2.1 RBI 개념 및 프로세스

RBI는 일정 주기에 의존하는 방식이 아닌, Risk를 기반으로 최적화된 점검 전략을 수립하는 방법이다. Risk는 일반적으로 CoF와 PoF의 곱으로 정의되며, 이는 단순히 설비의 고장 확률만이 아닌 고장으로 인한 영향을 반영한다. 이러한 RBI의 주요 목표는 적시에 설비의 점검을 통해 잠재적 고장을 사전에 예방하는 것이다. 단순한 접근 전략으로는 고장 위험을 최소화하기 위해서 지속적으로 설비를 정밀점검을 수행할 수 있지만, 이러한 전략은 많은 설비와 관련 점검 비용을 고려할 때 경제적이지 못 하다. 반대로 비용 절감을 위해 검사를 완전히 고려하지 않는 것은 설비의 고장 위험을 증가시켜 상당한 경제적 손실을 초래할 수 있다. 따라서, RBI는 안정성과 경제성 간의 균형을 동시에 달설할 수 있는 전략적 점검 체계로서 중요한 역할을 한다^[12,13].

그림 1. 전력용 변압기 RBI 전략의 개념도

Fig. 1. Conceptual diagram of power transformer RBI strategy

그림 1은 전력용 변압기의 점검주기를 선정하기 위한 RBI 전략을 적용한 개념도이다. 전력용 변압기의 FMEA분석을 기반으로 PoF 및 CoF 산정으로 Risk를 산정하고 이를 기반으로 점검주기를 선정한다.

그림 2. RBI 전략 프로세스

Fig. 2. RBI 전략 Process

그림 2는 RBI 전략에 관한 프로세스이다. 먼저, 데이터 수집 단계에서는 설비의 설계 정보, 운전 이력, 사고 데이터 등을 확보한다. FMEA 단계는 고장 모드 및 고장으로 인해 설비에 미치는 영향을 체계적으로 정리한다. 이러한 분석을 기반으로 Risk 평가를 수행하며, 위험 수준을 산출한다. 산출된 Risk를 바탕으로 위험 순위를 구분하며, 점검 우선순위를 선정한다. 점검 계획 단계에서는 Risk가 높은 설비에 대해서는 점검주기를 단축하고 점검을 강화하며, Risk가 낮은 설비에 대해서는 점검주기를 연장하거나 점검을 간소화하는 등 구체적인 점검 전략이 선정한다. Risk 완화 측정 단계에서는 점검과 Risk를 줄일 수 있는 조치를 수행한다. 앞선 결과를 반영하여 Risk를 재산정하며, 점검 전략을 수정한다.

2.2 전력용 변압기 FMEA

FMEA는 설비의 잠재적인 고장모드를 사전에 식별하고, 고장으로 인해 설비에 미치는 영향을 체계적으로 분석하는 방법이다. 이를 통해 RBI 프로세스에서 점검 항목을 도출하게 되며, RBI 전략을 효과적으로 수립할 수 있다.

본 논문에서는 전력용 변압기의 구성요소인 권선, 탱크, 부싱, 철심, 냉각 시스템, OLTC(On-Load Tap Changer)를 중심으로 세부적인 고장모드를 분석하였다. 표 1은 전력용 변압기 FMEA를 나타낼 수 있으며, 권선의 단락, 변형, 파괴는 FM1, FM2, FM3, 탱크 외함손상은 FM4, 부싱의 절연유 누유 및 과열은 FM5 및 FM6, 첨심의 절연 파괴 및 접지 단락은 FM7 및 FM8, 냉각 시스템의 고장은 FM9, OLTC의 제어실패, 기계적 마모, 절연고장은 FM10, FM11, FM12, 리드선 절연 파괴는 FM13으로 표현한다.

분석된 FMEA 결과는 변압기의 주요 고장형태와 그에 따른 영향을 정의하며, 이러한 분석을 통해 구성요소별 점검방법을 도출할 수 있다. 또한, 해당 점검방법에 따라 변압기의 상태를 측정할 수 있으므로 Risk 산정시 입력 파라미터를 선정할 수 있다.

2.3 Risk 평가

Risk는 일반적으로 수식 (1)과 같이 PoF와 CoF의 곱으로 정의할 수 있으며, 위험 수준을 정량적으로 표현할 수 있다.

PoF는 설비의 고장 발생 가능성을 산출하는 것으로, 다양한 손상 메커니즘이 주요 원인이 될 수 있다. 또한, 고장 이력, 운전, 점검 데이터 등을 고려하여 산출된다.

본 논문에서는 NGET(National Grid Electricity Transmission)의 NOMs(Network Output Measures) 기반의 고장확률 모델을 적용하였다. 이 모델은 변압기의 Age에 따른 고장확률을 지수 함수 형태로 표현할 수 있으며, 식 (2)와 식(3)으로 나타낼 수 있다^[14].

여기서, $\alpha$는 전력용 변압기의 고장 데이터에 따라 지수 함수의 형태를 정하는 계수, $\beta$는 설계 수명에 도달하는 시점의 PoF의 값을 결정하는 변수, $k$는 지수 함수의 크기를 결정하는 변수, $AAL$은 설비의 설계 수명을 의미한다. 본 논문에서는 변압기의 설계 수명을 32년으로 가정하였으며, $\alpha$는 2.1, $\beta$는 0.03을 사용하여 PoF를 산정하였다.

CoF는 고장이 발생했을 때의 영향을 정량적으로 산출하는 것이다. 전력용 변압기의 고장으로 인해 대규모 정전, 전력손실에 따른 경제적 피해뿐만 아니라 안전에 미치는 파급까지 고려되야 한다. 따라서, 본 논문에서는 신뢰도, 재무, 안전, 환경을 고려하여 CoF를 산출하였으며, 수식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $Co F_{R}$은 신뢰도에 관한 비용, $Co F_{F}$는 재무에 관한 비용, $Co F_{S}$는 안전에 관한 비용, $Co F_{E}$는 환경에 관한 비용이다.

변압기 전체 Risk는 PoF와 CoF를 기반으로 산정되며, 점검결과나 구성요소 조치에 따른 Risk 재평가 시에는 구성요소별 Risk 크기에 따른 비율을 적용하여 전체 Risk를 조정하였다. 이를 통해 구성요소 Risk 변화가 변압기 전체 Risk에 비례적으로 반영되도록 하였다.

2.4 Risk를 통한 점검주기 및 점검 우선순위 선정

RBI 전략에서 점검주기는 설정된 Risk Target을 기준으로 결정되지만, Risk Target의 설정이 높게 설정되면 점검주기가 늦어지거나 점검을 수행하지 않는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 본 논문에서는 Risk Target 도달하기 전의 구간에서는 통계적으로 도출된 통계적인 Risk 곡선과 TBI의 점검 시점 기준으로 점검주기를 선정한다. Risk Target의 설정값은 설계 수명 Risk의 50%이며, 범위는 해당 값에서 10%로 설정하였다.

그림 3. Risk 통한 점검주기 선정 개념도

Fig. 3. Conceptual diagram of selecting an inspection interval through risk

그림 3은 Risk를 통해 점검주기를 선정하는 개념도이다. 점검주기의 선정은 TBI의 Risk에 도달하는 시점으로 선정한다. 기준 TBI 곡선은 식 (1)~(3)을 통하여 설비 년도에 따른 Risk를 산출한 것이며, 구성요소의 설계수명에 따라 구성요소의 고장확률이 초기화된다. 따라서, 그림 3과 같이 기준 TBI 곡선이 일시적으로 감소하는 형태로 표현된다. 점검주기는 3년에 첫 번째 점검을 수행하게 되며, 점검 항목은 해당 설비의 Risk를 산출하기 위해 모든 점검을 수행한다. 이때, 설비의 양호한 상태로 RBI 곡선의 Risk가 낮게 산출되면 기준 Risk 곡선에서 6년 시점의 Risk에 도달하는 주기가 늦어지게 되며, 두 번째 점검의 주기는 8년이 된다. 또한, RBI 곡선이 Risk Target 범위에 도달하면, 정밀점검을 수행하게 된다. 이와 같이 설비의 상태에 따라 점검주기를 정량적으로 선정한다.

그림 4. 구성요소 Risk를 통한 점검 우선순위 선정 개념도

Fig. 4. Conceptual diagram of selecting inspection priorities through Mojang Mode Risk

그림 4는 점검 항목의 우선순위를 선정하는 개념도이다. 전력용 변압기의 구성요소 PoF는 CIGRE TB-642의 고장 데이터를 기반으로 식 (1)~(3)을 통해 년도별로 도출하였으며, CoF는 식(4)를 통하여 도출하였다. 도출된 PoF와 CoF를 통해아 Risk를 산출하였다. 우선순위는 점검년도를 기준으로 Risk의 크기가 높은 구성요소를 순서로 선정되며, 구성요소를 측정할 수 있는 점검항법을 적용하여 점검한다. 본 논문에서는 항목을 2개로 설정하였다. 또한, 점검 결과에 따라 변경된 주기만큼 해당 곡선을 이동함으로써 우선순위가 변경될 수도 있다. 첫 번째 점검에서 구성요소의 전체를 점검하기 때문에 전체적으로 이동하며, 두 번째 점검부터는 선정된 2개의 항목만 이동하게 된다. 이때, 이상 검출로 인해 조치하면 해당 구성요소는 조치된 년도부터 새로운 곡선이 그려지게 된다. 예를 들어, 부싱이 15년도 시점에 점검을 통하여 이상이 검출되고 교체와 같은 조치를 하면, 부싱의 Risk는 초기화되어 15년도부터 다시 상승하게 된다. 이를 그림 5와 같이 부싱의 Risk가 이동하 것으로 표현할 수 있다.

그림 5. 구성요소 조치를 통한 Risk 이동

Fig. 5. Risk movement Through Component Actions

3.1 Case1

Case1은 건전한 상태의 전력용 변압기를 모의하였으며, 점검 후 Risk 재평가하며 진행하였다. 그림 6는 Case1의 모의시험에 대한 점검주기 결과이며, 그림 7은 점검 항목 선정에 대해 나타낸 것이다.

그림 6. Case1 모의시험 결과

Fig. 6. Case1 simulation test results

그림 7. Case1 점검 항목 선정 결과

Fig. 7. Case1 Inspection Item Selection Results

1차 점검은 3년에 보통점검을 수행하여 RBI 곡선을 산출하게 되며, 2차 점검은 6년에 고장모드 Risk 곡선이 Risk Target을 기준으로 먼저 도달하는 2개를 점검하게 된다. 또한, 예상 Risk 보다 설비의 상태가 양호하여 Risk를 재평가 후 Risk 저감을 하게 되며, 3차 점검은 10년에 수행하는 것을 확인하였다. 5차 점검은 17년에 부싱 절연열화에 따른 조치를 하였으며, 이에 따른 Risk 재평가는 감소하게 된다. 또한, 부싱 조치를 통해 해당 고장모드 Risk 곡선이 이동하게 되며, 선정된 점검 항목이 OLTC, 냉각 시스템으로 변경하게 된다. 6차 점검은 18년에 냉각 시스템 고장으로 조치를 수행하여, RBI 곡선 감소 및 점검 항목은 냉각 시스템, 권선으로 변경하게 된다. 9차 점검은 29년에 Risk Target에 도달하여 정밀점검을 수행하게 된다. 표 3는 Case1 점검 차수에 따른 점검 년도 및 항목을 나타낸 것이다.

Case1 모의시험에 대한 RBI 및 TBI 비교분석은 표 4와 같이 나타낼 수 있으며, 건전한 상태의 변압기에 대해서는 점검주기가 증가함에 따라 점검 횟수가 감소하였다. 이에 따라 점검 및 조치 비용이 감소한 것을 확인하였다

3.2 Case2

Case2는 열화된 상태의 전력용 변압기를 모의하였으며, 점검 후 Risk 재평가하며 진행하였다. 그림 8은 Case2의 모의시험에 대한 점검주기 결과이며, 그림 9은 점검 항목 선정에 대해 나타낸 것이다.

1차 점검은 3년에 보통점검을 수행하여 RBI 곡선을 산출하게 되며, 2차부터 5차까지 점검 항목은 Case1과 같은 방법으로 선정하였으며, 각각 측정년도는 6년, 9년, 12년, 14년이다. 4차 점검에 OLTC 절환 개폐기 접점 마모로 Risk를 재평가를 통해 상승하였다. 6차 점검은 15년에 수행하고 부싱 절연열화 및 OLTC 절환개폐기부 마모에 의한 열화에 따른 조치를 통해 Risk를 재산정하였으며, 이로 인해 7차 점검 항목은 냉각 시스템과 권선으로 바뀌게 된다. 7차 점검은 17년에 수행하며, 냉각 시스템의 냉각팬 마모에 따라 조치를 하며, 8차 점검 항목은 부싱, 권선이 된다. 10차 점검은 부싱 조치를 통해 Risk를 재산정을 하였다. 11차 점검과 12차 점검은 RBI 곡선이 Risk Target에 도달해 정밀점검을 수행하게 되며, 점검을 통해 OLTC 및 냉각 시스템을 조치하고 Risk를 재산정하게 된다. 표 5는 Case2 점검 차수에 따른 점검 년도 및 항목을 나타낸 것이다.

그림 8. Case2 모의시험 결과

Fig. 8. Case2 simulation test results

그림 9. Case2 점검 항목 선정 결과

Fig. 9. Case2 Inspection Item Selection Results

Case2 모의시험에 대한 RBI 및 TBI 비교분석은 표 6과 같이 나타낼 수 있으며, 열화된 상태의 전력용 변압기에 대해서는 점검주기가 감소함에 따라 점검 횟수는 증가하였다. 이에 따라 점검 및 조치 비용도 상승한 것을 확인하였다.

3.3 Case3

Case3도 열화된 전력용 변압기를 모의하였으며, 점검 후 Risk 재평가하여 진행하였다. 그림 10은 Case3의 모의시험에 대한 점검주기 결과이며, 그림 11은 점검 항목 선정에 대해 나타낸 것이다.

1차 점검은 3년에 보통점검을 수행하며 RBI 곡선을 산출한다. 점검 항목은 다른 모의시험과 같이 선정하여 2차부터 6차까지 부싱, OLTC로 선정되며, 점검년도는 6년, 9년, 12년, 14년, 15년이다. 2차, 3차 및 5차 점검 시 DGA 가스 검출로 인해 Risk가 증가한다. 6차 점검 시 부싱 절연 열화로 인해 조치를 수행하며, 7차 점검 항목은 OLTC 및 냉각 시스템으로 변경된다. 7차 점검 시 라디에이터 과열로 인해 조치를 수행하며, 9차 점검 시 OLTC 절연유 누유로 인해 조치를 수행해 10차 점검 항목은 부싱 및 권선이 된다. 이후 Risk크기가 Risk Target에 도달하여 점밀점검을 수행한다. 표 7은 Case3 점검 차수에 따른 점검 년도 및 항목을 나타낸다.

그림 10. Case3 모의시험 결과

Fig. 10. Case3 simulation test results

그림 11. Case3 점검 항목 선정 결과

Fig. 11. Case3 Inspection Item Selection Results

Case3 모의시험에 대한 RBI 및 TBI 비교분석은 표 8과 같이 나타낼 수 있으며, 열화된 상태의 전력용 변압기에 대해서 Case2와 같이 점검주기가 감소함을 따라 점검 횟수가 증가하였다.