KR100342421B1 - 변압기의 이상 감시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스센서에 항상 충분한 산소가 공급되어 해당되는 가스의 농도를 정확히 측정할 수 있으므로, 변압기의 이상유무를 장기간에 걸쳐 정확하게 검사 또는 감시할 수 있는 변압기 이상 감시장치를 제공한다.

그 감시장치는 변압기(10)의 내부로부터 밸브(12)를 통해 가스를 추출하며 가스투과막(16)에 의해 절연유 유입실(18) 과 가스포집실(20)로 구획되는 가스추출부(14)와, 상기 가스추출부(14)의 가스포집실(20)과 연통하고 가스투과막(26)에 의해 가스유입실(28) 과 기준전극(32), 작용전극(34) 및 대전극(36)이 내설된 전해액 수용실(30)로 구획되는 전기화학적 가스센서(22)를 구비하며, 가스센서(22)의 일측에는 전해액 수용실(30)에 산소가 공급될 수 있도록 공기인입포트(38)가 천공되며, 공기인입포트(38)는 공기가 통과할 수 있는 공기투과부재(40)에 의해 차폐되어 구성된다.

Description

변압기의 이상 감시장치{DEVICE FOR MONITORING FAULT OF TRANSFORMER}

본 발명은 운전중인 변압기 내부의 가스를 검사하여 변압기의 이상 유무를 감시하기 위한 변압기 이상 감시장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변압기 절연유중에 용해되어 있는 가스(수소, 메탄, 에탄, 에칠렌, 아세칠렌, 일산화탄소 등)의 농도를 전기화학 가스센서를 이용하여 검출하고, 특히, 절연유중의 용해가스를 가스투막과을 이용하여 추출하고 전기화학 가스센서를 이용하여 센서에 반응하는 가스의 총농도를 검출하여 변압기 내부의 이상을 진단하기 위한 변압기 이상 감시장치에 관한 것이다.

일반적으로, 변압기는 전력공급을 위한 매우 중요한 설비이므로, 전력공급업자는 돌발적인 사고로 인해 전력공급이 중단되어 국민생활 및 산업활동에 많은 지장을 초래하거나 막대한 경제적 손실이 발생하지 않도록 많은 노력을 기울이고 있다.

한편, 변압기는 고전압, 고자계, 고진동하에서 운전되기 때문에 내부에서 조임부의 이완, 누설전류 또는 절연불량에 의한 과열, 아크 및 부분방전 등의 이상이 발생하기 쉽다. 그리고, 이 같은 이상에 동반하여 발생하는 고열에 의해 변압기 내부의 절연유, 절연지 및 프레스보드 등의 절연재가 분해되어 다양한 종류의 가스가 발생하며, 이와 같이 발생된 가스는 다시 절연유중에 용해된다. 이에 따라, 절연유중에 용해되어 있는 가스를 추출하여 가스의 종류와 농도를 검출하면 운전중인 변압기 내부에 이상의 발생여부를 검사하거나 이를 감시할 수 있는 것이다.

예컨대, 변압기 내부에 부분방전과 같은 이상이 발생하면 수소(H2)가 발생되고, 절연유가 과열되면 에칠렌(C2H4)이 발생되며, 절연재가 과열되면 탄산가스(CO2) 또는 일산화탄소(CO)가 발생되며, 아크방전시에는 아세칠렌(C2H2)가스가 발생하므로, 이 같은 발생가스의 종류에 의해 변압기의 이상의 유형을 감지해 내거나 감시할 수 있는 것이다. 또한, 발생되는 가스의 농도에 따라서 이상의 경중을 판단하여 적절하게 대처할 수 있다. 이에 따라, 전력사업자나 사설변압기 보유자는 변압기 절연유중의 용존가스 기준치를 설정하고 주기적 또는 연속적으로 가스농도를 감시하여 이상의 초기에 이를 감지하여 예컨대, 운전을 중지하고 변압기 내부를 점검하여 이상부위를 수리하는 바와 같은 방식으로 돌발적인 사고를 미연에 방지할 수 있는 것이다.

이와 같은 변압기 절연유중의 가스농도를 분석하는 방법에는 다양한 방식이 이용되고 있다. 이 중 가장 일반적인 방식으로서, 변압기에서 직접 절연유 시료를 채취하여 실험실로 운반하여 가스를 추출한 다음 가스분석기(Gas Chromatography)로 분석하는 방법이 있다. 그러나, 이 같은 방식은 정확성은 높지만, 시료의 채취, 운반 및 분석에 많은 시간과 인력이 소요되는 문제점 때문에 최근에는 사용이 제한되고 있는 추세에 있다.

이에 따라, 최근에는 현장의 변압기에 절연유중의 가스를 자동으로 검출할 수 있는 장치를 변압기에 직접 설치하여 예컨대, 수소와 같은 특정가스의 농도를 연속적으로 감시하는 방법이 널리 사용되고 있다. 이와 같은 방식에 있어서, 절연유중의 용해가스 농도를 자동적으로 검출하기 위해서는 먼저 용해가스를 가스투과막, 피스톤 또는 진공 등을 사용하여 추출한 다음 가스분석기 또는 가스센서로 그농도를 검출하고 있다. 그러나, 피스톤이나 진공에 의한 추출방식과 가스분석기에 의한 검출방식은 유지보수가 어렵기 때문에 가스투과막과 가스센서를 이용한 검출방식이 주로 사용되고 있다. 이와 같은 가스센서에는 반도체방식, 전기화학방식, 접촉연소방식 등 여러 가지가 있으나, 반도체방식은 가스소모량이 많고, 접촉연소방식은 모든 가연성 가스에 반응하기 때문에 이들은 모두 변압기 감시장치에 부적합한 반면, 전기화학방식은 가스소모가 적고 일부 가스에만 반응하기 때문에 적합하다.

이와 같이 전기화학적 가스센서를 사용하는 변압기 이상 감시장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 변압기(1)의 내부로부터 밸브(2)를 통해 가스를 추출하는 가스추출부(3)를 포함한다. 그 가스추출부(3)는 대체로 내측 중앙에는 절연유로부터 가스만을 통과시키는 가스투과막(4)이 설치되어 있다. 이와 같이, 가스추출부(3)의 내측에 가스투과막(4)이 내설됨으로써, 그 가스추출부(3)의 내부에는 밸브(2)와 연통하여 절연유를 수집하는 절연유 유입실(5)과 그 절연유 유입실(5)로부터 가스투과막(4)을 통과하는 가스를 수집하기 위한 가스포집실(6)이 형성된다. 또한, 가스추출부(3)의 가스포집실(6)의 일측에는 그 가스포집실(6)에 포집된 가스를 검사하기 위한 화학적 가스센서(7)가 설치되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가스센서(7)의 일측에는 가스추출부(3)의 포집실(6)과 연통하여 가스를 흡입할 수 있는 가스유입공(7a)이 천공되어 있다. 또한, 가스센서(7)의 내측에도 가스투과막(7b)이 설치되어 있어 다시한번 추출가스만을 통과시킨다. 또한, 가스센서(7)의 내부에는 실제적으로 전류를 이용하여 가스의농도를 검출할 수 있는 다수의 전극이 설치되어 있다. 즉, 가스센서(7)의 내측에는 일정한 기준 전위를 갖는 기준전극(8a)과, 검출 대상가스를 산화시키기 위한 작용전극(8b)과, 산소에 전자를 인가시켜 환원시키는 대전극(8c)이 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 변압기 이상 감시장치의 작동에 의하면, 밸브(2)를 통해 변압기(1)의 내부로부터 가스추출부(3)의 절연유 유입실(5)로 유입된 절연유에서 발생된 가스는 가스투과막(4)을 통해 가스포집실(6)에 수집된다. 이와 같이 수집된 가스는 가스센서(7)의 가스유입공(7a)을 통해 내부로 유입된 후 다시 가스투과막(7b)을 통과하여 전해액 수용실(7c)에 포집된다.

이와 같이, 전해액 수용실(7c)에 포집된 가스중 검출대상가스는 작용전극(8b)에 의해 산화되어 전자가 방출되며, 대전극(8c)에 의해 다시 전자가 인가되어 환원되며, 이때 발생하는 전류의 크기를 측정함으로써 가스의 농도를 검출하는 것이다. 이와 같은 전기화학적 가스센서는 반드시 산소의 존재하에서만 작동하며, 적어도 발생가스중에 산소가 1% 이상 포함되어 있어야 한다.

그러나, 종래의 전기화학적 가스센스의 가스검사실은 완전하게 밀폐되거나 폐쇄되어 있으므로 산소가 충분하게 존재하지 않게 되거나 또는 공급되지 않으므로 감지센서가 정확하게 작동되지 않는 문제점이 있다.

또한, 가스센서내에 전해액이 보존되지 않으므로써 가스센서가 장기간에 걸쳐 안정적으로 작동할 수 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기화학적 가스센서에 산소를 충분히 공급하여 가스의 농도를 정확히 측정할 수 있는 변압기 이상 감시장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 가스센서내에 전해액이 외부로 증발됨이 없이 안정적으로 보존되어 밀폐상태에서도 가스센서가 정상적으로 작동할 수 있는 변압기 이상 감시장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 변압기 이상 감시장치의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.

도 2는 도 1의 감시장치에 적용된 가스센서의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 변압기 이상 감시장치의 구성을 보여주는 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 변압기 이상 감시장치에 적용되는 전기화학 가스센서를 상세히 보여주는 확대단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10: 변압기 12: 밸브

14: 가스추출부 16: 가스투과막

18: 절연유 유입실 20: 가스포집실

22: 가스센서 24: 가스유입공

26: 가스투과막 28: 가스유입실

30: 전해액 수용실 32: 기준전극

34: 작용전극 36: 대전극

38: 공기인입포트 40: 공기투과부재

이 같은 목적들은 변압기 내부에 충전된 절연유에 내포되거나 그 절연유에서 발생되는 가스를 검출하여 변압기의 이상 유무를 감시하기 위한 장치로서, 변압기의 내부로부터 밸브를 통해 가스를 추출하며 가스투과막에 의해 절연유 유입실과 가스포집실로 구획되는 가스추출부와, 상기 가스추출부의 가스포집실과 연통하고 가스투과막에 의해 가스유입실과 기준전극, 작용전극 및 대전극이 내설된 전해액 수용실로 구획되는 전기화학적 가스센서를 구비하는 변압기 이상 감시장치에 있어서, 상기 가스센서의 일측에는 상기 전해액 수용실에 산소가 공급될 수 있도록 공기인입포트가 천공되며, 상기 공기인입포트는 공기가 통과할 수 있는 공기투과부재에 의해 차폐되는 것을 특징으로 하는 변압기 이상 감시장치에 의해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변압기 이상 감시장치를 첨부도면을 참조로하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변압기 이상 감시장치의 전체적인 구성을 보여주는 단면도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명에 따른 변압기 이상 감시장치에 적용되는 전기화학 가스센서를 상세히 보여주는 확대단면도가 도시되어 있다.

먼저 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 변압기 이상 감시장치는 기본적으로 변압기(10)의 내부로부터 밸브(12)를 통해 가스를 추출하는 가스추출부(14)를 포함한다. 그 가스추출부(14)의 내측 중앙에는 가스투과막(16)이 설치되어 있다. 가스추출부(14)에 가스투과막(16)이 내설됨으로써, 그 가스추출부(14)의 내부는 밸브(12)와 연통하여절연유를 수집하는 절연유 유입실(18)과 그 절연유 유입실(18)로부터 가스투과막(16)을 통과하는 가스를 수집하는 가스포집실(20)이 형성되는 것이다. 또한, 가스추출부(14)의 가스포집실(20)의 일측에는 그 가스포집실(20)에 포집된 가스를 검사하기 위한 전기화학적 가스센서(22)가 설치된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 가스센서(22)의 일측에는 상기 가스추출부(14)의 가스포집실(20)과 연통하여 가스를 흡입할 수 있는 가스유입공(24)이 천공된다. 또한, 가스센서(22)의 내측에도 가스투과막(26)이 설치된다. 이와 같이 가스센서(22)의 내부에 가스투과막(26)이 설치됨으로써, 그 가스센서(22)의 내부는 가스투과막(26)에 의해 가스유입실(28)과, 그 가스유입실(28)로부터 가스투과막(26)을 통해 유입되는 가스가 포획되며 전해액이 수용되는 전해액 수용실(30)로 구획된다. 또한, 가스센서(22)의 전해액 수용실(30)에는 기본적으로 전류를 이용하여 가스의 농도를 검출할 수 있는 다수의 전극이 설치된다. 즉, 전해액 수용실(30)의 내부에는 일정한 기준전위를 갖는 기준전극(32)과, 검출 대상가스를 산화시키기 위한 작용전극(34)과, 산소에 전자를 인가시켜 환원시키는 대전극(36)이 설치된다.

특히, 본발명에 따른 변압기 이상 감시장치의 가스센서(22)는 그 가스센서에 산소가 충분하게 공급되어 정상적으로 작동할 수 있도록 구성된다. 즉, 가스센서(22)의 타측에는 전해액 수용실(30)과 연통하는 공기 인입포트(38)가 천공된다. 또한, 가스센서(22)의 일측에는 그 공기인입포트(38)를 차폐하는 공기 투과부재(40)가 설치되는 것이 바람직하다. 공기투과부재(40)는 공기인입포트(38)를 통해 전해액 수용실(30)로 산소를 공급할 수 있도록 공기 또는 산소를 투과시킬 수 있는 반면, 전해액 수용실(30)에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 않도록 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 상술된 바와 같이 구성된 변압기 이상 감시장치의 작동 및 그 작용모드에 대해 상세히 설명한다.

예컨대, 절연재의 과열을 검출 또는 감시해낼 수 있도록 이산화탄소의 농도를 측정하는 경우, 밸브(12)를 통해 변압기(10)의 내부로부터 가스추출부(14)의 절연유 유입실(18)로 유입된 절연유에서 발생된 가스, 즉, 일산화탄소는 가스투과막(16)을 통해 가스포집실(20)에 수집된다. 한편, 가스포집실의 가스농도는 일정시간이 지나면 절연유중의 가스농도와 평형을 이루게 된다, 이와 같이 가스포집실(20)에 수집된 가스는 가스센서(22)의 가스유입공(24)을 통해 내부로 유입된 후 다시 가스투과막(26)을 통과하여 전해액 수용실(30)에 포집된다.

이와 같이, 전해액 수용실(30)에 포집된 가스중 검출대상가스인 일산화탄소는 그 전해액 수용실(30)에서 전해액중으로 확산되어 작용전극(34)에 이르게 되면,

CO + H2O → CO2 + 2H⁺+ e^­

와 같은 반응이 일어나고, 대전극(36)에서는

¹/₂O₂+ 2H⁺+ 2e^-→ H₂O

와 같은 반응이 일어나며, 전체적으로

CO +¹/₂O → CO₂

와 같은 반응이 일어나 작용전극(34)과 대전극(36)사이에 전류가 흐르게 된다. 이 때의 전류량은 가스농도에 비례하게 되며 이에 따라 가스농도를 측정할 수 있는 것이다. 여기서, 기준전극(32)은 작용전극(34)의 전위가 일정하게 유지되게 한다.

특히, 상술된 바와 같은 반응에 필요한 산소는 가스센서(22)의 타측면에 설치된 공기투과부재(40)를 지나 공기인입포트(38)를 통해 전해액수용실(30)내로 공급된다.

이에 따라 검출을 원하는 시료가스의 반응이 장기간에 걸쳐 항상 정상적이고 안정적으로 취해질 수 있으며, 결과적으로 해당 가스의 농도를 정확하게 측정함으로써 변압기의 이상여부를 검사 또는 감시할 수 있는 것이다.

한편, 상술된 실시예에서는 검출할 시료대상 가스로서 일산화탄소를 예로들어 설명하였지만, 본 기술분야의 당업자라면 일산화탄소 이외에, 수소, 메탄, 에탄, 아세칠렌, 에칠렌 등 다양한 종류의 가스 중 하나 이상을 선택하여 그 농도를 검출할 수 있으므로, 변압기의 내부에서 발생될 수 있는 이상을 검사 또는 감시할수 있는 것이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 변압기 이상 감시장치에 의하면, 항상 충분한 산소가 가스센서에 공급되어 해당되는 가스의 농도를 정확히 측정할 수 있으므로, 변압기의 이상유무를 장기간에 걸쳐 정확하게 검사 또는 감시할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전해액의 외부로의 유출이 완전하게 방지됨으로써 산소가 극히 희박하거나 전혀 없는 곳에서도 장기간에 걸쳐 안정적으로 동작할 수 있는 장점이 있다.

더욱이, 전기화학 가스센서는 종류에 따라서 한가지 종류의 가스만이 아니고 여러 가지 종류의 가스에 반응하기 때문에 변압기 내부의 이상유무를 확인하는데 필요한 다양한 종류의 가스를 동시에 검출할 수 있으므로 제품성 및 신뢰성이 향상되는 이점이 있는 것이다.

이상에서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자들이라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (1)

1. 변압기 내부에 충전된 절연유에 내포되거나 그 절연유에서 발생되는 가스를 검출하여 변압기의 이상 유무를 감시하기 위한 장치로서, 변압기(10)의 내부로부터 밸브(12)를 통해 가스를 추출하며 가스투과막(16)에 의해 절연유 유입실(18) 과 가스포집실(20)로 구획되는 가스추출부(14)와, 상기 가스추출부(14)의 가스포집실(20)과 연통하고 가스투과막(26)에 의해 가스유입실(28) 과 기준전극(32), 작용전극(34) 및 대전극(36)이 내설된 전해액 수용실(30)로 구획되는 전기화학적 가스센서(22)를 구비하는 변압기 이상 감시장치에 있어서,

   상기 가스센서(22)의 일측에는, 상기 전해액 수용실(30)에 산소가 공급될 수 있도록 공기인입포트(38)가 천공되며, 상기 공기인입포트(38)는 공기가 통과할 수 있는 공기투과부재(40)에 의해 차폐되는 것을 특징으로 하는 변압기 이상 감시장치.