기포탑을 이용한 절연유중 용존가스 추출 및

변압기 감시장치의 적용

남창현, 이태원, 강 용*

한전 전력연구원, 충남대학교 화학공학과*

Application of Transformer Monitoring System and Extraction of Gases Dissolved in Insulating Oil

in a Bubble Column

Chang Hyun Nam, Tae Won Lee, Yong Kang*

Korea Electric Power Research Institute

Dept. of Chemical Engineering Chungnam National University*

서론

최근 전력공급의 질적인 향상 요청으로 전력설비의 안정성에 대한 요구가 날로 증대되고 있으며, 특히 변압기의 신뢰성 향상과 사고의 미연방지를 위한 예방 또는 예측진단기술의 중요성이 크게 인식되고 있는 실정이다. 운전중인 대전력용 변압기의 내부이상을 사전에 알아내기 위한 상태진단법중 신뢰성이 높아 널리 이용되고 있는 방법이 변압기 내부에 주입되어 있는 전기절연유중의 용존된 가스를 분석하는 방법이나[1], 이러한 용존가스 분석에는 많은 비용과 시간이 요구되며 특히, 전문적인 기술을 습득한 사람과 복잡한 설비를 필요로 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 기포탈기방식에 의한 절연유중에 용존된 각종 이상검지용 가스를 추출하고 이들 추출가스를 가스센서를 이용하여 가스의 종류와 농도를 검출하는 유중가스 자동검출장치가 개발되어 실용화중에 있다.  기포탑 추출기(bubble column extractor)는 다른 추출방식에 비해 장치가 간단해서 운전이 쉽고, 유지보수비가 적게 들 뿐아니라 특히, 추출기 내에서 상(phase)들 간의 접촉이 효율적이기 때문에 열전달 및 물질전달 효과가 커서 최근 많이 응용되고 있다. 이러한 자동검출장치들은 가스센서로 부터의 검출결과로 부터 변압기 상태진단까지 가능하도록 구성하고 있으며, 절연유의 채취부터 상태진단까지 모든 단계는 전 자동으로 수행됨은 물론 원격제어 또한 가능하여 안정적인 변압기 운전은 물론 양질의 전력공급에도 크게 기여하고 있다.

변압기 내부이상 진단기술

변압기는 운전중에 각부가 열화등으로 전기, 기계적인 성능이 저하되어 이상이 발생되는 경우가 있는데, 그 이상을 사전에 발견하여 적절한 조치를 취하지 않으면 중대한 사고를 일으키는 수가 있다. 이러한 사고를 미연에 방지하기 위해서는 이상의 징후를 초기단계에 검출하여 이상의 내용을 정확히 파악하고 대책을 수립할 필요가 있다. 이러한 이상유무를 진단하는 많은 방법[2]들이 실용화 되어 있는데, 변압기와 같은 유입 전력기기의 이상진단 방법중 가장 효과적인 상태진단법으로서 유중가스 분석에 의한 방법을 들 수 있다. 변압기 내부의 이상현상 즉, 절연파괴현상이나 국부과열현상은 반드시 발열을 동반하며 발생이 되는데, 이러한 발열원에 접촉한 절연유, 절연지 및 bakelite 등의 절연재료는 열의 영향으로 분해반응을 일으켜 CO2, CO, H2가스 뿐만아니라 C2H2, CH4, C2H4 등과 같은 탄화수소계 가스를 발생시킨다. 이들 발생가스의 대부분은 절연유중에 용해되기 때문에 변압기에서 채취한 절연유중의 용존가스를 추출하고 분석하여 얻은 가스량 및 가스조성으로 부터 변압기의 내부이상유무 및 부위와 그 정도를 추정할 수 있다. 분석작업의 간소화와 신속화의 목적으로 변압기의 이상유무를 자동 연속적으로 진단할 수 있는「자동검출장치」가 개발되어 실용화에 이르고 있다[3]. 이러한 장치들은 변압기에 직접 취부되어 내부상태를 알려주고 경보를 울리게 하여 사고를 사전에 예방토록 설계하고 있으며, 변전설비의 종합 진단시스템과 연계시켜 변전소 무인화에 대비할 수 있도록 구성하고 있는 것이 특징이다[4].

최근에는 보다 효과적으로 수행하기 위해서 변압기 내부에서 발생하는 용존가스중 특징적인 가스만을 연속적으로 측정하여 내부이상의 유무를 예측하는 자동감시장치에 의한 상시 감시기술이 실용화에 이르고 있다[5].

Table 1. Fault gases in transformer oil

이 상 의 종 류		주 발 생 가 스
절연유의 과열	저 온(300℃ 이상)	메탄, 에탄, 에틸렌
	중 온(300∼700℃)	메탄, 에탄, 에틸렌
	고 온(700℃ 이상)	메탄, 에탄, 에틸렌
고체절연물의 과열		일산화탄소, 이산화탄소, 메탄
절연유중 아-크		아세치렌, 수소, 에틸렌, 메탄
절연유중 코로나		아세치렌, 수소, 에틸렌, 메탄
고체절연물 및 절연유의 과열		일산화탄소, 이산화탄소

용존가스 추출기(gas extractor)

전기절연유중 용해되어 있는 용존가스 자동검출장치 개발을 위해서는 액상으로 부터의 용존가스 추출이 가장 핵심기술이라 할 수 있는데, 기포탑 추출기(bubble column extractor)를 이용하는 추출법을 적용할 경우 기포탑 추출기는 액체 고정상(liquid phase)에 기포가 분산상(dispersed phase)으로 존재하기 때문에 기포의 크기 및 상승속도와 기체체류량 등은 기상과 액상의 접촉현상과 그 흐름 특성에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있을 뿐만아니라 고정상의 액상내에서 기체의 흐름형태 또한 액상의 물리적 성질인 점도, 표면장력 및 밀도의 영향을 받기 때문에 반응기의 조작조건 결정과 성능 및 효율 등에 중요한 영향을 미치게 된다. 특히, 이러한 영향들은 다른 변수와 함께 복합적으로 나타나기 때문에 일정한 경향을 보이지 않는다고 볼 수 있기 때문에 고정상의 액상에 연속기상이 주입되는 기-액상의 기포탑에서 실험변수인 유면상의 계와 유의 체적비, 액상의 점도와 부피, 기상유속 등이 추출가스 농도에 미치는 영향 등을 충분한 실험을 통해서 고찰하고 이를 추출기 설계시 고려하여야 한다.

Fig. 1.  Diagram of bubble column

유중가스 자동검출장치

유중가스 자동검출장치는 주로 현장설치형으로 설계하고 있으며, 10∼50□의 전기절연유 시료중에 용존되어 있는 가스를 기포탈기방식(air bubbling method)으로 추출하고 추출가스를 반도체식 또는 접촉연소방식의 가스센서로 도입하여 저항변화에 따른 출력값을 농도로 환산함으로써 검출을 완료하며, 검출결과는 장치 운전 및 이상진단용 프로그램에 의해서 변압기의 내부이상유무가 판정되어 상태진단과 조치사항을 알려주도록 구성하고 있다. 다음은 실용화된 유중가스 자동검출장치의 일반적인 구성도는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.  Schematic diagram of apparatus

ⓛ Transformer  ④ Solenoid valve(2way)  ⑦ Measuring tube

② Bubble column extractor  ⑤ Control valve  ⑧ Gas analyzer(G/C)

③ Solenoid valve(3way)  ⑥ Recirculation pump  ⑨ Filter

이와 같은 추출장치를 이용한 자동감시장치로부터 다음과 같은 기대효과를 요약할 수 있다.

① 전기절연유중 용해되어 있는 용존가스 추출을 기포탑 추출기를 이용함으로       써 큰 열전달 및 물질전달효과를 기내할 수 있어 추출율 향상은 물론 비교       적 장치가 간단하여 고장이 적고 보수가 용이하다.

② 자동감시장치에 의한 가스센서의 검출값은 경시적 운전조건에서도 일정한       값을 나타내어 변압기의 내부이상 진단에 효율적으로 이용할 수 있다.

③ 자동감시장치에 의한 가스센서의 검출값은 직접 채유분석하여 정밀분석한       결과와 그 농도 및 경향에 있어서 대체적으르 잘 일치한다.

결론

발·변전소에 설치되어 있는 고전압용 변압기의 운전중 사고시는 커다란 파급효과를 유발할 수 있기 때문에 사전예방을 위한 진단대책이 보다 완벽히 요구된다 하겠다. 그러나 운전중인 변압기의 상태진단법이 많이 개발되어 있음에도 불구하고 그 진단법이 재래적이고 운전자의 경험에 의존하는 비효율적인 방법으로 수행되고 있어 인력 및 시간의 낭비 뿐만아니라 효과적인 사고대처가 어려운 실정이다. 따라서 변압기 상태진단법중 가장 신뢰성 있는 것으로 알려져 있을 뿐만아니라 우리나라에서도 1980년 초부터 적용하여 사고예방에 큰 실효를 거두고 있는 절연유중 용존가스 분석에 의한 상태 진단법을 보다 확고한 기술로 정착시키기 위하여 기포탈기법을 이용한 용존가스 추출이론을 정립하여 추출기의 설계자료로 활용하였으며, 이를 이용한 가스검출장치를 개발중에 있다. 따라서 실용성능을 더욱 향상시켜 확대적용함으로써 보다 효과적인 변압기 진단과 사고예방은 물론 나아가서 양질의 전력을 보다 안정적으로 공급하는데 크게 기여하리라 기대된다.

참고문헌

[1] R.Baehr, et al. "Diagnostic Techniques and Preventive Maintenance            Procedures for Large Transformers"(in Paris), International Conference        on Large High Voltage Electric Systems, 12-13, pp.1-6, 1992

[2] Y.Kamata, "Diagnostic Method for Power Transfomer Insulation", IEEE        Trans. on Electr. Insul., Vol. EI-21, No. 6, pp.1045-1048, 1986

[3] Y.Yamada, et al. "Automatic Field Monitoring of Dissolved Gases in           Transformer Oil", IEEE Trans. on Power App. and Systems, Vol. PAS-       100, No.4, pp.1538-1544, 1981

[4] H.Tsukioka, K.Sugawara, "New Apparatus for Detecting Transformer          Faults", IEEE Trans. on Electr. Insul., Vol. EI-21, No.2, pp.221-229, 1986

[5] 月罔 淑郞 菅原 悽夫, "變壓器 油中水素 常時監視 裝置의 硏究", 電氣學會論       文誌, Vol.100-A, No.1,Jan, pp.9-16, 1980.