KR20110122238A

KR20110122238A - 헤드스페이스 공간가스를 이용한 변압기 내부이상 진단방법 및 진단장치

Info

Publication number: KR20110122238A
Application number: KR1020100041619A
Authority: KR
Inventors: 남창현
Original assignee: 남창현
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2011-11-10

Abstract

본 발명은 기존의 대전력용 변압기에서 적용하고 있는 진단장치와는 달리 가스센서를 직접 전기절연유 중에 닿도록 하지 않고 절연유 상부 공간(헤드스페이스)에 설치함으로써 응답성을 크게 향상시킨 경제적이면서 장치 소형화가 가능토록 한 진단방법과 진단장치에 관한 것으로, 특히, 소형인 배전용 변압기에 직접 적용이 가능토록 한 것을 가장 큰 특징으로 하고 있다.
변압기 운전상태 진단은 절연유 중에 포함되어 있는 용해가스의 종류와 농도를 측정하여 판단하는 것으로, 본 발명에서의 기술의 핵심은 가스센서를 이용하여 상부 공간(헤드스페이스)에서 변압기 이상가스 농도를 측정하는 장치와 측정된 가스농도를 절연유 중 용해가스 농도로 보정하는 진단방법에 관한 것이다.
현재 상용화되어 있는 대전력용의 외국 제품에서 사용하고 있는 방법을 개선한 것으로 응답시간을 획기적으로 단축시킬 수 있고 또한, 별도의 가스추출장치가 필요 없어 기존 제품 가격의 1/20로 공급이 가능하여 배전용 변압기에 최적의 이상 진단 설비로 구성되어 있다.

Description

헤드스페이스 공간가스를 이용한 변압기 내부이상 진단방법 및 진단장치{Fault Diagnosis Method and Apparatus using Headspace Gases for Transformer}

본 발명은 기존의 대전력용 변압기에서 적용하고 있는 진단장치와는 달리 가스센서를 직접 전기절연유 중에 닿도록 하지 않고 절연유 상부 공간(헤드스페이스)에 설치함으로써 응답성을 크게 향상시킨 경제적이면서 장치 소형화가 가능토록 한 진단방법과 진단장치에 관한 것으로, 특히, 소형인 배전용 변압기에 직접 적용이 가능토록 한 것을 가장 큰 특징으로 하고 있다.

운전중인 변압기 전기절연유 중의 용존가스를 분석하여 변압기의 내부이상을 진단하는 방법으로 변압기에서 전기절연유 시료를 채취하여 실험실로 운반하고 특수 장비를 이용하여 가스만을 추출한 다음 정밀용 분석기(Gas Chromatograph)로 분석하는 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있는 방법이나, 이는 대전력용 변압기에 국한되어 활용되고 있다. 그러나 이러한 실험실적인 분석방법은 정확한 결과를 얻을 수는 있으나, 장치가 복잡하고 조작이 어려울 뿐아니라 시료의 채취, 운반 및 분석에 많은 시간과 전문인력이 소요되기 때문에 최근에는 변압기에 직접 설치되어 특정 가스(예 : 수소 또는 탄화수소 등) 농도만을 연속적으로 감시하는 장치가 개발되어 상용화되고 있다. 이미 154kV 이상의 대용량의 변압기에서는 이러한 기술이 보편화되어 있고, 관련 제품 또한 미국, 캐나다를 중심으로 개발되어 3～4종이 상품화되어 있다. 그러나 배전용 변압기는 대수가 많고 변압기가 소형이기 때문에 대용량의 변압기에 활용되고 있는 가스 연속 측정장치를 설치하여 운영한다는 것은 불가능할 뿐아니라 그 가격도 대당 0.5～2억원에 이르고 있어 배전용 변압기 제품 가격 이상으로 현실성이 없는 실정이다. 특히, 검출가스로 주로 채택되고 있는 수소(H₂) 가스만을 검출하는 대전력용의 대부분의 진단장치들은 배전용 변압기의 내부 이상 특성상 실제 변압기의 내부이상중 40～50％ 정도만을 검출하는데 그쳐 실효성이 없는 실정이다. 따라서 실험실적 분석을 대체하는 이상가스 상시 감시용 장치를 배전 변압기용의 저가형으로 개발할 경우 최적의 변압기 운영과 소요경비를 최대로 줄일 수 있을 것이다.

또한, 종래에 세공의 망(Porous Filter)을 통과한 전기절연유의 도전성 슬러지에 의한 누설전류를 측정하는 절연 열화진단장치는 작동의 원천이 되는 슬러지 발생이 실제 전기절연유의 열화 지표가 되는 전산가(全酸價)가 0.2(mgKOH/g) 이상에서 발생되는 점을 감안할 때(정상유에서의 전산가 관리기준 0.2 이하) 전기절연유 자체의 열화정도 평가에 국한될 뿐 운전중인 변압기의 내부이상 진단용으로는 불가능한 장치이다.

변압기는 발전소에서 생산된 전기를 멀리 떨어져 있는 변전소까지 이송하거나 이송된 고전압의 전기를 공장 또는 가정에서 사용할 수 있도록 적절한 전압으로 변압(變壓)시키는 설비로서 전력설비중 가장 중요한 설비중의 하나로 손꼽힌다. 따라서 변압기 고장이나 사고로 운전 정지되는 경우에는 정전사고로 이어지기 때문에 예방진단은 매우 중요하다.

대전력용의 대형 변압기에서는 변압기 내부에 주입되어 있는 전기절연유중에 용존하는 이상(異常) 발생 가스들의 종류와 농도에 의한 변압기 진단방법이 신뢰성이 높아 세계적으로 널리 활용되고 있다. 변압기 내부에서 이상이 발생하거나 장기사용으로 인한 절연유가 열화하게 되면 발열(發熱)하게 되며, 이 열(熱)에 의해서 변압기 내부에 들어 있는 전기절연유, 절연지 및 프레스보드와 같은 절연물이 열분해되어 가스를 발생시키게 되고 이 발생가스는 전기절연유 중에 용해된다. 전기절연유중에 용존되어 있는 가스의 종류와 농도를 분석하여 변압기 내부의 이상 유무와 이상의 종류를 조기에 진단하는 것이 가능하다. 즉, 변압기 내부에 이상이 발생하면 이상시 발생하는 가스의 농도가 증가하기 때문에 가스농도의 관리기준치를 설정하고 주기적 또는 연속적으로 가스농도를 분석하거나 연속 감시함으로써 이상의 초기에 이를 감지하여 적절한 조치를 취하여 돌발적인 사고로 진행을 사전에 방지할 수가 있는 것이다. 다음 [표 1]은 변압기 내부이상시 발생되는 주요 가스를 이상의 유형별로 나타낸 것이다.

[표 1] 이상(異常) 유형별 주요 발생가스

그러나 도심지의 도로변이나 주택가의 전봇대에 설치되어 운전되고 있는 배전용 변압기는 유(油) 분출이나 폭발사고시 인명피해로 이어질 수도 있어 민원과 재산상의 피해발생이 불가피하나 설비대수가 많고 특성상 대전력용 변압기에서와 같이 사고예방을 위한 진단활동이나 예방진단을 위한 설비를 설치, 운영한다는 것은 용이하지 않을 뿐아니라 경제적 비용도 매우 크다. 따라서 본 발명에서는 배전용 변압기와 같은 중소형 변압기의 예방진단을 목적으로 진단방법과 그 장치 및 이를 장착한 변압기에 관해 고안한 것이다.

본 발명은 운전중인 변압기 특히 배전용 변압기의 내부이상을 검출하는 방법과 그 진단장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기 내부이상 또는 절연유 열화시 발생되어 변압기 내부의 전기절연유 또는 상부 공간(헤드스페이스)에서 포집된 열분해가스의 농도를 가스센서를 이용하여 검출하는 방법하고 검출된 가스농도에 따라 변압기의 내부이상 유무를 진단하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

따라서 본 발명에서는 저가형의 배전용 변압기의 가스 검출방법 및 그 장치를 개발하고자 하는데 있으며, 가스 검출방법으로는 [도 1]에서와 같이 대용량의 감시장치에서와 같이 전기절연유중에 용존하고 있는 가스를 먼저 추출한 후 가스센서 등의 검출장치로 가스농도를 측정하는 방법과 전기절연유를 순환시키는 방법 등이 보편적이나, 가스 추출장치로 사용하고 있는 멤브레인 등은 일정한 압력이 존재시만 원활한 가스 추출이 이루어지고 추출하는데 많은 시간과 기술적인 문제가 뒤따르고 가격 상승 요인이 되기 때문에 유량(油量)이 적고 소형인 배전용 변압기에서는 적용이 바람직하지 않다. 상기와 같은 단점을 근원적으로 제거하기 위하여 배전용 변압기의 경우 전기절연유 상부 공간(헤드스페이스)에 가스 측정용 센서를 직접 설치하여 가스농도를 측정함으로써 응답이 빠르고 진단장치가 보다 소형화가 가능함은 물론 가스투과성 멤브레인 막의 장기 사용으로 인한 변질과 열화원인 등을 근본적으로 막을 수 있는 방법이라 할 수 있다. 그러나 보다 정확한 변압기 이상진단을 위해서는 절연유중 용해된 가스 농도를 측정하여야 하기 때문에 센서에 의해 측정된 절연유 상부 공간(헤드스페이스)의 열분해 가스 농도와의 상관관계를 구하고 이를 보상해 주어야 한다. 따라서 [표 2]에서와 같이 절연유의 가스에 대한 용해도와 밀접한 관계가 있기 때문에 이를 충분히 고려하지 않으면 안 된다.

[표 2] 전기절연유에 대한 가스의 용해도

절연유 상부공간(헤드스페이스)에 모이는 가스량은 상기 [표 2]에 나타낸 용해도 이상 또는 공기(질소와 산소)보다 용해도가 적은 가스들이 모이게 되는 것이다. 실제 배전용 변압기의 전기절연유를 채취하여 가스농도를 분석한 결과와 상부공간에서 채취한 가스중의 농도와는 매우 큰 차이를 보임을 알 수 있다. 다음의 [도 4]는 전기절연유에 대한 가스의 용해도(종축)와 실제 변압기에서 채취한 절연유와 상부공간에서 측정된 농도와의 비(횡축)의 한 예를 도식화하여 나타낸 것이다. [도 4]에서와 같이 전기절연유에 대한 용해도가 높을수록 실제 측정가스와의 농도비는 반비례함을 알 수 있다. 즉, 전기절연유에 대한 용해도가 높을수록 절연유로부터 변압기 상부공간의 가스농도는 낮아지게 되며, 반대로 전기절연유에 대한 용해도가 낮을수록 변압기 상부공간의 가스농도는 높아지게 된다.

이를 관계식으로 나타내면 다음의 [식 1]과 같다.

,

: 액상에서의 H₂, CO, CH₄ ‥‥가스의 농도(ppm)

,

: 기상에서의 H₂, CO, CH₄ ‥‥가스의 농도(ppm)

,

,

....: 액상과 기상에서의 H₂, CO, CH₄ ‥‥가스의 농도비

.

. .

여기서,

,

‥‥는 변압기내의 온도와 압력의 함수이기 때문에 이를 충분히 고려하여야 한다. 즉, 다음의 [식 2]에서와 같이 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 가스용해도는 증가하기 때문에 이를 설계시 반영하여야만 정확한 변압기 이상에 의한 발생가스 농도를 알 수 있다.

: 변압기 내의 온도(℃)

: 변압기 내의 압력(kg/㎠)

[도 4]의 각각 가스들의 성분별 농도를 검출하는 방법과 변압기 내부이상시 주로 발생되는 가스들의 총량(가연성가스 총량)을 검출하는 방법이 있으나, 배전용 변압기의 특성들을 고려할 때 후자를 선택하고 이를 상기 표의 용해도를 고려하여 일정한 관리기준을 설정하고 설정치 이상 시는 경보로 나타낼 수 있도록 장치를 구성하는 것이 가장 바람직하다. 검출대상가스 또한 상기 표의 전 가스를 검출하는 것이 변압기 이상진단에 가장 바람직하나, 제품가격 상승은 물론 소용량의 배전용 변압기에서는 비효율적인 방법이다. 따라서 변압기 이상시 발생되는 가스중 가장 핵심이 되는 가스만을 검출할 경우 상기의 목적을 달성할 수가 있다. 즉, 부분방전시 발생되는 가스인 수소(H₂), 가장 흔히 나타나는 현상인 국부 고온과열시 발생되는 탄화수소(HC)계 가스의 총량, 아-크시 발생되는 아세틸렌(C₂H₂) 등이다. 이들 가스에 대한 각각의 센서를 설치하여 시스템을 구성할 경우 보다 정확한 변압기 이상진단을 기할 수 있으나, 효율성과 경제성 등을 고려할 경우 탄화수소(HC)계 가스의 총량만을 연속적으로 검출할 경우 충분히 소기의 목적을 달성할 수 있게 된다.

이들 가스들 외에 절연파괴에 치명적인 영향을 주는 수분(H₂O) 함량을 동시에 검출할 경우 변압기의 안정적인 운전에 대한 효과는 배가하게 된다. 뿐만아니라 앞서 설명한바와 같이 절연유의 온도와 변압기 내의 탱크 압력을 동시에 측정할 경우 보다 정확한 절연유중 용해가스 측정이 가능하게 되어 정확한 변압기 이상진단이 가능하게 된다.

본 발명은 대전력용 변압기 상시 진단장치에서는 필수장치로 구성되어야 하는 가스추출부를 제거하고 가스센서를 직접 절연유의 상부 공간(헤드스페이스)에 삽입하여 가스에 대한 반응시간을 단축시킴은 물론 반응성을 한층 높이고 특히, 본 고안 기술을 바탕으로 개발하고자 하는 배전용 변압기 내부이상 진단장치를 소형화하고 저가(대전력용의 1/20)를 실현함으로써 널리 사용케 하여 안정적인 전력공급에 기여하고자 함을 기술적 과제로 삼고 있다. 또한, 변압기 내부이상시 발생하는 가스들의 총량을 하나의 가스센서로 측정함으로써 용이하게 변압기의 이상여부를 판별할 수 있도록 하고자 하였다.

[도 1]은 종래의 변압기 내부이상 진단장치가 장착된 변압기
[도 2]는 배전용 변압기의 내부이상 진단장치 개략도
[도 3]은 변압기 내부이상 진단장치가 부착된 배전용 변압기
[도 4]는 절연유에 대한 가스용해도와 가스농도비를 나타낸 것이다.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호 설명＞
[도 1]
101 : 변압기(대전력용) 102 : 플랜지
103 : 멤브레인 104 : 가스추출장치
105 : 절연유 106 : 추출가스 저장조
107 : 검출부(센서) 108 : 제어부
109 : 출력부
[도 2]
4 : 검출용 센서 5 : 센서제어장치
6 : 제어부 7 : 표시부(LED)
8 : 출력부 9 : 전송용 케이블
10 : 출력부 11 : 자료전송장치
[도 3]
1 : 변압기 2 : 전기절연유(액상)
3 : 상부 공간(기상, 헤드스페이스) 4 : 가스검출부
5 : 제어부(진단부) 7 : 출력부
8 : 표시부 12 : 공간가스
[도 4]
X축 : 가스종류
Y축 : 각 가스의 기상과 액상에서의 농도비(Ratio)

본 발명은 [도 3]에 도시한 바와 같이 변압기내 절연유가 없는 상부 공간(3)에 가스, 온도, 압력 센서 또는 수분 센서 등으로 구성된 검출부(4)를 설치하고, 검출부의 각 센서들로부터 출력신호를 받아 처리하는 제어부(6)와 이들 검출결과에 따라 알람 등으로 순시원에게 알려주거나 원격 전송이 가능토록 구성된 표시부(5)로 구성되어 있다.

이와 같은 본 발명은 각종 센서 특히 가스센서(4)를 직접 절연유(2)에 닿지 않게 하여 센서(4)의 수명 연장은 물론 응답성 향상과 장치를 간단하게 제작할 수 있도록 하여 제작단가를 최소화 되도록 하였다.

일반적으로 시판되는 가스센서들은 기상(氣相)의 상태에서 검지가 가능하도록 제작되어 있으나, 이렇게 될 경우 [도 1]에서와 같이 변압기(101)로부터 채취된 전기절연유중의 용존가스를 추출하는 별도의 추출부(104) 설치가 불가피하다. 주로 사용되는 추출방식인 멤브레인 막(103)에 의한 방법은 맴브레인 막 양쪽의 가스농도가 평형을 이루는 데는 수시간 또는 수일 걸린다는 단점이 있고, 또한 맴브레인 막의 장기간 사용에 따른 열화로 사용치 못하게 되는 경우가 종종 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 단점을 개선하기 위하여 검출부(5)를 직접 상부 공간의 포집가스(12)에 닿도록 함으로써 [도 1]의 가스추출부(104)를 제거하고 반응특성을 향상시켜 짧은 시간내에 절연유(2)중의 가스농도가 검지되도록 장치를 구성하였다. 이러한 편리성을 확보하는 대신 검출된 절연유 상부공간(3)에서의 검출결과는 보상되어야만 정확한 변압기 이상진단 자료로 활용가능하기 때문에 본 고안에서는 이를 보상하는 방법을 개발하고 적용하였다. 검출부(5)의 온도 및 압력변화에 따른 출력특성을 보상하기 위하여 온도가 일정하게 유지되도록 하는 가열기를 설치할 경우 측정결과에 대한 신뢰성을 한층 높일 수 있다. 특히, 본 발명에서는 배전용 변압기의 구조특성을 활용하여 변압기(1)내 절연유 상부 공간(3)과 절연유중에서의 가스농도(12)를 보상하는 방법을 제공함으로써 장치 소형화와 저가형의 변압기 진단장치 제작이 가능하도록 하고 있다. 또한, 현장 순시원이 변압기의 운전상태를 쉽게 알 수 있도록 하기 위하여 제어판(6) 전면에 전원 표시등과 정상, 이상상태를 나타내는 램프(7)나 가스농도에 따라 경보를 발하는 기능을 첨가할 수 있도록 하였고, 변압기 순시원이 현장에 직접 가지 않고 변압기 상태를 파악할 수 있도록 통신용 케이블이나 무선통신 방식의 원거리 데이터 송수신 장치를 장착(9)하여 컴퓨터에 의한 감시도 할 수 있다. 그 외에 동일 장소에서 여러 대의 변압기 상태를 감시하기 위하여 하나의 제어부에 여러 개의 센서를 연결하여 사용할 수도 있다.

본 발명에서는 상기 고안 내용들을 현재 운전되고 있는 변압기에 추가로 장착하거나 새로 제작되는 변압기에 장착함으로써 추가 설치하는 부담을 덜도록 하는 방법 등도 포함하고 있어 보다 저비용, 고효율을 실현 가능하도록 하는 것을 발명의 주요 특징으로 하고 있다.

Claims

변압기 내부이상시 발생되는 전기절연유의 열분해 가스농도를 연속적으로 검출함으로써 운전중인 변압기의 내부이상 유무를 상시 감시하는 변압기 내부이상 진단장치
변압기 내부이상시 특징적으로 발생되는 가스들을 검출하는데 있어 하나 또는 여러 개의 가스를 동시에 검출하거나 대표가스(가연성가스 총량 또는 탄화수소계 가스 총량)만을 센서 등을 이용하여 검출하는 방법
중소형의 배전용 변압기의 경우 변전용 변압기에서와 달리 별도의 가스추출장치 없이 가스센서를 변압기내의 전기절연유 상부 공간(헤드스페이스)에 직접 설치하여 전기절연유 중의 이상가스 농도를 검출하는 방법 및 그 장치
전기절연유의 상부공간에서 검출된 가스농도를 보정방법을 이용하여 전기절연유중의 가스농도로 환산하여 적용하는 방법 및 이를 변압기 이상진단 자료로 활용하는 진단방법
검출된 가스농도에 따라 변압기의 이상 유무를 자동으로 알려 주도록 알람기능을 장 착하거나 변압기의 상태를 나타내는 램프가 부착되어 있어 가스 농도가 일정값를 초 과하는 경우 경보를 발하거나 용이하게 식별 가능한 기능이 부가된 변압기 내부이상 진단장치
각각의 제어부로부터 얻어진 출력값을 통신용 케이블을 이용하여 일정한 장소까지 전송하고, 전송된 자료를 한 대의 전산장치(PC)로 감시 가능하도록 시스템을 구성한 변압기 내부이상 진단장치