변압기 유중가스 분석 일반사항

가. 개요

나. 내용

  1. 유중 분석 결과를 기초로 해서 유입기기의 상태를 판정할 수 있는 사항

    ○ 내부이상의 유무의 판정
    ○ 내부이상 양상의 진단(과열, 아크, 코로나에 의한 것) 및 이상진전속도
    ○ 운전계속의 가부판단 및 운전계속시의 지속적인 감시 필요성 여부
    ○ 수리여부 판단등이다.

    위와 같은 진단을 하기 위해서는 주기적인 간격으로 수회의 가스추적 분석이 필요하며, 또 이 가스분석이외의 다른 시험방법들을 병행하는 것이 보다 정확한 판단과 진단을 할 수 있다.

  1. 절연유 내의 가스발생

    변압기나 OLTC등 유입기기의 내부의 가스발생은 아래와 같이 발생한다.

    ① 변압기 내부에 이상이 발생했을 경우 그 개소에 국부적인 발열이 있으므로 이 열에 의하여 주위의 절연물(절연지, 프레스 보드, 합성수지, 바니쉬)등의 절연물 외에 절연유의 열 분해를 받는다.
    ② 열 분해를 받는 절연재료는 그 절연물의 종류와 이상부분의 온도에 의하여 각각 가스를 발생한다.
    ③ 발생하는 가스량은 이상상태의 계속시간과 이상부분의 발열온도의 대소에 따라 다르다.
    ④ 발생하는 가스중에는 가연성 가스도 발생한다. 이 가연성 가스는 절연유 안에서 용해하는 것과 기포의 모양으로 외부에 방출되는 (부르홀쯔 릴레이는 이러한 가스를 저장하는 역할을 한다.) 것이 있다.
    ⑤ 따라서 유중의 가스를 분석하여 그 종류와 양을 측정함으로써 변압기 내부의 이상 유무와 가스의 조성비로 이상내용을 진단 할 수 있다.

  1. 발생가스와 고장부위의 추정

    ① 탄산가스, 수소, 메탄등이 검출되고 아세틸렌 C2H2 검출되지 않은 경우
    절연유가 150℃이상 가열된 경우에 발생한다.     이러한 경우에 탭 절환기 리드 접속부등에서 도전관계의 국부과열을 추정할 수 있다.
    ② 아세틸렌이 검출된 경우
    아아크등으로 절연유가 1000℃이상으로 가열되면 탄산가스, 수소, 메탄등 외에 아세틸렌( C2H2)이 발생한다. 아세틸렌은 아아크나 부분방전등과 같은 고온에 접촉되었을 때에 발생하므로 내부에서 중대한 이상이 발생한 것으로 추정된다.
    ③ 일산화탄소(CO)가 비교적 많이 검출된 경우
    일산화탄소는 절연유만 가열되어도 발생하는 일이 있으나 크라프트지(Craft Paper), 프레스보드, 베이클라이트(Baklite)등과 같은 절연재료가 수 100℃이상으로 가열되었을 때에 다량으로 검출된다.

  1. 판정방법

    GAS 분석결과의 판정방법으로서는
    1) 가연성 GAS 총량에 의한 판정
    2) 각 성분 GAS량에 의한 판정,
    3) 가연성 GAS총량의 증가경향에 의한 판정,
    4) 각성분 GAS의 증가경향에 의한 판정,
    5) 발생 GAS의 조성변화에 의한 판정 등이 있다.
    이들 중의 1) 및 2)는 어떤 일정시점의 분석결과로 판정하고자 하는 것이고 3) ∼ 5)는 어떤 기간의 분석결과의 경년변화로부터 판정하고자 하는 것이다. 1) ∼ 4)는 수량화한 판정기준을 만들 수 있지만 5)는 어렵다. 따라서 5)는 진단적 요소와 관련되어 판정할 필요가 있다.

    여기서는 "2) 각성분 GAS량에 의한 판정" 결과, 요주의 또는 이상으로 판정된 시료에 한하여 "GAS Pattern에 의한 진단"과 "GAS 조성비에 의한 진단"으로 변압기 내부고장 부위를 추정한다.

    4-1. 각 성분 GAS량에 의한 판정

    가) 판정기준

    표 1 가연성가스 총량 및 각 가스량에 따른 이상판정(전협연법)

    판정

    변압기 정격

    각 가스량 (ppm)

    TCG

    H2

    CH4

    C2H6

    C2H4

    CO

    요주의

    275KV이하

    10MVA이하

    1000

    400

    200

    150

    300

    300

    10MVA이상

    700

    400

    150

    150

    200

    300

    500KV이하

    ―

    400

    300

    100

    50

    100

    200

    이상

    275KV이하

    10MVA이하

    2000

    800

    400

    300

    600

    600

    10MVA이상

    1400

    800

    300

    300

    400

    600

    500KV이하

    ―

    800

    600

    200

    100

    200

    400


    표 2 KEPCO (한전) 판정기준

    발생가스량

    요주의

    이상

    수소(H2)

    400ppm이상

    800ppm이상

    일산화탄소(CO)

    300ppm이상

    600ppm이상

    아세틸렌(C2H2)

    10ppm이상

    20ppm이상

    메탄(CH4)

    150ppm이상

    300ppm이상

    에탄(CH6)

    150ppm이상

    300ppm이상

    에틸렌(C2H4)

    200ppm이상

    400ppm이상


    4-2. 특정 GAS 에 의한 진단방법

    1) CO, CO2 의 검출
    절연유중의 고체 절연물이 과열되면 특정적인 GAS로 CO, CO2가 발생한다. 일반적으로 유입변압기내부에 고체절연물의 열분해에 의한 이상현상이 발생한 경우에는 중대사고로 발전할 우려가 있는 만큼 CO, CO2 에 의한 진단은 중요하다.
    ① CO가 많이 검출된 때는 절연지, 백크라이트 등 고체 절연물의 소손 가능성이 크다 (약 70%의 적중률이 있다)
    ② CO가 적게 검출된 경우에는 고체 절연물의 소손의 가능성이 적다

    2) C2H2 의 검출
    C2H2에 의한 진단은 절연유의 열분해에 의해 발생하는 가스중에서 C2H2는 이상현상을 구분하는데 편리한 가스중 한가지이다.  일반적으로 고온 열분해(예컨대 유중아크)가 때로 다량으로 발생하는 특징이 있지만, 접촉불량같은 과열현상이 소량 발생하는 것도 많기 때문에 다른 발생 가스와도 비교하고 진단하여야 한다.

    ① 아크에 의한 C2H2발생
    유입변압기 내부에서 아크를 동반한 사고가 발생한 경우는 절연유가 고온 분해되어 일반적으로 C2H    2가 다량 검출된다. 내부에서 아크를 발생하는 사고는 변압기에 있어서 치명적이고 보호계전기의 동작을 경우가 많다. 따라서 보호계전기가 동작하고 또한 유중가스에 C2H2에 다량 검출되면 내부에 중대한 손상이 발생하고 있는 것으로 추정되어야 한다.
    ② 부분방전에 의한 C2H2의 발생
    변압기내부의 전위 float등에 의해 부분방전이 발생한 경우는 역시 C2H2가 다량 검출된다.
    ③ 국부과열에 의한 C2H    2의 발생
    변압기내부에서 접촉불량 등에 의한 국부과열이 생긴 경우는 파생적으로 C2    H2가 검출되는 적이 있다. 그러나 이 경우 다른 성분가스가 양적으로 많이 발생하고 C2H2의 발생량은 적다. 이러한 경우에 발생하는 C2H2의 최대가연성 가스성분에 대한 비율은 대개의 경우 0.02이하이다.

    3) C3 C4 계의 검출
    C3 C4 계 가스에 의한 진단으로는 국내·외의 절연유중 GAS분석의 실태가 CO, CO2를 포함하는 C2 계 까지의 탄화수소 gas 의 분석으로 진단하고 있는 경우가 많지만 C3,C4 계 gas에 대해서도 조사한 결과로부터 다음 내용을 정리할 수 있다.

    ① 개방형 등은 오일이 대기와 접하고 있더라도 다른 가연성 gas에 비하여 기중으로의 확산량이 적다. 따라서 C3 C4 계 gas의 동향을 보면 가연성 gas의 발생동향을 확인하는 것이 쉽고, 진단의 보조로서 이용할 수 있다.
    ② C3 C    4 계 gas를 추출 분석한 사례를 보면 C3 C4 계 gas가 가연성 가스의 주성분으로서 발생하고 있는 사례가 적고, 발생원인의 발견 등도 적다. 발생원인에 관해서 불명확한 부분이 많다. 또한 변압기내부에서의 단락과 섬락등 중대사고 예로서는 C3 C4 계 gas가 가연성 gas의 주성분이 된 사례는 없다.
    ③ C3 C    4 계 gas를 분석하는 PEM 법에 의한 국부온도 추정이 가능해 진다.

    4) 특정가스의 변화에 의한 진단은 C2H2가 새롭게 발생 검출된 경우 또는 CO가 많이 증가한 경우

    이상부의 현상황에 변화가 생기어 왔다고 판단하고, 세부적인 검토를 할 필요가 있다. C2H2가 새롭게 발생한 경우는 이상부가 종래부터 고온의 현상이 있었거나 아크방전 또는 부분방전이 발생한 경우이다. CO가 이상하게 증가한 경우는 고체절연물에 이상과열이 발생한 경우다.

    5) 그 밖의 진단방법

    가연성 GAS의 경년변화에 의한 진단방법으로 추적조사에 의해 가연성 GAS량의 경년변화를 관찰하여 이상의 상태를 진단 할 수 있다.

    ① 가연성 GAS의 총량 또는 일부의 GAS가 급증하고 있으며 증가율이 커지는 경우, 내부이상의 진전, 확대되고 있다고 볼 수 있다.
    ② 가연성 GAS의 총량 또는 일부의 GAS가 일정한 비율로 점증되고 있는 경우 내부이상의 완만하게 증가하고 있기 때문에 추적조사를 계속하면, 운전을 계속하여도 좋다.
    ③ 가연성 GAS의 증거가 없는 경우, 내부이상의 현상이 정지하였거나 또는 발생량이 미미하게 축소된 것으로 추정할 수 있다.

    4-3. GAS Pattern에 의한 분석

    GAS Pattern에 의한 진단방법은 횡축에 성분 GAS를 종축에 성분 GAS의 농도를 나타내서 Pattern을 그려서 그 형상으로부터 이상내용을 진단하고자 하는 것이다.
    GAS Pattern의 표시법에 횡축에 가연성 GAS H2, CH    4, C2H6, C2H4 C2H2 의 순서로 하고 종축은 상기성분 GAS중 최대의 것을 1로 한 경우의 조성비를 나타냈다. 이상의 내용은 H2 주도형에서는 아-크 방전과 부분방전, C2H2 주도형에서는 아-크방전, CH4 및 C2H4 주도형에서는 과열에 의한 것이 주류이지만, 구체적인 이상의 양상과 상세한 Pattern 과의 결부는 곤란하다.변압기나 OLTC의 제조년월, 용량, 유량, 오일 열화방지 방식이 GAS Pattern에 미치게 하는 영향은 확인되지 않았다. CO 및 CO2는 Pattern 진단표에는 기재하지 않았지만 CO 및 CO2 특히 CO 가 많이 검출되는 경우는 고체절연물이 손상을 받고 있다고 추정된다.

    4-3-1. 수소(H2) 주도형

    1) Pattern

    부분방전과 아크방전에 의한 이상이 많다. 아크방전에 의한 이상의 경우에는 타입 D에 보인 것처럼 C2H2의 비율이 크다.

    구체적인 사례로는

    ① 코일의 층간단락
    ② 코일의 용단
    ③ 탭절환기 접점간의 아-크 단락
    ④ 순환전류에 의한 아-크 발생등이 있다.

    4-3-2. 메탄(CH4) 주도형

    1) Pattern

    2) 이상의 내용

    접촉불량, 누설전류에 의한 과열의 이상이 많다.

    과열이 부분방전과 아-크 방전으로 발전할 경우에는 타입 C에 표시한 바와 같이 H2나 C2H2의 비율이 많게 된다.

    구체적인 사례로는

    ① 절환기 접촉불량
    ② 접속부의 이완
    ③ 절연불량
    ④ 다점접지에 의한 국부과열 등이 있다.

    4-3-3. 에틸렌(C2H4) 주도형

    1) Pattern

    2) 이상의 내용
    이상의 내용은 CH4 주도형과 같다.

    4-3-4. 아세틸렌(C2H2) 주도형

    1) Pattern

    2) 이상의 내용
    코일의 단락, 탭절환기의 섬락등의 아-크 방전이 많다.

    5. 조성비에 의한 분석

    5-1. 개요

    조성비에 의한 진단은 특정 성분 GAS의 조성비를 구하여 이것으로부터 이상현상의 내용을 판단하고자 하는 것으로 지금까지 몇 가지 방법이 제안되어 있다. 그 예로는 ROGERS의 방법, IEC법, DORNENBURG의 방법 등이 있지만 어느 쪽의 방법도 일장일단이 있어, 그대로 이용하는 것은 적절하지 않아 그중에서도 비교적 이용가치가 높은 것으로 판단되는 IEC법에 관해서 진단정확도를 높이도록 검토한 개량한 IEC법(일본전기협동연구회 제시법: 전협연법) 에 대하여 설명한다.

    조성비에 의한 분석은 조성비의 변화를 일정기간마다 GAS를 분석하여 변화를 조사함으로써 정확한 이상현상의 상태변화를 찾을 수 있다.  예로서 C2H4/C2H6가 증가하고 있는 경우는 이상개소의 온도가 높아지고 있는 것으로 보이고 있다.

    5-2. 진단방법

    개량한 IEC법은 검출된 가연성 가스중의 H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6의 5종 GAS 만을 대상으로 하여 3개의 조성비(C2H4 /C2H2 , CH4 /H2 , C2H4 / C2H6 )를 산출해 CODE 표 6로 분류해 구해진 CODE를 이상진단표 표7에 대입시켜서 이상현상 내용을 추정하는 방법이다. 또 표와 같은 방법으로 표3과 표4를 이용하여 이상진단을 판정할 수 없을 때 실시한다.

    표 3 IEC법에 의한 CODE

    GAS 성분의 비율

    {C_2 H_2} ~ {C_2 H_4}

    {C H_4} ~ {H_2}

    {C_2 H_4}~ {C_2 H_6}

    〈 0.1

    0

    1

    1

    ≥ 0.1 ∼ 〈 1

    1

    0

    0

    ≥ 1 ∼ 〈 3

    1

    2

    1

    ≥ 3

    2

    2

    2

     

    표 4 IEC법에 의한 이상진단표

    {C_2 H_2} ~{C_2 H_4}

    {C H_4}~ {H_2}

    {C_2 H_4}~{C_2H_6}

    현상추정

    0

    2

    0

    과열(저)

    2

    1

    과열(중)

    0, 1, 2

    2

    과열(고)

    1

    0, 1 ,2

    0, 1, 2

    아크방전 (고에너지방전)

    2

    0, 1

    0, 1, 2

    부분방전 (저에너지 방전)


    표 5 IEC법에 의한 이상진단도

    {C_2 H_2}~{C_2 H_4}


    부분방전

    10


    3


    ARC 방전

    1


    0.1


    과열

    (저)

    과열

    (중)

    과열

    (고)



    0.01




    0.1



    1


    3


    10





    {C_2 H_4} ~ {C_2_6}

    주1) {C_2 H_2} ~ {C_2 H_4} 이 0.01미만은 포함된다.
    주2) {C_2 H_4} ~ {C_2 H_6} 이 0.1미만은 0.1에 포함된다.