4)의 원리를 설명하면 다음과 같다. 변압기에 가스추출부(1)를 연결하고 발브(3)을 열면 가스추출부좌측에 절연유(5)가 채춰지게 되며, 절연유중의 용해가스가 가스투과 멤브레인을 반대쪽 공간으로 빠져 나오게 된다. 공간층에 모인 가스농도를 가스센서(4)로 검출하는 방식이다. 액체상으로부터 멤브레인을 통하여 가스가 기체상으로 투과하는 경우 다음과 같은 관계가 성립된다

(2)

여기에서 P : 가스분압

A : 멤브레인 면적(cm²)

C : 액체중의 가스농도(ppm)

k : 정수(cmHg/ppm)

q : 가스투과량(㎖)

t : 투과시간(s)

절연유중 가스가 멤브레인을 통하여 한정된 공간으로 투과하는 경우에 공간 내의 가스농도는 다음 식에 의해서 구할 수 있다.

C_gas= (1.3 x 10⁴kC - C_0gas)(1 - e^-(76HA/Vd) + C_0gas(3)

여기에서 C_gas: 공간 내의 투과가스 농도(ppm)

C_0gas: 공간 내의 초기 가스농도(ppm)

H :투과계수(㎖·cm/cm²·s·cmHg)

V : 공간 용적(cm³)

d : 멤브레인 두께(cm)

즉 공간내의 투과가스 농도는 멤브레인의 종류(H)에 따라 다르고 멤브레인은 시간이 지남에 따라 그 특성이 변하게 된다. 도 1에 투과계수(H)의 온도에 의한 영향을 나타내었으며 온도에 의한 영향이 커서 절연유 온도나 외기온도에 따라서 공간 내의 투과가스농도가 변하게 된다. 뿐만 아니라 도 2에서 보는 바와 같이 절연유중과 공간내의 가스농도가 평형에 도달하는 데에는 많은 시간(100시간 정도)이 걸리게 됨을 알 수 있다.따라서 본 발명에서는 가스추출부(1)내에 유입된 절연유(5)의 온도를 소정의 온도로 일정하게 유지하기 위하여 가스추출부(1)의 내측벽에 온도조절기(13)를 부착형성시키었다.

＜ 적용예 ＞

도 5에 본 발명을 이용한 절연유중 가스추출 및 검출장치의 개략을 나타낸다.

변압기(2)와 연결된 발브(3)을 열고 배기발브(10)을 열면 변압기로부터 절연유(5)가 가스추출부(1)로 유입된다. 가스추출부(1)에는 외부에서 절연유의 유입량을 관찰할 수 있는 레벨감시창(7)을 형성하여 레벨감시창(7)을 통하여 절연유의 레벨이 일정 높이가 되면 배기발브(10)를 잠근다. 곧바로 절연유로부터 가스가 입체 내의 상부 공간층으로 빠져 나와 차게된다(액상과 기상 사이에 평형이 유지될 때까지). 상부 공간층의 가스농도를 가스센서(4)로 검출한다. 그리고 가스추출부(1)에는 유입된 절연유의 높이를 감지하는 레벨센서(11)가 수납되어 있는데, 상기 레벨센서(11)는 절연유의 레벨을 감시하여 절연유 레벨이 높아지면 가스가 충진된 가스통(9)과 연결된 발브(12)를 열어 외부로부터 가스센서가 반응하지 않는 가스를 가스추출부(1)내의 상부측으로 도입하여 항상 일정한 공간체적이 유지되도록 한다. 절연유 레벨이 낮아지는 경우에는 공간체적이 증가하고 압력이 낮아저 절연유로부터 가스가 빠져 나오게 되므로 공간의 가스농도는 일정하게 된다. 가스추출에 멤브레인을 사용하지 않기 때문에 액상과 기상의 가스농도가 평형상태에 도달하는 시간이 짧아(10분 정도) 센서의 응답 시간을 크게 단축시켜 변압기 내부의 이상을 조기에 감지할 수 있다. 또한 가스추출부(1)의 내측에 절연유(5)위에 뜨는 플로우트(8)가 수납형성되는데, 상기 플로우트(8)는 절연유(5)의 레벨이 지나치게 높은 경우 위로 떠올라 가스센서(4) 로 통하는 구멍을 차단하여 절연유가 가스센서(4)에 닿지 않도록 한다.

본 발명은 변압기의 상부, 중부 또는 하부와 연결하여 별도의 가스추출부를 설치하고, 가스추출부의 하부를 변압기에 연결하여 가스추출부의 내부로 절연유가 유입되도록 하면 가스추출부의 상부 공간에 절연유중에 용해되어 있는 가스가 빠져 나와 공간에 모이게 되므로 공간층의 가스농도를 측정하여 절연유중의 총가스 농도를 자동으로 알 수 있게하여 운전중인 변압기 내부에 이상발생 여부를 초기에 알 수 있는 방법 및 장치이므로 그 만큼 유익한 발명이며, 특히 변압기의 이상유무를 현장에서 알게 되므로 매우 편리하며 경제적이라 할 것이다.

Claims (6)

1. 변압기(2) 외부에, 일정 내부 체적을 갖고 변압기(2)의 절연유(5)의 유입을 단속하는 발브(3)가 형성된 관이 변압기(2)와 그 하부측을 연결하여 형성된 것으로, 내부 상부측에 가스센서(4)가 수납 설치되고, 내부의 가스를 외부로 배출하는 배기발브(10)가 형성되며, 유입된 절연유(5)의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도조절기(13)가 내측벽에 부착형성되고, 유입된 절연유(5)위에 뜨는 플로우트(8)가 내부에 수납형성된 가스추출부(1)가 부가적으로 형성된 것을 특징으로 하는 변압기 절연유중의 용존가스 측정장치.
2. 발브(3)와 배기발브(10)을 열어 가스추출부(1)의 하부공간으로 변압기(2)의 절연유(5)가 유입되어 일정 수준까지 차면 배기발브(10)을 닫아, 가스추출부(1)의 상부 공간(14)으로 절연유 용해가스가 빠져 나와 모아지는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 변압기 절연유중의 용존가스 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 가스추출부(1)에는 유입된 절연유의 높이를 감지하는 레벨센서(11)가 수납되고 액체 레벨을 외부에서 육안으로 감시하기 위한 레벨감시창(7)과, 외부에 발브(12)가 형성된 관으로 연결하여 가스가 충진된 가스통(9)을 구비한 것 을 특징으로 하는 변압기 절연유중의 용존가스 측정장치.
4. 제 1항에 있어서, 가스추출부(1) 내부의 절연유(5)의 레벨이 높아지면 플로우트(8)가 상부로 이동하여 가스통로를 막아 가스센서(4)에 절연유가 접촉됨이 방지되는 것을 특징으로 하는 변압기 절연유중의 용존가스 측정장치.
5. 제 3항에 있어서, 가스추출부 내부의 절연유 레벨이 높아지면 레벨센서(11)로부터 신호를 받아 발브(12)가 열려 가스통(9)에서 가스가 주입되면 가스추출부(1)의 내부 상부측에 내부 공간이 확보되도록 하는 것을 특징으로 하는 변압기 절연유중의 용존가스 측정장치.
6. 제 3 항에 있어서, 가스통(9)에 충진된 가스는 공기, Ar, He 또는 N2 가스인 것을 특징으로 하는 변압기 절연유중의 용존가스 측정장치.