구자영
(Ja-Young Koo)
1iD
곽준호
(Jun-Ho Kwak)
1iD
김희동
(Hee-Dong Kim)
†iD
-
(Motor Insulation Technology TFT, Hyosung Heavy Industries Corporation, Republic of
Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
stator winding, HV motor, contamination, OCP, cleaning work, VPI, PD, UV, maintenance work, surface discharge, ECP
1. 서 론
장기간 운전 중인 고압전동기 고정자 권선은 열적, 전기적, 기계적 및 환경적 응력(Stress) 등에 의해 복합적으로 절연열화가 진행하고 있다[1,2]. 고압전동기 고정자 권선에서 복합적인 열화가 발생함에 따라 절연재료 내부의 공극(Void) 생성, 빈번한 기동정지와 진동으로 인한 고정자 권선 표면의
도전성 테이프(Outer Corona Protection, OCP) 마모에 따른 절연 손상, 단말권선(Endwinding) 표면에서 먼지와 같은 이물질로
인한 트래킹(Tracking) 발생, 상간(Phase-to-Phase) 권선이 불충분한 공간을 확보함에 따라 방전에 의한 손상 및 소선절연이 열화하면서
턴간 단락 등에 의해 최종적으로 절연파괴가 일어나고 있다[3-6]. 그리고 OCP와 단말권선의 반도전성 테이프(Endwinding Corona Protection : ECP)의 중첩부(Overlap) 사이가 분리되어
부분방전이 크게 증가할 수도 있다[7].
운전 중인 고압전동기 고정자 권선의 절연열화로 인해 갑작스런 절연파괴 사고가 발생하거나 혹은 부분방전 크기의 트렌드(Trend)가 현저하게 증가했을
때 대체할 수 있는 여분(Spare)이 없는 경우도 있다. 이런 경우에 고압전동기 재권선을 위해 거의 20∼30일 동안 정지하여 생산성 감소와
경제적 손실이 매우 크게 발생하거나 혹은 차기 계획예방정비기간까지 불안정한 상태에서 운전을 지속하게 된다. 따라서 고압전동기 고정자 권선의 절연열화
상태를 다양하게 분석하여 종합적인 관리시스템 구축과 예측정비 계획에 따라 사전 정비를 수행함으로서 산업설비의 안정적인 운전에 크게 기여할 수가 있다.
본 논문은 15년 정도 운전한 반폐형 고압전동기(3,700 kW, 13.2 kV) 고정자 권선 내부에서 심한 오염으로 인해 세척작업(Cleaning
Work) 후에 육안점검 결과 슬롯단부에서 OCP 손상이 확인되었다. OCP 손상 부분을 도전성 페인트(Conductive Paint)를 사용하여
도포하는 절연보강(Insulation Reinforcement)을 마치고 전체적으로 고정자 권선을 VPI(Vacuum Pressure Impregnation)
방식으로 재함침(Re-impregnation)하는 정비작업(Maintenance Work) 후에 절연진단(Insulation Diagnostic)과
UV(Ultraviolet) 시험을 수행하였다. 고압전동기 고정자 권선에서 세척과 정비작업 후에 절연진단 시험결과 절연저항, 성극지수, 교류전류 및
유전정접은 모두 양호하게 판정되었다. 그리고 세척작업 후에 부분방전 크기는 불량한 상태를 나타내다가 정비작업을 마치고 요주의 상태로 변환됨에 따라
그 결과를 세밀하게 분석하였다.
2. 시험방법
세척과 정비작업을 마치고 고압전동기 고정자 권선의 절연상태를 확인하기 위해 절연진단 시험을 수행하였다. 교류전압을 인가하기 전에 고압전동기 고정자
권선에서 삼상 일괄로 직류 5 kV를 인가하면서 절연저항과 성극지수(Automatic Insulation Tester, AVO International)를
측정하였다. 고압전동기 고정자 권선에서 교류전류, 유전정접 및 부분방전 시험을 위해 쉐링브리지(Schering Bridge), 커플링 커패시터(Coupling
Capacitor) 및 부분방전 측정기(Partial Discharge Detector : PDD, Tettex Instruments TE 571)를
사용하였다. 쉐링브리지는 전원장치(HV Supply, Type 5283), 브리지(Bridge, Type 2818) 및 공진 인덕터(Resonating
Inductor, Type 5285)로 구성되어 있다. 고압전동기 고정자 권선에 쉐링브리지(Tettex Instruments)를 연결하여 교류전압을
인가하였으며, 커플링 커패시터(Tettex Instruments, 1,000 pF)는 권선에서 유입되는 신호를 커플링 유니트(Coupling Unit,
Tettex Instruments AKV 572)에 보내어 증폭한 후 부분방전 측정기에서 방전 크기와 패턴을 분석하였다. 부분방전 측정기의 주파수
대역폭은 30～400 kHz이며, 주로 접지를 통해 유입되는 외부노이즈는 각각 220 pC, 200 pC 정도로 측정되었다. 세척작업과 정비작업을
마치고 고압전동기 고정자 권선에서 부분방전 발생 위치를 확인하기 위해서 UV 측정 장비는 Corona Detection System (UVOLLE-VX,
Ofil 2021년 제작)을 사용하였다.
3. 시험결과 및 고찰
표 1은 국내에서 2009년 제작되어 15년 동안 운전한 13.2 kV급 고압전동기의 정격을 나타내었다.
표 1 고압전동기 정격
Table 1 Nominal ratings of HV motor
|
용량
[kW]
|
전압
[kV]
|
전류
[A]
|
회전수
[RPM]
|
절연등급
|
제작년도
|
제작사
|
|
3,700
|
13.2
|
187.3
|
1,775(4P)
|
F
|
2009
|
국내
|
그림 1(a)에서 나타낸 바와 같이 15년 정도 운전한 고압전동기 고정자 권선은 오손으로 인해 세척작업을 마치고 육안점검 결과 비결선측 슬롯단부에서 8곳 및 결선측
슬롯단부에서 8곳 총 16곳에서 OCP가 손상되었다[6]. 그리고 비결선측 단말권선 사이에서 1곳의 탄화 흔적도 확인할 수 있었다. 탄화 흔적은 단말권선 사이의 이물질 유입으로 인한 오손이 근본적인 원인이
되어 운전 중에 발생하였으며, 사포(Sappho)로 제거하고 자연경화 절연 바니쉬(Varnish)로 보강작업을 수행하였다. 그림 1(b)는 비결선측과 결선측의 OCP 손상 부분을 도전성 페인트를 도포하는 절연보강을 마치고 전체적으로 고정자 권선을 VPI 방식으로 재함침하는 과정을 거치는
정비작업을 수행하였다. 특히, OCP 손상 부분을 도전성 페인트로 도포작업을 할 때 유의해야할 점은 기존에 설치된 OCP와 동일한 특성을 갖는 경우에
손상된 부분만 도포하면 문제가 없지만 도전성 페인트 특성이 조금만 달라도 전체적인 권선을 모두 도포하여야 한다. 그렇지 않은 경우에 손상된 부분만을
도포하면 손상되지 않은 옆쪽 권선에서 부분방전 크기가 높아지기 때문에 결과적으로 전체적인 고정자 권선을 모두 도포해야 한다. OCP와 동일한 특성을
확인하기가 어려워서 도전성 페인트를 전체적으로 모든 권선에 도포하였다.
그림 1. 고압전동기 고정자 권선의 세척과 정비작업 후 비교
Fig. 1. Comparison after cleaning and maintenance work in HV motor stator windings
표 2에서 나타낸 바와 같이 고압전동기 고정자 권선에서 세척과 정비작업 후에 절연진단 시험결과 절연저항, 성극지수, 교류전류 및 유전정접은 모두 양호하게
판정되었으나 부분방전 크기는 불량한 상태를 나타내었다.
13.2 kV급 고압전동기의 경우 정격전압에서 △I는 8.5% 이상이면 불량으로 판정하며, Δtanδ는 6.5% 이상일 경우에 불량으로 판정하고 있다[8-10]. 세척작업 후에 고압전동기 고정자 권선은 교류전압 1 kV를 인가했을 때 교류전류는 57.42 mA이며, 13.2 kV에서 808.9 mA로 측정되었다.
그리고 정비작업 후에 고압전동기 고정자 권선은 교류전압 1 kV를 인가했을 때 교류전류는 58.84 mA이며, 13.2 kV에서 828.0 mA로
측정되어 약간 증가하였다. 1 kV와 13.2 kV에서 측정한 데이터를 근거로 세척과 정비작업 후에 ΔI는 각각 6.62%, 6.50%로 모두 양호하게
분석되었으며, ΔI는 0.12%가 감소하였다.
표 2 고압전동기 고정자 권선의 절연진단 시험결과
Table 2 Test results of insulation diagnostic in HV motor stator windings
|
시험항목
|
절연저항
[GΩ]
|
성극지수
|
교류전류
(ΔI)[%]
|
유전정접
(Δtanδ)[%]
|
PD 크기
[pC]
|
|
시험전압
|
DC 5 kV
|
DC
5 kV
|
AC
13.2 kV
|
AC
13.2 kV
|
AC
7.62 kV
(E/√3)
|
|
양호 판정기준
|
100[㏁] 이상
|
2.0 이상
|
8.5% 이하
|
6.5% 이하
|
양호<10,000
≤ 요주의 <
30,000≤불량
|
|
세척작업 후
|
7.03
|
3.65
|
6.62
|
2.272
|
66,500
|
|
정비작업 후
|
15.60
|
5.20
|
6.50
|
2.695
|
20,900
|
그림 2에서 나타낸 바와 같이 세척작업 후에 고압전동기 고정자 권선은 교류전압 1 kV를 인가했을 때 tanδ는 1.979%이며, 13.2 kV에서 4.307%로
측정되었다. 그리고 정비작업 후에 교류전압 1 kV를 인가했을 때 tanδ는 1.936%이며, 13.2 kV에서 4.672%로 측정되어 약간 증가하였다.
따라서 세척작업 후에 2 kV에서 2.035%와 13.2 kV에서 4.307%이며, 정비작업 후에 2 kV에서 1.977%와 13.2kV에서 4.672%로
측정되었다[11].세척작업과 정비작업 후에 Δtanδ는 각각 2.272%, 2.695%로 양호하게 분석되었으며, 정비작업 후에 Δtanδ는 0.423%가 증가하였다.
교류전압을 증가했을 때 세척과 정비작업 후에 tanδ 증가점의 전압은 각각 2.0 kV, 3.0 kV로 측정되었다.
그림 2. 고압전동기 고정자 권선의 tanδ-전압 특성
Fig. 2. Characteristics of tanδ-voltage in HV motor stator windings
그림 3에서 나타낸 바와 같이 세척작업 후에 고압전동기 고정자 권선은 교류전압 1 kV를 인가했을 때 커패시턴스는 152.2 nF이고 13.2 kV에서 162.2
nF으로 측정되었다. 그리고 정비작업 후에 교류전압 1 kV를 인가했을 때 커패시턴스는 155.9 nF이고 13.2 kV에서 166.1 nF으로 측정되어
약간 증가하였다. 세척과 정비작업 후에 정격전압 13.2 kV에서 측정한 데이터를 근거로 ΔC는 각각 6.57%, 6.54%이며, ΔC는 0.03%가
감소하였다. 표 2에서 나타낸 바와 같이 1 kV와 정격전압 13.2 kV에서 ΔI는 각각 6.62%, 6.50%로 계산되어 커패시턴스 증가율 ΔC와 유사하게 나타내었다[12]. 그리고 교류전압을 증가했을 때 세척과 정비작업 후에 역시 커패시턴스 증가점의 전압도 각각 2.0 kV, 3.0 kV로 측정되어 tanδ 증가점의
전압과 일치하였다. 따라서 세척과 정비작업 후에 역시 부분방전 개시전압도 각각 2.0 kV, 3.0 kV 근처에서 측정될 것으로 예측할 수 있었다.
그림 3. 고압전동기 고정자 권선의 커패시턴스-전압 특성
Fig. 3. Characteristics of capacitance-voltage in HV motor stator windings
표 3은 고압전동기 고정자 권선의 부분방전 특성을 나타내었다. 세척과 정비작업 후에 외부 노이즈는 각각 220 pC, 200 pC으로 측정되었으며, 외부노이즈를
기준으로 해서 교류전압을 증가하면서 부분방전 크기가 1,000 pC이상으로 나타날 때 전압을 부분방전 개시전압(Partial Discharge Inception
Voltage : PDIV)이라 한다. 13.2 kV급 전동기의 경우 상전압인 7.62 kV에서 10,000 pC 이하는 양호, 10,000 pC
이상∼30,000 pC 이하는 요주의, 30,000 pC 이상은 불량으로 판정하고 있다[8-10].
표 3 고압전동기 고정자 권선의 부분방전 특성
Table 3 Characteristics of PD in HV motor stator windings
|
고압전동기
|
계통잡음
[pC]
|
PDIV
[kV]
|
PD 크기[pC]
|
|
7.62 kV
|
9.53 kV
|
13.2 kV
|
|
세척작업 후
|
220
|
2.0
|
66,500
|
354,000
|
|
|
정비작업 후
|
200
|
3.0
|
20,900
|
26,500
|
34,500
|
표 3에서 나타낸 바와 같이 세척과 정비작업 후에 부분방전 개시전압은 각각 2.0 kV, 3.0 kV로 측정되었다. 그림 4에서 나타낸 바와 같이 세척작업 후에 상전압(7.62 kV)과 상전압의 1.25배(9.53 kV)에서 부분방전 크기는 각각 66,500 pC 및 354,000
pC으로 측정되었다. 그리고 상전압(7.62 kV)에서 부분방전 패턴은 슬롯단부측 철심(Core)과 단말권선 사이에서 표면방전을 나타내었으며, 상전압의
1.25배(9.53 kV)에서 부분방전 패턴은 아크방전(Arc Discharge)이 발생하였다. 이와 같이 아크방전은 상부권선(Top Bar)의 비결선측
슬롯단부에서 8곳 및 결선측 슬롯단부에서 8곳의 OCP가 손상된 부분과 하부권선(Bottom Bar)에서도 확인할 수 있었다.
그림 4. 고압전동기 고정자 권선에서 세척작업 후 부분방전 크기 및 패턴
Fig. 4. PD magnitude and patterns after cleaning work in HV motor stator windings
그림 5. 고압전동기 고정자 권선에서 정비작업 후 부분방전 크기 및 패턴
Fig. 5. PD magnitude and patterns after maintenance work in HV motor stator windings
그림 5에서 나타낸 바와 같이 정비작업 후에 상전압(7.62 kV), 상전압의 1.25배(9.53 kV) 및 정격전압(13.2 kV)에서 부분방전 크기는
각각 20,900 pC, 26,500 pC 및 34,500 pC으로 측정되었다. 그리고 상전압(7.62 kV)과 상전압의 1.25배(9.53 kV)에서
부분방전 패턴은 1∼2개의 아크를 동반하는 표면방전을 나타내었으며, 정격전압(13.2 kV)에서는 거의 아크가 없는 표면방전을 나타내었다. 비결선측
상부권선의 슬롯단부에서 8곳과 결선측 슬롯단부에서 8곳의 OCP가 손상된 부분을 비롯하여 고정자 권선은 전체적으로 도전성 페인트 도포 작업을 마침에
따라 간헐적은 아크를 동반하는 표면방전으로 패턴이 변환되었음을 확인하였다[13].
앞에서 예측한 바와 같이 세척과 정비작업 후에 부분방전 개시전압은 각각 2.0 kV, 3.0 kV이며, 이 전압은 다시 tanδ 증가점의 전압과 커패시턴스
증가점의 전압이 2.0 kV, 3.0 kV로 동일하게 측정되었다. 따라서 고압전동기 고정자 권선에서 절연열화가 진행하면, 부분방전 개시전압, tanδ
증가점의 전압 및 커패시턴스 증가점의 전압이 모두 낮게 측정된다[14].
그림 6에서 나타낸 바와 같이 세척과 정비작업 후에 부분방전 크기와 전압 사이의 관계를 나타내었다. 그림 6(a)는 비결선측 상부권선의 슬롯단부에서 8곳과 결선측 슬롯단부에서 8곳의 OCP가 손상된 부분에서 주로 아크방전이 발생되어 부분방전 크기가 전압이 증가함에
따라 엄청나게 크게 증가하였다. 그림 6(b)는 비결선측 상부권선과 결선측 슬롯단부에서 OCP가 손상된 부분에서 정비작업을 마침에 따라 아크가 현저하게 감소하여 부분방전 크기가 전압이 증가함에
따라 크게 감소하였다.
그림 6. 고압전동기 고정자 권선에서 부분방전 크기와 전압 사이의 관계
Fig. 6. Relationship between PD magnitude and voltage in HV motor stator windings
고압전동기 고정자 권선에서 부분방전 발생 위치를 확인하기 위해 Corona Detection System을 사용하여 교류전압을 증가하면서 UV 카운트
수를 측정하였다. 그림 7(a), (b)에서 나타낸 바와 같이 비결선측 8곳과 결선측 8곳 총 16곳의 OCP가 손상된 슬롯단부에서 UV가 측정되었다. 교류전압을 상전압(7.62 kV)과
상전압의 1.25배(9.53 kV)로 증가했을 때 UV 카운트 수가 최대 범위 32,760으로 측정되었다. 그리고 상전압의 1.25배(9.53 kV)
인가 시에 OCP가 손상된 부분에서 육안으로도 아크방전을 확인할 수 있었다. 부분방전 패턴이 표면방전과 아크방전으로 나타난 곳과 동일한 위치에서 UV
카운트 수가 32,760으로 높은 것은 앞에서 설명한 바와 같이 고정자 권선 슬롯단부의 총 16곳에서 OCP 손상이 근본적인 원인으로 분석되었다.
이러한 UV 측정결과는 부분방전 패턴이 아크방전으로 나타나는 것과 상호 직접적인 관련이 있는 것으로 판단할 수 있었다.
그림 7. 고압전동기 고정자 권선에서 세척작업 후 UV 측정결과
Fig. 7. UV measurement results after cleaning work in HV motor stator windings
그림 8. 고압전동기 고정자 권선에서 정비작업 후 UV 측정결과
Fig. 8. UV measurement results after maintenance work in HV motor stator windings
그림 8(a), (b)에서 나타낸 바와 같이 정비작업 후에 고압전동기 고정자 권선의 슬롯단부와 단말권선에서 UV 측정결과 상전압(7.62 kV)과 상전압의 1.25배(9.53
kV)에서 카운트 수가 최대 범위 32,760으로 확인되었다. OCP가 손상된 부분을 도전성 페인트로 도포하고 고정자 권선을 전체적으로 VPI 재함침을
수행함에 따라 그림 7에서 나타낸 바와 같이 슬롯단부에서는 UV 카운트 수가 측정되지 않았으며, 단말권선의 ECP 끝단에서 UV 카운트 수가 모두 측정되었다. 이러한 UV
측정결과는 부분방전 패턴이 표면방전으로 나타나는 것과 상호 직접적인 관련이 있는 것으로 판단할 수 있었다. 앞에서 설명한 바와 같이 그림 7과 그림 8에서 UV 카운트 수가 최대 범위 32,760으로 동일하게 분석된 것은 장비 측정범위의 한계 때문이다.
고압전동기 고정자 권선에서 세척과 정비작업을 마치고 부분방전 크기와 패턴 및 UV 측정결과에서 설명한 바와 같이 OCP가 손상되었을 때 적절하게 정비작업을
수행하지 않을 경우 슬롯단부에서 권선 표면과 철심사이에서 아크방전으로 진전되어 최종적으로 1년 이하의 짧은 시간 만에 절연파괴가 발생할 수 있다[15]. 따라서 반폐형 고압전동기 단말권선 표면이 도전성을 갖는 이물질 유입으로 오손되거나 혹은 높은 온도로 운전되어 과열될 경우에 OCP 손상이 서서히
진행하기 때문에 수명연장을 위해 주기적으로 회전자를 분리함으로서 육안점검과 절연진단 시험결과를 토대로 예측정비를 수행할 필요가 있다.
4. 결 론
반폐형 고압전동기(3,700 kW, 13.2 kV) 고정자 권선에서 세척과 정비작업을 마치고 절연진단과 UV 시험결과를 종합적으로 분석하여 아래와
같은 결론을 얻었다.
(1) 세척과 정비작업 후에 절연진단 시험결과 절연저항, 성극지수, 교류전류 및 유전정접은 모두 양호하게 판정되었다. 세척과 정비작업 후에 교류전압을
증가했을 때 tanδ 증가점의 전압도 각각 2.0 kV, 3.0 kV로 측정되어 커패시턴스 증가점의 전압과 일치함에 따라 부분방전 개시전압도 역시
2.0 kV, 3.0 kV에서 측정되고 있음을 확인하였다.
(2) 세척작업 후에 상전압(7.62 kV)과 상전압의 1.25배(9.53 kV)에서 부분방전 크기는 각각 66,500 pC 및 354,000 pC으로
측정되었다. 부분방전 크기가 불량으로 판정된 원인은 육안점검 결과 비결선측과 결선측 슬롯단부에서 각각 8곳 총 16곳에서 OCP가 손상된 것과 직접적인
관련이 있었다. 부분방전 패턴은 7.62 kV에서 슬롯단부측 철심과 단말권선 사이에서 표면방전이며, 9.53 kV에서 아크방전을 나타내었다. 그리고
정비작업 후에 7.62 kV, 9.53 kV 및 정격전압(13.2 kV)에서 부분방전 크기는 각각 20,900 pC, 26,500 pC 및 34,500
pC으로 세척작업 후에 비해 현저하게 감소하여 요주의로 판정되었다. 부분방전 패턴은 7.62 kV 및 9.53 kV에서 1∼2개의 아크를 동반하는
표면방전이며, 13.2 kV에서는 거의 아크가 없는 표면방전을 나타내었다.
(3) 세척과 정비작업 후에 교류전압을 7.62 kV, 9.53 kV 및 13.2 kV를 인가했을 때 UV 카운트 수가 최대 범위 32,760으로
측정되었다. 세척작업을 마치고 교류전압을 증가하면서 UV를 측정했을 때 카운트 수의 발생 위치는 비결선측과 결선측 슬롯단부에서 각각 8곳 총 16곳에서
OCP가 손상된 부분으로 확인되어 부분방전 크기가 높게 나타나는 위치와 일치하였다. 그리고 정비작업 후에는 UV 카운트 수가 슬롯단부 보다 단말권선의
ECP 끝단에서 측정되었다.
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저자소개
He received the B.S. degrees in electrical engineering from Soongsil University,
Seoul, Korea. He is currently a Team Manager in Motor Insulation Technology TFT, Hyosung
Heavy Industries Corporation, Changwon, Korea.
He received the B.S. degrees in Chemistry Education from Daegu University, Gyungsan,
Korea. From 2011 to 2022, he worked for the SWECO, Gumi, Korea. He is currently a
Performance Manager in Motor Insulation Technology TFT, Hyosung Heavy Industries Corporation,
Changwon, Korea.
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Hongik
University, Seoul, Korea. He worked for the Korea Electric Power Corporation Research
Institute, Daejeon, Korea, where he was a Chief Researcher with the Clean Power Generation
Laboratory from 1990 to 2020. He was a Visiting Researcher in the Department of Electrical
Engineering, Kyushu Institute of Technology, Kitakyushu, Japan, in 2002. He is currently
a Technical Advisor in Motor Insulation Technology TFT, Hyosung Heavy Industries Corporation,
Changwon, Korea. His research interests include rotating machines, high voltage cable,
electrical insulation, diagnostic tests, partial discharge, pulse propagation, and
continuous monitoring systems.