변압기뿐만 아니라 대부분의 설비는 시간이 흐를수록 물리적으로 열화가 진행돼 교체가 필요한 시기가 찾아온다. 비용 측면만 따져본다면 교체는 시기를 뒤로 미루면 미룰수록 좋겠지만, 신뢰성은 다른 새 설비와 같은 수준을 요구하기에 결국 신뢰성이 어느 수준까지 떨어진 시점을 수명이 다 된 것으로 보고 교체한다.
그런데 수명 판단에 핵심이 되는 신뢰성 저하를 파악하는 일이 쉽지만은 않다. 이런 경우 간접 지표를 활용한다. 여기서는 경년열화에 따른 배전용 변압기 교체를 검토할 때 일본 주고쿠전력㈜에서 사용하는 진단방법을 소개한다.
주고쿠전력㈜에선 그동안 배전용 변압기 교체에 중요한 판단 지표로 사용연수를 활용했다. 그러나 사용연수만으로 변압기의 물리적 열화정도를 알 방법이 설비 수명을 연구 테마로 자주 거론하는 이유다. 전력용 유입 변압기에 관해선 일본 전기협동연구 제54권 제5호 '유입 변압기의 보수 관리'에서 연구 성과를 정리해 각종 진단 방법을 소개하는데, 이를 토대로 주고쿠전력㈜은 사내에서 폐기 대상인 변압기에서 얻은 실측 데이터를 이용해 변압기 교체 판단에 최적인 방법을 모색했다.
유입 변압기의 열화
무릇 변압기 수명을 생각할 때 물리적 열화란 구체적으로 어떤 물리적 상태를 말하는지, 변압기 열화에 관한 일반적 견해를 일본 전기협동연구 제54권 제5호의 내용을 바탕으로 간략히 설명한다.
유입 변압기 수명 | 변압기에 사용되는 재료 중 경년열화가 인정되는 것은 절연유를 비롯해 절연지, 프레스보드 등과 같은 종이 재료다. 절연유의 경우 절연 성능이 떨어지면 새로운 오일로 교체하면 되지만, 권선 절연지나 프레스보드는 간단히 교체할 수 없기에 결국 수명은 종이 재료의 열화에 달려 있다.
종이 재료의 열화에서 문제가 되는 것은 기계적 인장 강도다. 그중 프레스보드는 상승 온도 정도가 절연지보다 낮을 뿐 아니라 열화로 말미암아 특성 저하에 미치는 영향도 작다. 따라서 변압기 수명을 결정하는 요소는 권선 절연지의 인장 강도 저하일 것이다. 그 한계 값은 다음과 같이 정해진다.
변압기 부하 측에서 단락 사고가 발생하면 사고전류로 말미암아 변압기 권선에 전자 기계력이 생긴다. 권선 절연지의 인장 강도가 경년 열화로 떨어져 이 기계력을 견디지 못할 경우, 절연지가 찢어지고 변압기 내부 사고로 이르게 된다. 이 한계 값은 위험 평가에 따라 여러 주장이 있으나, 대략 새 종이의 50~60% 정도다.
 평균 중합도 | 변압기에 사용된 권선 절연지의 인장강도를 정확하게 측정하기란 절연지가 감긴 상태나 접힘 등의 영향이 있어 실제로 어렵다. 이 때문에 절연지의 인장 강도와 밀접한 관계가 있는 '평균 중합도'가 절연지 열화 평가의 기본 척도가 된다.
평균 중합도란 종이 재료를 구성하는 주요 물질인 셀룰로스Cellulose 분자의 연결 수의 평균값이다.
열화하면 셀룰로스 분자는 끊어져 짧아지고, 동시에 인장 강도도 떨어진다. 인장 강도가 60%로 떨어질 때 평균 중합도는 40~45%(절대 값으로 보면 초기 값을 1000으로 했을 때 400~450)로 떨어진다. 따라서 변압기 수명은 권선 절연지의 평균 중합도가 450으로 떨어진 시점이 된다(<그림 1> 참조).
<그림 2>는 주고쿠전력㈜의 폐기 대상 변압기에서 채취한 권선 절연지의 평균 중합도다. 시간이 흐를수록 중합도가 떨어지는 모습이 보이나, 시간이 아주 많이 흐른 변압기라도 중합도가 그렇게 많이 떨어지지 않은 것도 있다(중합도에 범위가 있는 것은 권선 절연지를 여러 곳에서 채취했기 때문임).
 열화 진단 방법
아직 폐기 여부를 정하기 않은 변압기에서 권선절연지를 채취해 열화 정도를 조사할 순 없다. 따라서 현재 취하는 방법으로 크게 두 가지다.
하나는 절연지가 열화하는 단계에서 생성해 유중油中에 녹아 든 성분의 양에서 열화 정도를 추정하는 방법이다. 분석에 필요한 절연유는 소량이며, 변압기를 정전시킬 필요는 없다. 진단 비용이 아주 적게 든다는 점이 큰 특징이다.
다른 하나는 리드선 등에 감긴 절연지로, 채취한 후에도 운전에 영향을 주지 않는 절연지를 채취해 조사하는 방법이다. 비용과 품이 크게 들기에 변압기의 유지 보수 공사에 맞춰 실시하는 것이 좋다.
<표 1>은 이러한 방법을 간략히 소개한 것이다. 이 중 몇몇 방법을 선정해 평가했다.
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진단 방법 평가 유중 성분에 의한 진단
유중의 CO2+CO 농도, 푸르푸랄Furfural 농도를 채택해 실용적인 열화 진단이 가능한지 조사했다.
방법은 폐기 예정인 변압기를 이용해 운전 중에 채취한 절연유에서 얻은 CO2+CO 농도 · 푸르푸랄 농도와 폐기 후에 권선 절연지를 채취해 얻은 권선 평균 중합도를 비교했다. 결과는 <그림 3, 4>와 같다.
한편, 유중의 CO2+CO 농도 · 푸르푸랄 농도는 절연유 보수 경력에 따른 보정(절연유 탈기脫氣작업을 하면 열화 성분의 농도는 떨어짐) 외에 변압기내 종이 총량과 절연유 양의 비율로 보정(종이 양의 비율이 높으면 같은 열화 정도라도 유중에서 검출되는 열화 성분은 진해짐)한다.
이처럼 열화 진단에는 제조사의 데이터가 반드시 필요하다. 검토에 사용한 폐기 변압기의 대부분은 주고쿠전기제조㈜ 제품이며, 여기 표시하는 데이터는 모두 같은 회사에 위탁해 얻었다.
절연지는 채취 위치를 바꿔가며 4~6곳에서 채취했다. <그림 3, 4>에서 불규칙한 분포를 보이는 권선 절연지의 중합도는 최소(최악), 평균, 최대(양호)의 결과를 보여준다.
 평가 | 일본 전기협동연구 제54권 제5호에선 CO2+CO 농도 0.2㎖/g, 푸르푸랄 농도 0.0015㎎/g이 평균 중합도 450 상당으로, 요주의 레벨에 속한다. 단위를 고려하면 CO2+CO 농도는 1만 ppm(부피), 푸르푸랄 농도는 0.075ppm(중량)이 되며, 이 데이터에서도 같은 결과를 확인했다.
그러나 <그림 3, 4>에서 보듯이 농도 영역에 따라 중합도가 최대 200 정도나 불규칙하게 분포했다.
이 진단에선 유중 성분 농도에서 권선 중합도를 추정하는 것이 목적이나, 근사선을 적용해도 전후 100 정도의 오차를 각오해야 한다. 향후 데이터 축적과 재평가가 필요하다.
유중 성분의 농도 보정 | 여러 변압기를 비교했을 때 보정 후 CO2+CO 농도와 푸르푸랄 농도의 대소 순서는 같다. 취득한 데이터 대부분이 그러했으나, 앞뒤가 바뀐 데이터도 있었다. 이는 농도 보정이 잘 이뤄지지 않았음을 뜻한다.
푸르푸랄의 경우, 오일 교체 경력이 있는 것은 전체 12개 중 2개였으며, 그 외에는 보수 경력에 따른 보정을 하지 않았다. 게다가 오일을 교체해도 푸르푸랄은 절연지에 그대로 남아 있는 비율이 높아(일본 전기협동연구에 따르면 85%) 보정 비율이 낮다.
반면 CO2+CO의 경우, 탈기 작업의 빈도가 높은 데다 보정하는 경우에도 보정량이 실측값의 수백%가 되는 사례가 있다.
따라서 농도 보정 시 생기는 오차를 고려하면 푸르푸랄 분석이 조금 더 유리하다.
리드 절연지 채취에 의한 진단
폐기한 변압기의 라인 리드와 탭 리드 접속부의 절연지를 채취해 평균 중합도를 조사해 그 변압기의 권선 절연지의 평균 중합도와 비교했다. 결과는 <그림 5, 6>과 같다.
두 데이터 모두 권선 절연지의 중합도와 상당히 좋은 관계도를 보여준다.
라인 리드 절연지의 평균 중합도는 일절 보정하지 않았으며, 채취 작업에 힘이 들긴 하지만 보정 시오차가 생길 우려가 없어 진단 방법으론 바람직하다고 할 수 있다.
탭 리드 절연지 채취에서 얻은 데이터는 지면 관계상 생략하나 보정에 어느 정도 힘이 들었다. 보정에 필요한 데이터 항목이 많고 오차가 생기기 쉬운 것 외에도 데이터 준비가 번잡하다. 라인 리드 절연지를 채취할 수 있다면 탭 리드 절연지에 꼭 얽매일 필요는 없다.
그런데 폐기 변압기에서 리드선 절연지를 채취하려 했을 때 신설 당시의 절연지가 없는 사례가 여러번 있었다. 이유는 과거에 한 개조, 제작 초기 리드선 절연 재료의 차이(직물 전선 등)로 말미암은 것이었다. 절연지 채취 여부는 사전 조사가 중요하다.
한편, 앞으로 진단할 많은 변압기의 이차 리드선 절연지는 평각 동선에 각각 감겨 있으며, 절연지 채취 시 노력하면 옛 종이를 일부 남길 수 있다. 리드선 절연지의 중합도 측정은 보통 변압기 일생에서 1번 정도 하는 것으로 여기지만, 만약 시기를 두고 여러 번 측정할 수 있다면 열화 진전 속도를 보여주는 귀중한 데이터가 될 것이다.
 실운용에서 진단 절차
비용과 정밀도의 균형을 생각해 실운용에선 비용이 적게 드는 유중 성분 분석과 정밀도를 얻을 수 있는 리드선 절연지 채취 결과를 종합해 판단한다.
리드선 절연지 채취에 따른 분석은 단독으로 하기엔 비용이 많이 들긴 하나 수십 년을 사용하는 기간 중에 1회 정도는 대규모 보수 작업 등 적당한 기회가 있을 때 하면 좋다.
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변압기의 경년 열화 진단에 관해 지금까지 검토해 온 내용을 소개했다. 주고쿠전력㈜는 이러한 절차를 사내에서 표준화해 정착시켰다. 즉, 연구단계에서 한발 나아가실 운용단계에 막 도달했다고 생각한다.
품을 들이는 데 비해 진단 정밀도는 실운용에 적용하기에 충분치 않다고 여기는 이도 있을지 모른다. 물론 지금까지 취득한 데이터 수만으론 부족하다. 정밀도 향상을 목표로 계속 데이터를 축적해 나가야 할 것이다.
그러나 이 진단 방법을 실운용에 적용함으로써 데이터 축적이 상당히 빨라졌다고 생각하며, 향후 데이터 축적에 맞춰 적절한 재평가가 이뤄진다면 정밀도는 점점 향상할 것으로 기대한다.
<Energy News>
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