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  1. (Electrical Safety Research Institute, Korea Electrical Safety Corporation, Korea.)



Oil-immersed transformer, Furan, Life-time, Acceleration deterioration, Insulation paper

1. 서 론

전력계통에서 안정적인 전력공급, 전력변환 역할을 수행하는 변압기의 사고 발생은 장시간의 정전을 발생시켜 국민 불편 및 기업의 생산 차질을 초래하게 된다. 최근 전기재해 통계 자료에 의하면, 변압기 설비의 노후화로 인해 변압기 사고는 2018년 200건 정도로서 전년대비 약 13% 증가하였다(1). 또한 한국전기안전공사 검사 DB 자료에 의하면, 22.9 kV 고객 전기설비는 약 80%를 차지하며, 전국의 검사 대상 변압기 수는 약 44만대이다. 이중에서 유입변압기가 약 27만대(61.3%)의 높은 점유율을 차지하고 있어, 유입변압기의 검사, 진단 및 안전관리가 중요하다. 유입변압기는 검사 및 진단 항목으로 절연유 채유를 통해 절연내력, 산가도, 유중가스 분석을 실시하며(2), 최근에는 절연지의 상태를 알 수 있는 중합도(Degree of Polymerization, 이하 DP)를 측정하는 것이 더욱 효과적인 방법으로 알려져 있다(3-6). 다만, 중합도는 운전 중인 변압기 내에서 절연지의 추출이 불가능하기 때문에 이를 대신하여, 변압기 절연유 속에 녹아 있는 절연지 열화 생성물(이하, 퓨란)을 측정하여 진단에 활용하고 있다. 즉, 유입변압기의 진단은 사고 방지, 주기적인 관리 등을 통해, 변압기의 적절한 교체시기 선정에도 활용되고 있다.

따라서 본 논문에서는 유입변압기 관리의 체계화를 위해, 가속열화에 따른 절연지의 열화 생성물 분석으로 변압기 이상여부를 확인하고, 현장에서 채유 된 절연유와 비교 분석하여 변압기 사용연수의 상관관계를 추론 하였다.

2. 가속열화실험 및 변압기 절연유 수거 방법

유입변압기 절연지의 상태변화에 따른 사용연한과의 상관관계를 조사하기 위해, 가속열화실험과 사용 중인 유입변압기의 절연유를 수거하여 분석을 수행하였다.

2.1 가속열화실험 방법

유입변압기 절연지 열화는 IEEE Std C 57.91(7)를 근거하여 가속열화를 진행하였다. 그림 1은 가속열화챔버 구성하고 절연지와 절연유를 분석하는 개념도를 나타낸다. 먼저, 가속열화챔버는 안전사고를 고려해 압력계와 밸브로 구성하고, 내부에 히터를 설치하여 온도를 조절하였다. 절연지는 현재 국내 변압기 절연지의 이력을 알 수 없어 일반 절연지(Kraft)와 열적강화 크래프트지(Diamond-pattern epoxy coated paper, 이하 DDP 절연지)를 사용하였다.

그림 1 가속열화챔버 구성 및 절연유, 절연지의 분석 개념도

Fig. 1 The Overview of analysis of oil and paper, schematic of accelerated degradation chamber.

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1759/fig1.png

변압기 제조회사에 따르면 절연지는 2010년 이전에는 외측에는 DDP 절연지, 내측에는 일반 절연지를 사용했지만, 2010년 이후에 내측, 외측 모두 DDP 절연지를 사용하고 있는 것으로 파악되었다. 절연지는 절연지내 남아있는 수분량을 제거하기 위해 105℃, 24h 건조 후 사용하였으며, 가속열화챔버 속에 절연지(3%) 외 절연유(45%, 광유), 철심(37%), 구리권선(15%)을 넣은 후 IEEE(7) 가속열화계수(92.06)를 참고하여 1차적으로 160℃에서 약 30일 동안 가속열화 시켰다. 절연지 및 절연유 분석은 7일마다 절연지를 채취하여, 중합도(DP) 분석을 하였으며, 절연유를 채유하여, 유중가스 분석(DGA)과 퓨란 분석을 수행하였다.

2.2 절연지 및 절연유의 분석방법

절연지 열화생성물(퓨란)은 ASTM 5837-99(8)과 61198(9)의 시험방법을 적용하였으며, 표 1과 같은 조건으로 분석하였다. 표에서 컬럼은 물질의 분리공간이며, 주위온도를 40℃ 설정하였다. 분석기기는 UHPLC(Ultra High Performance Liquid Chromatography) 1290 장비(Agilent Technologies 사)를 사용하였다.

표 1 퓨란 분석 조건

Table 1 The condition of HLPC

컬럼(Column)

2.1 ㎜×100 ㎜×1.8 ㎛

컬럼 주위 온도

40℃

추출 속도

0.8 ㎖/min

감지기

40 Hz, 282 ㎚/4 ㎚,

ref-400/100 ㎚, Slit 4

주입 량

1 ㎕, wash time 10 s

분석 시간

5.50 min

표 2는 가속열화 전후 절연지의 중합도 분석을 위한 시험 조건을 나타낸다. KS C IEC 60450에 근거하였으며, 그 외 절연유는 유중가스분석, 산가도, 수분 등을 분석하였다.

표 2 중합도 시험조건

Table 2 The condition of degree of polymerization

점도계

Ubbelohde Viscometer No. 1

용매

1 mol Copper(Ⅱ) ethylene

시료농도

0.05 g / 용매 50 ㎖

온도

20℃

2.3 22.9kV 변압기 절연유 수거 방법

22.9 kV 유입변압기의 절연유는 총 216대를 대상으로 지역별, 년수별, 용량별로 구분하여 채유하였으며, 그림 2는 유입변압기 절연유 채유 수거 현황을 나타낸다.

그림 2 22.9kV 유입변압기의 절연유 수거 현황

Fig. 2 The insulation oil collection status of 22.9kV oil-immersed transformer

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1759/fig2.png

절연유 채유 시에는 Amber Tube 1병, Vial 2병을 사용하였으며, 변압기의 이력 파악을 동시에 수행하였다. 채유기간 및 채유샘플은 약 3개월 동안 642병의 절연유를 수거하였다. 그림(a) 같이 유입변압기가 설치된 장소는 H변대주가 30%로 가장 많았고, 그림 (b)와 같이 유입변압기의 사용연수는 10~20년 구간이 54%로 가장 높았다. 또한 그림 (c)와 같이 유입변압기 용량은 200 ~ 400 kVA급이 37%로 가장 많았으며, 그림 (d)와 같이 사용 된 부하는 (전등전열+동력)이 30%로 가장 많았다.

3. 절연유 및 절연지 분석 결과

3.1 가속열화에 의한 분석 결과

절연지 열화생성물(퓨란)의 분석은 ASTM 5837-99(8)의 전처리 방법 및 IEC 61198(9)에 근거하여 분석하였다. 변압기 절연지는 목재 펄프 원료로부터 추출한 셀룰로오스 섬유구조로서, 가속열화(열적, 전기적) 원인에 의해 클루코오스 결합체가 끊어지게 되어 5가지의 퓨란계 화합물이 생성되게 된다. 이들 중에서 2FAL(2-furaldehyde)은 과열 등 열적 열화에 의해 검출되는 것으로 보고되고 있다(10).

그림 3은 가속열화에 따른 일반 절연지(Kraft)의 퓨란 양(ppm)과 추세선을 나타낸다. 일반 절연지의 경우, 160 ℃의 온도에서 약 4주 경과 후의 퓨란 양은 44.8 ppm을 기록하였으며, 가속시간과 2FAL의 상관관계는 0.9698으로 분석 되었다. 즉, 높은 온도에서 절연지의 결합력은 낮아지고, 2FAL이 주로 발생하였다.

그림 3 가속열화에 따른 일반 절연지(Kraft)의 퓨란 양(ppm)

Fig. 3 The furan value of Kraft paper due to accelerated degradation

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그림 4는 가속열화에 따른 DDP의 퓨란 양(ppb)과 추세선을 나타낸다. 그림 3의 일반절연지는 4주 가속열화 후, 44.8 ppm으로 측정 되었지만, DDP의 경우는 100 ppb로 분석되었다. 측정단위가 1000분의 1로 낮아지고, 퓨란 양은 약 448배의 차이가 발생하였다. 즉, DDP가 일반 절연지보다 열적 특성이 우수하다는 것을 나타내며, 이는 DDP 절연지의 구조에서 다이아몬드 문양의 에폭시가 코팅되어 있으므로, 가속열화 시간이 길어지더라도 절연지 내에 글루코오스 결합이 쉽게 끊어지지 않으며, 열적으로 강화된 것을 알 수 있다.

그림 4 가속열화에 따른 DDP 절연지의 퓨란 양(ppb)

Fig. 4 The furan value of DDP paper due to accelerated degradation

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그림 5는 가속열화 시간에 따른 DDP의 변화를 나타낸다. 가속열화 시간에 의해 절연지는 점점 검은색으로 변색되었으며, 강도가 약해지는 현상이 발생하였다.

그림 5 가속열화에 따른 DDP의 변화

Fig. 5 The variation of DDP paper due to accelerated degradation

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그림 6은 가속열화에 따른 일반 절연지의 중합도 분석 결과를 나타낸다. IEEE Guide(7) 및 IEC 60076-7(9)에 따르면, 절연지의 중합도 초기값은 약 800~1200이며, 절연지 중합도 값이 200 이하로 떨어질 때 절연지의 성능이 떨어진 것으로 판단하고 있다. 이를 근거로 보면, 일반 절연지의 경우는 약 22일 가속열화 시 중합도가 200이하로 내려가며, 이때 퓨란값은 그림 3에서 나타낸 것과 같이 약 38.99 ppm 을 가졌다.

그림 6 가속열화에 따른 일반 절연지(Kraft)의 중합도

Fig. 6 The degree of Polymerization of Kraft paper due to accelerated degradation

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그림 7은 가속열화에 따른 DDP의 중합도 분석 결과를 나타낸다. 그림에서 DDP는 160 ℃에서 35일 이상 가속열화를 시켜도 중합도 값이 300초반을 유지하였으며, 곡선의 추이를 예상하면, 약 51.7일이 경과한 후, 중합도가 200이하로 떨어지는 것을 알 수 있었다. 다만, 추이경과를 계산한 값으로서 실제 중합도가 떨어지는 것과는 차이가 발생할 수 있다. 그림 4의 DDP의 퓨란값에 대입하여 분석해 보면, 중합도가 200이하로 떨어질 때 퓨란값은 약 200 ppb 정도였다.

그림 7 가속열화에 따른 DDP 절연지의 중합도

Fig. 7 The degree of Polymerization of DDP paper due to accelerated degradation

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표 3은 가속열화에 따른 DDP 절연지의 유중가스 분석, 산가도, 수분값을 나타낸다. DDP는 열적 원인에 의해 열화 발생 시, 클루코오스 결합체가 끊어지게 되며, 이때 일산화탄소, 이산화탄소를 형성하게 된다(10). 그림에서 160℃ 온도에서 4주 동안 가속열화 시킨 경우, 일산화탄소는 약 1,024 ppm, 이산화탄소는 약 8,717 ppm를 가졌으며, 한국전기안전공사 절연 열화성 가스의 판정기준에 의하면(11), 요주의에 해당되는 값이었다. 표 3에서 3주차에서 분석결과의 차이를 나타낸 것은 대기 중에서 절연유 채유 및 분석기의 촉매제 영향 등으로 발생한 것으로 추정된다. 열 열화에 의한 가속열화를 진행함에 따라, 유중가스 성분 중의 아세틸렌의 미 검출되었으며, 에틸렌은 미량으로 검출되었다. 즉, 아세틸렌은 아크방전 등 전기적 원인으로 발생하기 때문에 미 검출되었고 열적 원인에 의한 것은 일산화탄소, 이산화탄소 및 퓨란과 상관관계가 있으며, 유입변압기 관리 시 유용한 방법임을 알 수 있다.

표 3 DDP 절연지의 유중가스, 산가도 및 수분 분석

Table 3 The analysis of moisture, acid value and DGA of DDP paper

가속시간(Day)

7

14

21

28

유중

가스

(ppm)

CO2

5,730

10,722

3,813

8,717

C2H2

0

0

0

0

C2H4

37

45

32

60

CO

572

909

678

1,024

산가(mgKOH/g)

0.04

0.06

0.06

0.06

수분(ppm)

91

94.3

50.1

64.9

표 4는 가속열화에 따른 일반 절연지의 유중가스 분석, 산가도, 수분값을 나타낸다. 표 3의 DDP 절연지 같이 가속시간에 따른 값의 변화 추이는 유사한 형태를 나타내었지만, 이산화탄소값만 큰 차이를 나타내었다. 원인으로는 대기 중에서 절연유를 채유하기 때문에 공기 중의 이산화탄소, 일산화탄소 영향 및 유중 가스 분석 시, 분석기의 촉매제 영향으로 분석결과의 차이가 발생한 것으로 판단된다. 즉, 유입변압기 유중가스, 산가도, 수분값은 절연유의 분석으로서 절연지와 무관하게 유입변압기 진단 및 유지관리에 활용될 수 있지만, 유입변압기의 교체시기 등의 판단은 퓨란 분석을 통해 접근하는 것이 더 효율적인 것을 알 수 있다.

표 4 일반절연지(Kraft)의 유중가스, 산가도 및 수분 분석

Table 4 The analysis of moisture, acid value and DGA of Kraft paper

가속시간(Day)

7

14

21

28

유중

가스

(ppm)

CO2

15,792

24,378

25,650

32,061

C2H2

0

0

0

0

C2H4

58

51

50

49

CO

631

858

825

1,105

산가(mgKOH/g)

0.06

0.1

0.12

0.12

수분(ppm)

52.5

86.3

42.9

152.7

3.2 절연유 수거를 통한 분석 결과

표 5는 22.9 kV 유입변압기의 총 216대를 대상으로 용량별로 절연유 속에 분해 된 퓨란값을 나타내며, 이력사항이 표기되지 않은 변압기는 분석에서 제외하였다. 분석 된 퓨란량을 통해 변압기 개별 이상여부를 판별하는 것이 일반적이고 정확한 방법일 것이다. 다만, 본 논문에서는 퓨란 분석을 통한 변압기의 교체여부, 교체 주기 등에 사용될 수 있는 방법적 접근을 고려하였다. 표 5의 용량별로 퓨란값을 비교해 보면, 변압기 용량이 0~200 kVA에서는 평균 172.5 ppb, 최소 10.9 ppb, 최대 4,350 ppb 이었고, 800~1,000 kVA에서는 10대 중에서 2대만 퓨란이 검출되어, 분석에서 제외하였다.

표 5 유입변압기 용량별 퓨란값

Table 5 The furan value of oil-immersed transformer capacity

용량별(kVA)

대수

퓨란 양(ppb)

평균

최소

최대*

0~200

49

172.5

10.9

4,350 (29)

200~400

79

87.7

8.0

1,651 (24)

400~600

50

87.9

9.6

898.7 (21)

600~800

17

27.9

8.0

206 (11)

800~1,000

10

19.9

64.5

135 (16)

* ( ) 사용연수

표 5를 분석해 보면, 변압기 용량이 낮을수록 퓨란의 평균값과 최대값이 높게 나타난 것을 알 수 있다. 최대값으로 분석된 변압기의 경우, 사용연수가 29년으로 다른 용량에 비해 상대적으로 높고, 제조 당시 유입변압기 절연지를 일반절연지(Kraft)로 사용한 것으로 추정되며, 변압기 용량이 낮을수록 절연유의 전체 총량이 적어, 생성물 된 퓨란 물질이 절연유 속에 많이 분해 된 것으로 추측된다.

표 6은 수거된 유입변압기의 사용연수별 절연유 속에 분해 된 퓨란값을 나타낸다. 표의 사용연수별로 퓨란값을 비교해 보면, 변압기 사용연수가 0~10년에서는 평균 29.3, 11~20년에서는 43.9, 21~30년에서는 261.8 그리고 31년 이상에서는 171.1 ppb를 나타내었다.

표 6 유입변압기 사용연수에 따른 퓨란값

Table 6 The furan value of oil-immersed transformer due to the period of use

구분

사용연수

0~10년

11~20년

21~30년

31년~

대수

44

114

52

6

퓨란 양

(ppb)

평균

29.3

43.9

261.8

171.1

최소

9.1

8.0

8.5

11.6

최대

441.0

690.0

4350.0

389.6

표 6에서 퓨란값은 사용연수가 20년을 초과하는 변압기에서 가장 높은 검출값을 가졌으며, 31년 초과의 경우는 분석대상 변압기 수가 상대적으로 적어서 비교하기 어려운 부분이 있었다.

표 7은 수거된 유입변압기의 사용연수에 따른 절연유의 유중가스 분석, 산가도, 수분값을 나타낸다. 수거된 유입변압기는 사용환경, 부하에 따라 다양한 가스성분과 가스량이 검출되었으며, 특히 이산화탄소(CO2)값이 높게 검출되었다. 평균적으로 이산화탄소값은 유중가스분석 기준(5,000 ppm 이하 정상)을 초과하지 않았지만, 개별적으로 최대값이 분석 기준을 초과하여 요주의에 해당하는 값을 가졌다(11).

표 7 유입변압기 절연유의 유중가스, 산가도 및 수분 분석

Table 7 The analysis of DGA, acid value moisture and of insulation oil of oil- immersed transformer

년수

0~10년

11~20년

21~30년

31년~

대수

44

114

52

6

유중

가스

(ppm)

CO2

1428

(401)

(12943)

1764.5

(470.95)

(8838)

2055.8

(568)

(7578.68)

3009.8

(230)

(9945)

C2H2

0.33

0.7

16.2

0.1

C2H4

25.5

11.2

13.2

8.8

CO

48.7

47.8

42.4

84.4

산가(mgKOH/g)

0.04

0.06

0.07

0.05

수분(ppm)

20.9

28.1

23.2

22.8

* ( ) 최소값, 최대값

그림 8은 수거된 유입변압기 절연유 유중가스 성분인 이산화탄소와 퓨란값의 상관관계를 나타낸다. 그림에서 네모 박스 안은 이산화탄소값과 중합도 200의 값을 기준으로 했을 때 정상범위에 있는 변압기를 나타내며, 그 외 유입변압기는 유중가스 분석과 퓨란값이 기준값을 넘어서는 것으로 나타났다.

그림 8 유입변압기 절연유 CO2 분석과 퓨란값의 상관관계 비교

Fig. 8 The Comparison of relation Furan value and CO2 in oil-immersed transformer

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1759/fig8.png

그림 8에서 퓨란값이 높아도 이산화탄소값이 낮은 경우, 퓨란값이 낮아도 이산화탄소값이 높은 경우 등이 나타났다. 유입변압기의 이상 유무 판별 시에 퓨란값이 높게 나오는 변압기를 주의 깊게 관찰할 필요가 있을 것으로 판단된다. 이는 절연유의 경우 교체가 가능하지만, 절연지는 교체가 거의 불가능하기 때문이다.

4. 절연유 열화생성물 분석에 따른 사용연수 추론

유입변압기 안전관리의 중요 사항은 미연에 사고를 방지하기 위하여, 절연유 등의 상태를 적절하게 관리하고, 노후화에 따른 적절한 교체시기 및 주기를 설정해 두는 것이다. 절연유의 가속열화 실험과 사용 중인 22.9 kV 유입변압기를 수거하여, 절연유 분석 및 절연지의 퓨란 분석을 수행한 결과를 바탕으로 유입변압기의 사용연한을 추론해 보았다. 최근 유입변압기의 제조 시에 DDP 절연지가 대부분 사용되기 때문에 중합도 값이 200이하로 감소하는 것을 기준으로 퓨란양을 측정하여, 유입변압기에 적용해 보았다.

그림 9는 수거 된 유입변압기에서 사용연수별로 퓨란값을 측정한 것을 나타낸다. 그림 9에서와 같이, 수거 유입변압기의 퓨란값이 약 200 ppb가 되는 지점은 약 37년으로 나타났다. 사용연수와 퓨란값의 관계는 선형회귀분석법(Linear Regression)을 이용하여 2차 다항 회귀식으로 구하였다. 수거 유입변압기의 216대를 대상으로 단순하게 퓨란값을 통해 사용연수를 추론하는 것이 다소 무리가 있을 것으로 판단되지만, 각종 문헌 등에서 변압기의 수명을 단순하게 몇 년으로 규정하는 것은 근거를 정확하게 알 수 없는 경우가 지배적이다. 따라서 절연지의 상태가 악화되는 것은 변압기의 사용연수에 미치는 영향이 큰 만큼, 주기별 관리가 필요할 것으로 판단된다.

그림 9 수거 된 유입변압기의 퓨란값 분석을 통한 사용연수 추론

Fig. 9 The estimation of life time through furan value analysis of oil-immersed transformer

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1759/fig9.png

5. 결 론

유입변압기의 유지관리 및 적절한 교체를 통한 사고 예방을 위하여, 가속열화에 따른 절연지의 열화 생성물 분석과 현장에서 채유 된 절연유와 비교 분석하여 변압기 사용연수의 상관관계를 추론 하였다. 가속열화에 따른 DDP의 퓨란 양은 일반절연지 보다 약 1000분의 1로 감소하였으며, 에폭시 코팅에 의해 결합력이 쉽게 끊어지지 않아 열적 특성이 우수하다는 것을 나타내었다. 또한 절연지의 중합도 분석을 통해 퓨란값이 약 200 ppb 일 때, 성능이 저하되는 것으로 판단되었다. 퓨란값은 절연유 성분 중 이산화탄소와 연관성이 뚜렷하였지만, 유입변압기의 교체시기 등의 판단은 퓨란 분석을 통해 접근하는 것이 더 효율적인 것을 알 수 있었다. 수거 유입변압기의 대수가 216대로 많지 않았지만, 퓨란값이 약 200 ppb가 되는 지점은 약 37년으로 나타났으며, 절연지의 상태가 악화되는 것은 변압기의 사용연수에 미치는 영향이 큰 만큼, 주기별 관리가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This research was supported by Korea Institute of Energy Tech- nology Evaluation and Planning (KETEP) grant funded by the Ministry of Trade, Industry and Energy(MOTIE)

(Development of Safety Management System of Electrical Facilities Through Life Cycle Management, No. 20202910100030)

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저자소개

김영석(Young-Seok Kim)
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He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees all in electrical engineering from Gyeongsang National University, Korea, in 1996, 1999, and 2004, respectively.

Currently, he is a Principal Researcher with the Electrical Safety Research Institute(ESRI), Korea Electrical Safety Corporation (KESCO), Wanju, Korea.

He is currently a member of IEC TC 20(electrical cable).

His research interest is in diagnosis of electrical cable, electrical insulation and asset management of electrical facilities

His e-mail address is athens9@kesco.or.kr

황 민(Min Hwang)
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He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Jeonbuk National University, Jeonju, Korea, in 2015 and 2017 respectively.

Currently, he is a Researcher with the ESRI, a subsidiary of KESCO, Wanju, Korea.

His research interest is in the dissolved gas analysis of transformer, transformer condition monitoring and diagnosis, life-cycle based transformer asset management.

His e-mail address is hmin@kesco.or.kr

조기룡(Gi-Ryong Jo)
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He received his M.S. degree in Electrical Engineering from Jeonbuk National University, Jeonju, Korea, in 2021.

He received his B.S. degree from Kunsan National University in 2017.

Currently, he is a Researcher with the ESRI, a subsidiary of KESCO, Wanju, Korea.

His research interest is in the dissolved gas analysis of transformer, transformer condition monitoring and diagnosis, insulation ageing, life-cycle based transformer asset management.

His e-mail address is inertia21@kesco.or.kr