KR102124787B1 - 전력설비의 상태기반 분석방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력설비에 가해지는 외부 스트레스 요소와 내부의 스트렝스 요소를 통해 위험도를 평가하여 정확한 수명 예측과 더불어 사고를 미연에 방지하도록 한 전력설비의 상태기반 분석방법에 관한 것으로서, 전력설비에 가해지는 스트레스 요소를 측정하는 단계; 상기 전력설비 내부의 스트렝스 요소를 분석하는 단계; 상기 측정된 스트레스 요소와 분석된 스트렝스 요소를 전달받아 상기 전력설비에 대한 위험도를 판단하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

전력설비의 상태기반 분석방법{method for analyzing condition Based Risk of power equipment}

본 발명은 전력설비의 상태기반 분석방법에 관한 것으로서, 특히 전력설비의 정확한 상태기반을 분석하여 사고를 미연에 방지하도록 한 전력설비의 상태기반 분석방법에 관한 것이다.

산업이 발달함에 따라 산업체나 일반 가정에서 전기에 대한 의존도가 날로 증가하고 있으며, 또한 전력설비의 대형화, 밀집화, 다기능화로 전력설비의 고장으로 인한 전기사고 발생 시에는 그 경제·산업적 피해가 막대하다.

특히, 반도체와 같이 산업체의 생산 설비에 공급되는 전력의 품질이 생산하는 제품의 성능이나 불량률에 영향을 크게 미치는 고정밀 산업에 있어서는 전력설비의 자그마한 고장까지도 막대한 손실을 가져올 수 있기 때문에 전력설비의 신뢰성이 크게 요구되고 있는 실정이다.

그러나 기존 유지보수 방법은 설비의 상태에 관계없이 스케줄에 따라 유지보수를 행함으로써 비용적인 측면에서도 비효율적이었으며, 설비 고장 예방에도 한계가 많았었다.

상기 전력설비 중 하나인 변압기에서 고장이 발생하면 막대한 사회적, 경제적 손실을 초래할 수 있으므로, 전력계통의 신뢰성을 유지하면서 변압기를 한계수명까지 사용하여야 한다.

경제의 발전에 따라 설치한 변압기의 운전년수가 30년을 초과하는것이 증가하고 있어, 변압기의 노후화에 따른 고장 발생우려가 커지고 있으므로, 이러한 변압기는 적정한 시기에 교체할 필요가 있다. 특히 변압기를 너무 빨리 교체하게 되면 교체비용이 증가하게 되며, 너무 늦게 교체하게 되면 사고의 위험성이 증가하게 된다.

일반적으로 변압기는 주위온도 25℃에서 정격부하로 연속 사용하면 핫스팟 온도가 95℃가 되고, 이렇게 운전할 경우 절연지는 30년의 수명이 기대된다고 알려져 있다. 그러나 실제 운전중인 변압기는 정격부하로 연속적으로 운전되지 않으므로, 핫스팟 온도가 95℃로 일정하지만은 않다. 따라서 절연지의 정확한 수명 평가를 위해서는 운전 조건에 따른 핫스팟 온도가 적용되어야 한다. 또한 변압기 수명은 절연지의 수명손실뿐만 아니라, 권선에서의 부분방전 발생여부나 기계적 왜형 등 변압기의 위험도를 고려하여야 하며, 탭 절환장치나 부싱과 같은 변압기 부속품의 위험도를 고려하여 종합적으로 판단하여야 한다.

그러나, 현재까지 변압기의 운전조건에 따른 수명손실을 평가하는 방법이나 변압기의 위험도나 부속품의 위험도를 고려하여 종합적으로 판단하는 수명 평가 방법이 제시되지 않아, 변압기의 변압기 운전년수가 30년을 경과하여도 교체되지 않고 사고가 발생할 때까지 운전되고 있어 변압기의 사고 위험성이 증가하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 전력설비에 가해지는 외부 스트레스 요소와 내부의 스트렝스(strength) 요소를 통해 위험도를 평가하여 정확한 수명 예측과 더불어 사고를 미연에 방지하도록 한 전력설비의 상태기반 분석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법은 전력설비에 가해지는 스트레스 요소를 측정하는 단계; 상기 전력설비 내부의 스트렝스 요소를 분석하는 단계; 상기 측정된 스트레스 요소와 분석된 스트렝스 요소를 전달받아 상기 전력설비에 대한 위험도를 판단하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 전력설비에 가해지는 외부 스트레스 요소와 내부의 스트렝스(strength) 요소를 통해 전체적인 위험도를 평가하여 정확한 수명 예측과 더불어 사고를 미연에 방지할 수 있다.

둘째, 전력설비의 위험도나 부속품의 위험도를 고려하여 종합적으로 전력설비의 수명을 평가하여 전력설비의 내부상태를 파악하고 외부에 가해지는 스트레스 요소에 효과적으로 대응함으로써 사고가 발생하기 전에 전력설비를 교체할 수 있어 교체 비용을 절감함과 함께 사고예방에 따른 추가비용을 절감할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법에서 전력설비의 상태기반을 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법을 개략적으로 나타낸 순서도

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일 실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 왼쪽은 전력설비의 스트렝스를 나타내고 오른쪽으로 전력설비에 가해지는 스트레스를 나타내고 있다.

상기 전력설비의 스트렝스(strength) 상태가 양호한 경우에 외부의 스트레스(stress)가 강하게 가해지더라도 상기 전력설비의 상태를 안전하게 운전할 수가 있지만, 반대로 스트렝스 상태가 약할 경우에는 약하게 가해지는 스트레스에도 전력설비가 고장날 우려가 높다.

즉, 신체가 건강한 사람에게 어른의 강한 펀치가 가해지더라도 견딜 수가 있지만, 반대가 신체가 약한 사람에게는 아이의 펀치가 가해지더라도 쓰러질 수가 있다.

따라서 전력설비에 대한 외적 요소와 내적 요소를 통해 정확한 상태기반을 분석하여 위험도를 진단할 수 있다.

도 2에서와 같이, 전력설비의 스트렝스를 파악하기 위해 전력설비에 대한 열화정도를 측정 즉, 전력설비의 열화진단 펙터를 측정하여 외부에서 가해지는 스트레스에 대해 보다 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.

예를 들면, 변압기는 운전 중 온도, 습도, 산소 등에 의해 절연물이 열화되었다가 단락, 지락, 진동 등의 기계력에 의해 열화된 절연물이 물리적으로 파괴되는 메커니즘을 가지고 있다. 따라서 변압기의 수명은 절연물의 열화 정도에 따라 결정된다고 볼 수 있다.

따라서, 전력설비의 위험도를 평가하기 위해 전력설비의 상태를 진단할 수 있는 각종 진단, 시험 데이터를 이용할 뿐만 아니라, 하나의 진단이나 시험 데이터로는 신뢰성을 보장할 수 없기 때문에, 본 발명에서는 여러 가지 진단이나 시험 데이터들을 종합하여 전력설비의 위험도를 평가한다.

이때 상기 전력설비의 위험도는 전력설비 내부 및 외부, 장해실적, 및 변전소의 중요도로 구분하여 평가한다. 전력설비 내부에 대해서는 절연지, 권선, 철심, 절연유 등의 상태를 평가하고, 전력설비 외부에 대해서는 탭 절환장치, 부싱, 탱크, 피뢰기, 냉각펌프, 냉각 팬 등의 상태를 평가한다.

또한, 장해실적은 전력설비에 서지가 침입한 실적과 사고가 발생한 실적 등을 포함하고, 이러한 장해실적을 전력설비의 위험도 평가에 반영한다. 또한, 전력설비가 설치된 변전소가 기간계통 변전소인지, 배전용 변전소인지에 따라, 즉, 변전소의 중요도에 따라 변압기의 중요도가 다르므로, 이 또한 변압기 위험도 평가에 반영한다.

변압기 위험도를 평가하기 위한 변압기 내부에 대한 평가 방법은 다음과 같다. 절연지의 위험도는 부하에 따른 핫스팟 온도에 의한 절연지의 수명손실을 계산하여 잔여수명을 추정하고, 인장강도, 평균중합도, 푸르푸랄(Furfural), 가스분석 등을 측정하여 평가한다. 권선의 위험도는 권선저항, 부분방전, 절연저항, 임피던스, 여자전류, 역률(Power Factor), FRA, 변압비, IR 등을 이용하여 평가한다. 철심의 위험도는 절연저항을 측정하여 평가한다. 절연유의 위험도는 가스분석, 절연파괴전압, 수분, 파티클, 계면장력, 산도, 역률, 유전체 강도, 색깔 등을 이용하여 평가한다.

변압기 위험도를 평가하기 위한 변압기 외부에 대한 평가 방법은 다음과 같다. 탭 절환장치의 위험도는 탭 체인저 접점의 열화상태와 OFU의 절연유 시험 등을 이용하여 평가한다. 부싱의 위험도는 파워팩터, 적외선 열화상, 커패시턴스 등을 이용하여 평가한다. 탱크의 위험도는 부식정도 및 적외선 열화상 등으로 평가한다. 피뢰기의 위험도는 피뢰소자의 누설전류 및 애관의 상태 등을 이용하여 평가한다. 냉각펌프 및 냉각 팬의 위험도는 펌프 및 팬의 모터상태를 평가한다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 전력설비 중 변압기를 하나의 예시로 설명하고 있지만 이에 한정하지 않고 수배전반, 발전기, 접속반, 모터 제어반, ESS, 분전반,가스 절연부하 개폐장치를 사용할 수도 있다.

도 3은 본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법에서 전력설비의 상태기반을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전력설비는 제작 초기에는 신 제품(New)이지만 시간이 지날수록 구 제품(Old)으로 변하게 된다. 즉, 초기에는 절연 스트렝스(Insulation Strength)가 상대적으로 높게 나타나게 되고 시간이 지남에 따라 절연 스트렝스가 낮아지게 된다.

이때 상기 절연설비의 운전 중에 외부에서 절연 스트레스(Insulation Stress)가 인가되면 절연 스트렝스가 높을 경우 즉 절연 스페어 마진(Insulation Spare Margin)이 크기 때문에 위험도가 낮지만 절연 스트렝스가 낮아 외부의 스트레스가 높을 경우에 고장(Failure)의 위험성이 그 만큼 높아진다.

한편, 절연 스트렝스가 높을 경우에 절연 스트레스가 많더라도 견딜 수가 있지만 절연 스트렝스가 낮을 경우에 작은 절연 스트레스에도 고장날 위험성이 커지게 된다.

일반적으로 부분방전 신호발생의 판단기준은 하나의 센서에서 1시간 이내에 이벤트 데이터 수가 10회 이상 지속 및 24시간 동안 이벤트 데이터 수가 20회 이상일 경우에 이상징후가 있다고 판단한다.

또한, 변압기의 유중가스인 수소(H₂)가 200ppm이하 일 때 정상, 200~400ppm일 때 요주의, 400ppm를 초과했을 때 이상으로 판단하게 되는데, 만약, 절연 스트렝스가 낮은 상태에서 150ppm 이하일 때도 요주의 또는 이상으로 판단할 수가 있다.

도 4는 본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

본 발명에 의한 전력설비의 상태기반 분석방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 전력설비에 가해지는 스트레스 요소를 측정한다(S110).

여기서, 상기 스트레스 요소는 온도, 전압, 서지 중의 하나로서, 계측기를 통해 상기 전력설비의 온도 및 전압을 측정하고 서지도 함께 측정한다.

일반적으로 변압기는 권선을 절연지로 둘러싸서 권선의 층간 또는 선간의 절연을 유지하고 있고, 장기간 사용함에 따라 철심이나 권선에서 발생하는 열에 의하여 절연지가 열화되므로, 절연지의 수명을 변압기의 수명으로 판단할 수 있다. 특히, 변압기 내부의 온도 분포는 균일하지 않기 때문에, 온도가 가장 높은 핫스팟 지점의 절연지가 가장 빠르게 열화된다. 따라서, 절연지의 수명은 핫스팟 지점에 있는 절연지의 수명을 대표적으로 사용하여야 한다.

변압기는 주위온도 25℃에서 정격부하로 연속적으로 사용되면 평균 권선온도 상승이 55℃가 되고, 온도가 가장 높은 부분은 평균 권선온도보다 15℃ 높으므로, 핫스팟 온도는 95℃가 되고, 이렇게 운전할 경우 절연지의 수명은 30년이 된다. 그러나, 실제 운전중인 변압기는 정격부하로 연속적으로 운전되지 않으므로, 핫스팟 온도가 95℃로 일정하지는 않다.

따라서, 본 발명에서는 변압기를 정격부하로 연속적으로 사용하지 않은 운전조건에서 절연지의 수명손실을 평가하기 위하여, 변압기의 핫스팟 온도가 95℃를 초과할 때는 열화가 가속되며, 핫스팟 온도가 95℃ 미만일 때는 열화가 감속되는 열화가속요소를 아레니우스 반응률로 계산하고, 열화가속요소에 단위 운전기간을 곱하여 단위 운전기간 동안의 수명손실을 계산하고, 이를 누적하여 총 운전기간 동안의 절연지 수명손실을 구한다.

또한, 변압기 수명은 절연지의 수명손실뿐만 아니라, 권선에서의 부분방전 발생여부나 기계적 왜형 등 변압기의 위험도를 고려하여야 하고, 탭 절환장치나 부싱과 같은 변압기 부속품의 위험도를 고려하여 종합적으로 변압기의 수명을 평가한다.

상기 전압검출은 루프형이나 판형 등의 형태로 이루어진 비접촉식 센서와 적분기로 구성되어 전력설비에서 발생하는 상용주파수 대역의 전계 혹은 자계신호를 검출한 후 상기 전계 혹은 자계신호에 대응되는 교류전압을 유도한 다음 위상을 보상하여 기준 신호로 사용 가능한 위상동기신호를 출력한다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 온도, 전압, 서지를 계측하는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 상기 전력설비에 스트레스를 줄 수 있는 외부의 환경을 검출할 수 있다.

뿐만 아니라 부분방전 즉 센서를 통해 기 설정된 단위시간 동안 수집된 센싱 값이 기준크기를 기 설정된 횟수 이상 초과하고 그 기준크기를 기 설정된 횟수 이상 초과하는 단위 시간이 기 설정된 횟수 이상 연속되는 경우 이벤트가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

즉, 전력설비는 기계적 스트레스, 내부 온도 상승, 도전성 입자, 부유전극, 아크, 절연물, 수분 등의 영향으로 인해 절연열화가 발생하여 내부 절연부분에서의 국부적인 부분방전이 발생한다.

이러한 부분방전은 절연열화 현상에 의해 절연파괴전압에 도달한 경우 발생하고, 이로 인해 빛, 소리, RF신호, 방전누설전류 형태의 물리적 형태로 나타난다. 그리고 부분방전 신호는 짧은 펄스폭을 가지는 임펄스 형태로 발생하고 방전량에 따라 진폭이 비례하며 반복되는 AC 사이클에서 방전 개시전압을 초과하는 경우 발생하기 때문에 부분방전을 유발하는 원인에 따라 특정위상에 반복적으로 나타난다.

이어서, 상기 전력설비 내부의 스트렝스 요소를 분석한다(S120).

여기서, 상기 스트렝스 요소는 내부의 습도나 케이블의 유전정접(tanδ)을 측정하여 절연성능 및 절연파괴 전압을 분석한다.

한편, 상기 유전정접(tanδ), 정전용량, 전류의 크기변화, 누설전류 및 전위감쇄의 크기와 시간적 변화를 측정하여 성극비, 킥(kick) 현상, 누설전류의 증가 현상, 전위감쇄 정도 및 시간 등의 여러 가지 열화 진단요소들을 통해 전력케이블의 열화상태를 종합적으로 판정함으로써, 전력설비의 열화상태를 보다 정확하게 판정하여 스트렝스 요소를 분석한다.

한편, 상기 스트렝스 요소는 변압기 제조 및 설계 데이터로 제조사, 정격, 상수, 주파수, 탭 절환장치 유무, 제조년월일, 제조시 시험 데이터 등을 포함한다. 또한, 변압기 철심과 관련된 철심 직경, 철심 높이, 철심 폭, 권선과 관련된 권선정격, 선간전압, 결선방식, 정격전류, 권선 BIL, 권선 구조 등을 입력한다. 또한, 탭 절환장치와 관련된 탭 수, 타입, 제조사 등의 정보도 입력하며, 절연유의 종류, 냉각 방식 및 탱크의 크기 등도 입력한다.

그리고 상기 측정된 스트레스 요소와 분석된 스트렝스 요소를 전달받아 상기 전력설비에 대한 위험요소를 판단한다(S130).

여기서, 계측된 전력설비 내부의 데이터는 절연지, 권선, 철심 및 절연유의 상태에 대한 데이터와 함께 변압기 외부의 탭 절환장치, 부싱, 탱크, 피뢰기, 냉각펌프 및 팬의 상태, 장해실적에 대해서는 변압기에 서지가 침입한 실적 및 사고가 발생한 실적을 포함하는 장해실적, 변전소의 중요도에 대해서는 변압기가 설치된 변전소가 기간계통 변전소인지 또는 배전용 변전소인지에 따른 변압기의 중요에 대한 데이터를 종합적으로 취득하여 위험도를 분석한다.

따라서 위험도는 데이터베이스로부터 전력 설비의 데이터를 이용하여 위험도를 평가하되, 평가 항목별 평가 지표를 산출하고, 산출된 각 평가 지표마다 해당하는 가중치(weight)를 적용하고, 가중치가 적용된 평가 지표를 모두 취합하여 종합적 위험도 평가 지표를 산출한다.

상기 위험도의 판단 결과를 외부로 전송하여 데이터 베이스를 통해 관리하거나 상기 전력설비에서 직접 확인이 가능하다.

한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행할 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (5)

1. 전력설비에 가해지는 온도, 전압 및 서지 중에서 어느 하나인 스트레스 요소를 측정하는 단계;
   상기 전력설비 내부의 습도 또는 케이블의 유전정접(tanδ)을 측정하여 절연성능 및 절연파괴 전압을 분석하여 스트렝스 요소를 분석하는 단계;
   상기 측정된 스트레스 요소와 분석된 스트렝스 요소를 전달받아 상기 전력설비에 대한 위험도를 판단하는 단계를 포함하여 이루어지고,
   상기 위험도는 데이터베이스로부터 전력 설비의 데이터를 이용하여 위험도를 평가하되, 평가 항목별 평가 지표를 산출하고, 산출된 각 평가 지표마다 해당하는 가중치(weight)를 적용하고, 가중치가 적용된 평가 지표를 모두 취합하여 종합적 위험도 평가 지표를 산출하여 상기 위험도의 판단 결과를 외부로 전송하는 것을 특징으로 하는 전력설비의 상태기반 분석방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 위험도의 판단 결과를 상기 전력설비에서 확인이 가능한 것을 특징으로 하는 전력설비의 상태기반 분석방법.

Images