배전 변압기의 고장 분석 및 문제 해결 사례

Felix Spark

필드: 고장 및 유지보수

China

배전 변압기의 고장 원인
온도 상승으로 인한 고장
금속 재료에 미치는 영향
변압기가 작동 중일 때, 전류가 너무 크면 고객 부하가 변압기의 정격 용량을 초과하게 되어 변압기의 온도가 상승하게 됩니다. 이로 인해 금속 재료가 연화되고 기계적 강도가 크게 감소합니다. 구리를 예로 들어보면, 200 °C 이상의 고온 환경에 장시간 노출되면 기계적 강도가 크게 약화됩니다. 만약 단시간에 300 °C를 초과하면 기계적 강도도 급격히 떨어집니다. 알루미늄 재료의 경우 장기적인 작업 온도는 90 °C 이하로 제어되어야 하며, 단시간 작업 온도는 120 °C를 넘지 않아야 합니다.
접촉 불량의 영향
접촉 불량은 많은 배전 설비 고장의 중요한 원인이며, 전기 접촉 부분의 온도는 전기 접촉 품질에 큰 영향을 미칩니다. 온도가 너무 높으면 전기 접촉 도체의 표면이 격렬하게 산화되고 접촉 저항이 크게 증가하여 도체와 그 구성 요소의 온도가 상승하고, 심각한 경우에는 접촉부가 용접될 수 있습니다.
절연 재료에 미치는 영향
주변 온도가 합리적인 범위를 초과하면 유기 절연 재료는 취성으로 변하여 노화 과정이 가속화되며, 절연 성능이 크게 저하되고, 심각한 경우에는 절연 파괴가 발생할 수 있습니다. 연구에 따르면 A급 절연 재료의 경우, 온도 내구 범위 내에서 온도가 8-10 °C 상승할 때마다 재료의 유효 사용 수명이 거의 절반으로 줄어들게 됩니다. 이 온도와 수명 간의 관계는 "열 노화 효과"로 알려져 있으며, 절연 재료의 신뢰성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
접촉 불량으로 인한 배전 변압기의 고장
보호 코팅의 산화로 인한 고장
도전 부품의 종합적인 성능을 개선하기 위해 공학적으로 주요 접촉 부위를 표면 처리 기술을 사용하여 처리하는 경우가 많습니다. 변압기의 도전봉을 예로 들면, 전기 도금을 통해 작업 표면에 귀금속 보호층(예: 금, 은, 납 주석 합금)을 형성합니다. 이러한 금속 결합층은 접촉 인터페이스의 물리적 및 화학적 특성을 크게 개선할 수 있습니다.

설비 유지 보수 중의 기계적 작동이나 장기적인 열 부하 아래에서 코팅이 부분적으로 박리되거나 산화 및 부식을 겪을 수 있으므로, 접촉 저항의 비정상적인 증가나 전류 용량의 감소 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 실험 데이터에 따르면, 코팅의 두께 손실이 30%를 초과하면 인터페이스의 전기 전도성 안정성이 지수적으로 감소하는 경향을 보입니다.
동과 알루미늄의 직접 연결로 인한 화학적 부식
전기 연결 시스템에서 동과 알루미늄의 이종 금속 사이의 직접 접촉은 0.6-0.7 V의 전극 전위 차를 형성하며, 이는 심각한 갈바닉 부식을 유발합니다. 공사 규격 준수 또는 재료 선택 부적절로 인해 동과 알루미늄 도체의 직접 연결이 자주 발생합니다.

이 연결 방법이 전원이 공급되면 접촉 인터페이스에서 산화 막 층이 점진적으로 형성되어 접촉 저항이 비선형적으로 증가합니다. 정격 작업 온도에서 이러한 접점의 효과적인 서비스 수명은 일반적으로 2000 시간을 넘지 않으며, 결국 접촉 표면의 악화로 인해 고장이 발생합니다.
접촉 불량으로 인한 전기 접촉부의 심각한 발열
배전 변압기의 실제 설치 과정에서 저전력 측에는 보안 측정 상자가 일반적으로 구성됩니다. 측정 상자의 내부 공간이 제한적이고 비표준 건설 기술로 인해 선의 꼬임 연결이나 단자대의 느슨한 기계적 압착과 같은 문제가 종종 발생합니다. 이러한 불량 접속은 접촉 저항이 비정상적으로 증가하여 부하 전류의 작용으로 과열되며, 이를 통해 저전력 도전봉의 소모 고장이 발생합니다.

더욱 심각하게, 저전력 와인딩 끝에서의 지속적인 온도 상승은 절연 재료의 열 노화 과정을 가속화하여 국부 방전의 위험을 초래합니다. 동시에 과열은 변압기 오일의 열분해 반응을 일으켜 절연 강도와 냉각 성능을 감소시킵니다. 실험 데이터에 따르면, 오일 온도가 85 °C를 지속적으로 초과하면 매년 약 15-20%의 절연 전압이 감소합니다. 이 여러 가지 악화 효과는 천둥과 전압 또는 스위칭 과전압을 만났을 때 절연 파괴 사고를 매우 쉽게 일으킬 수 있어, 결국 변압기의 고장으로 이어질 수 있습니다.
습도로 인한 배전 변압기의 고장
주변 상대 습도의 증가는 배전 설비의 절연 시스템에 이중적인 영향을 미칩니다. 첫째, 습기 찬 공기의 절연 강도는 크게 감소하며, 그 절연 파괴 전계강도는 습도와 음의 상관관계를 나타냅니다. 둘째, 절연 재료 표면에 수분 분자가 흡착되어 전도 경로를 형성하여 표면 저항이 감소합니다. 더욱 심각하게, 수분이 고체 절연 매체 내부로 확산하거나 변압기 오일에 녹으면, 유전 손실이 급격히 증가합니다.

변압기 오일의 수분 함량이 약 100 μL/L에 도달하면, 그 주파수 전압 파괴 전압은 초기 값의 약 12.5%로 떨어집니다. 이 절연 성능의 악화는 설비의 누설 전류를 크게 증가시킵니다. 습한 환경에서는 정격 운전 전압에서도 국부 방전이 발생할 수 있습니다. 통계 데이터에 따르면, 상대 습도가 85%를 초과하는 환경에서는 건조한 환경보다 배전 변압기의 고장률이 3-5배 증가하며, 주로 절연 파괴와 표면 번개 사고로 나타납니다.

피뢰침의 부적절한 설치로 인한 배전 변압기의 고장
전력 시스템에서 과전압 보호 장치의 성능 신뢰성은 변압기의 운전 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. 주요 보호 구성 요소인 금속 산화물 피뢰침(MOA)의 설치 품질, 운전 및 유지 관리, 그리고 예방 검사는 그 효과를 보장하는 핵심 요소입니다. 그러나 비표준 건설 기술, 검사 절차의 부적절한 실시, 그리고 운전 및 유지 관리 인력의 전문성 부족으로 인해 보호 장치의 실제 보호 효과가 크게 감소하여, 이는 배전 변압기의 절연 파괴 사고의 중요한 원인이 됩니다.

운영 관행의 관점에서 보면, 보호 장치는 장기간 서비스 중 다양한 환경적 스트레스에 노출됩니다. 온도 순환, 기계적 진동, 부식성 매체 등의 요인은 접지 시스템의 연결 성능을 저하시킬 수 있습니다. 시스템이 번개에 의해 타격을 받으면, 실패한 접지 회로는 과전압 에너지를 적시에 방전하지 못하여 보호 장치 자체의 열 파괴를 초래합니다. 통계에 따르면, 보호 장치의 고장 사례 중 60% 이상이 부적절한 접지로 인한 폭발 사고이며, 에너지 방출 과정은 종종 강한 아크 방전을 동반합니다.
배전 변압기의 고장 진단 방법 몇 가지
직관적 판단을 통한 고장 진단
배전 변압기의 고장 진단은 외부 특성을 통해 초기적으로 판단할 수 있습니다. 관찰 내용은 다음과 같습니다: 케이스의 무결성(균열, 변형), 기계 상태(느슨한 고정 부품), 밀봉 성능(누출 흔적), 표면 상태(오염 정도, 부식 현상), 그리고 비정상 징후(색 변화, 방전 표시, 연기 발생) 등입니다. 이러한 외부 특성은 내부 고장과 특정한 상관 관계를 가지고 있습니다.

변압기 오일이 어두운 갈색을 띠고 불타는 냄새가 나는 경우, 그리고 비정상적인 온도 상승과 고압측 보호 구성 요소의 작동이 함께 발생하면, 일반적으로 자기 회로 시스템에 이상이 있는 것으로 여겨지며, 아마도 실리콘 강판 사이의 절연 손상이나 자기 도체의 다중 접지 고장일 가능성이 있습니다.

작동 전류가 비정상적으로 증가하고, 오일 온도가 크게 상승하며, 3상 매개변수가 비대칭이고, 저압측 보호 장치의 작동, 오일 저장기의 연기, 2차 전압의 변동이 함께 발생하면, 이는 와인딩 도체 사이의 절연 손상으로 인한 턴 간 단락 고장으로 판명됩니다. 특정 상의 전기 매개변수가 완전히 사라지는 경우(전압과 전류가 0), 이 특징은 일반적으로 와인딩의 오픈 서킷이나 연결 도체의 융해 고장에 해당합니다.

오일 저장기의 오일 분출 현상은 변압기의 심각한 내부 고장의 중요한 징후입니다. 고장으로 인한 가스 생성 속도가 압력 해제 장치의 처리 능력을 초과하면, 유조 내부에 양압이 형성됩니다. 초기에는 약한 밀봉 지점에서 누출이 발생합니다. 압력이 계속 상승하면, 최종적으로 유조 본체의 접합면에서 오일 분출이 발생할 수 있습니다. 이러한 고장은 주로 와인딩의 상간 절연 파괴로 인해 발생하며, 일반적으로 고압측 보호 구성 요소의 융해와 함께 발생합니다. 가스 계전기 동작 통계에 따르면, 약 75%의 심각한 고장이 이러한 발전 과정을 거친다고 합니다.
온도 변화를 통한 고장 진단
배전 변압기의 작동 중, 전류를 운반하는 도체는 조울 효과로 인해 열 손실을 발생시키게 됩니다. 이것은 정상적인 물리 현상입니다. 그러나 설비에 전기적 이상(예: 절연 저하, 접촉 불량)이나 기계적 결함(예: 와인딩 변형, 냉각 시스템 고장)이 있을 경우, 열 균형 상태가 깨지게 되어 작동 온도가 설계된 허용 값 이상으로 상승하게 됩니다. 열 노화 이론에 따르면, 온도가 6-8 °C 상승할 때마다 절연 재료의 노화 속도가 두 배로 증가하여, 설비의 수명에 크게 영향을 미칩니다.

내부 고장으로 인한 비정상적인 온도 상승의 경우, 일반적으로 오일 회로 시스템에 명백한 이상이 있습니다. 핫 스폿 온도가 임계값에 도달하면, 변압기 오일은 열분해 반응을 일으켜 대량의 가스를 생성하여 압력 해제 장치가 작동하여 오일 누출이나 분출이 발생합니다. 공학적으로, 설비의 온도 상태를 초기적으로 판단하는 간단한 방법이 있습니다: 변압기 케이스의 표면을 손으로 10초 이상 만질 수 있다면, 그 표면 온도는 일반적으로 60 °C를 넘지 않습니다. 이 경험적 값은 현장에서 신속한 평가를 위한 참고로 사용할 수 있습니다.
냄새 변화를 통한 고장 진단
오일 쿠션의 커버를 열었을 때, 특유의 자극적인 타는 냄새가 나올 수 있습니다. 이는 변압기 내부의 코일이 타고 있다는 것을 나타내며, 종종 2-3상 드롭 아웃 퓨즈의 융해와 함께 발생합니다.

소리 변화를 통한 고장 진단
변압기의 작동 중, 철심의 자화에 의해 발생하는 자축 효과는 주기적인 기계적 진동을 유발합니다. 이러한 진동과 그에 따른 음향 특성은 설비의 정상적인 작동을 나타내는 중요한 지표입니다. 음향 진단 기술은 변압기의 작동 상태를 효과적으로 모니터링할 수 있게 합니다. 구체적으로, 소리 신호의 주파수 특성, 소리 압력 수준의 변화, 진동 스펙트럼 특성은 설비의 잠재적인 고장을 나타낼 수 있습니다.

음향 검출 방법을 사용할 때, 절연봉과 같은 전도봉을 소리 파동 전달 매체로 사용할 수 있습니다. 막대의 한쪽 끝을 설비의 외부 케이스에 접촉시키고, 다른 끝을 청각 기관 근처에 가져와 청취합니다. 비정상적인 소리 신호가 감지되면 즉시 예방 유지 보수 조치를 취하여 고장의 확대를 방지해야 합니다. 다음은 대표적인 음향 특성과 고장 유형 간의 대응 관계입니다:

간헐적인 "클릭" 소리: 일반적으로 이는 철심 판이 느슨하거나 고정 부품의 토크가 충분하지 않은 경우를 나타냅니다. 소리 압력 수준은 일반적으로 60-70데시벨 범위에 있습니다.
고주파 방전 소리: 국부 방전 현상을 동반하며, 소리 신호는 "크랙킹" 특성을 나타냅니다. 심각한 경우, 소리 압력 수준이 85데시벨을 초과할 수 있으며, 보통 눈에 보이는 방전 흔적이 동반됩니다.
갑작스러운 폭발음: 이는 주로 리드의 절연이 손상되었거나 대지로 방전되는 경우에 발생합니다. 소리 압력 수준의 갑작스러운 변화는 20데시벨을 초과합니다.
저주파 으르렁거리는 소리: 일반적으로 저전압 측 접지 고장과 관련이 있으며, 소리 신호의 주파수는 100-400헤르츠 범위에 집중됩니다.
날카로운 휘파람 소리: 이는 설비가 과자극 상태에 있는 것을 나타내며, 소리 신호의 주요 주파수는 일반적으로 1-2킬로헤르츠 범위에 있습니다.
거품 끓는 소리: 오일 온도의 비정상적인 상승을 동반하며, 소리 신호는 지속적인 "글글" 특성을 나타냅니다. 이는 일반적으로 오일 절연 성능의 저하를 나타냅니다.

기기를 통한 고장 진단
설비 기술의 제약으로 인해, 전력 공급소는 대부분 멀티미터를 사용하여 와인딩 도체의 저항이 전도되는지 측정하여 변압기 내부에 단선이나 턴 간 단락이 있는지 확인합니다. 절연 저항 테스터는 변압기 각 와인딩의 대지에 대한 절연 저항을 측정하여 주요 절연이 파괴되었는지 확인합니다. 와인딩과 대지 또는 상 간의 절연이 파괴되면, 그 절연 임피던스 값은 0 Ω에 가까워집니다.

와인딩의 절연 성능을 테스트할 때, 다음 세 가지 회로의 절연 매개변수를 각각 측정해야 합니다: 1차 와인딩, 2차 와인딩, 케이스 사이의 절연 저항; 2차 와인딩, 1차 와인딩, 케이스 사이의 절연 저항; 1차 와인딩과 2차 와인딩 사이의 절연 저항. 참고로, 테스트에서 참조 지면 전위점은 변압기의 금속 케이스 구조입니다. 오일 침수 변압기의 절연 저항의 참조 값은 표 1에 나와 있습니다.

배전 변압기의 고장 진단 기술
배전 변압기의 고장 진단 기술은 설비의 안전한 운전을 보장하는 중요한 수단입니다. 고급 진단 기술을 통해 잠재적인 고장을 신속하게 감지하고, 효과적인 조치를 취하여 고장의 확대를 방지할 수 있습니다. 다음은 배전 변압기에 일반적으로 사용되는 몇 가지 고장 진단 기술을 소개합니다.
와인딩 직류 저항 테스트
와인딩 직류 저항 테스트는 변압기 와인딩의 건강 상태를 검출하는 기본적인 방법 중 하나입니다. 와인딩의 직류 저항을 측정하여 와인딩에 단선, 접촉 불량, 또는 턴 간 단락과 같은 문제가 있는지 판단할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 지역의 변압기 정기 점검 중 고압측 와인딩의 비정상적인 직류 저항이 발견되었습니다. 추가 점검 결과, 와인딩에 턴 간 단락이 있음을 확인하였습니다. 와인딩의 적시 교체로 더 심각한 고장 발생을 방지했습니다. 와인딩 직류 저항 테스트는 조작이 간단하고 결과가 직관적이며, 변압기의 일상적인 유지 관리에서 필수적인 검출 방법입니다.
용해 가스 분석 (DGA)
용해 가스 분석 (DGA)은 변압기의 내부 고장을 진단하는 중요한 기술적 수단입니다. 변압기 오일에 용해된 가스의 구성과 함량을 분석하여 변압기 내부에 과열이나 방전과 같은 고장이 있는지 판단할 수 있습니다. IEC60599 세 가지 비율 방법을 사용하여 방전형 고장을 정확하게 식별할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 변압기의 오일에서 아세틸렌 (C2H2)과 수소 (H2)의 높은 농도가 검출되었습니다. 세 가지 비율 방법을 사용한 분석 결과, 방전형 고장으로 판단되었습니다. 적시 유지 보수로 설비 손상을 방지했습니다. DGA는 높은 감도와 정확한 진단이라는 장점이 있으며, 변압기 상태 모니터링의 중요한 수단입니다.
국부 방전 검출
국부 방전 검출은 변압기의 절연 상태를 평가하는 중요한 방법입니다. 국부 방전은 일반적으로 약한 절연 영역에서 발생하며, 장기적인 방전은 절연 재료의 점진적인 저하를 초래하여 궁극적으로 심각한 고장으로 이어집니다. 국부 방전 검출을 통해 절연 결함을 신속하게 감지하고 예방 조치를 취할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 변압기의 국부 방전 검출 중 고압 부싱에서 방전 현상이 발견되었습니다. 부싱 교체 후 방전 현상이 사라져, 설비의 수명을 효과적으로 연장했습니다. 국부 방전 검출은 비파괴성과 높은 감도라는 장점을 가지고 있으며, 변압기의 절연 모니터링의 중요한 수단입니다.
복합 진동 및 음향 검출
복합 진동 및 음향 검출은 변압기의 작동 중 발생하는 진동 및 음향 신호를 분석하여 설비 내부에 기계적 고장이 있는지 판단하는 것입니다. 예를 들어, 고장난 변압기에서 125 Hz 주파수 대역에서 진폭이 기준치보다 3 dB를 초과했습니다. 점검 결과, 철심 클램프가 느슨한 것으로 확인되었습니다. 적시 조여진 후 진동이 정상으로 돌아왔습니다. 복합 진동 및 음향 검출은 실시간 모니터링과 정확한 진단이라는 장점을 가지고 있으며, 변압기의 기계적 고장 진단의 중요한 수단입니다.
적외선 열화상 검출
적외선 열화상 검출은 변압기 표면의 온도 분포를 검출하여 설비에 과열 고장이 있는지 판단하는 것입니다. 예를 들어, 특정 변압기의 적외선 열화상 검출 중 고압 부싱의 연결부에서 비정상적인 온도가 발견되었습니다. 점검 결과, 연결 볼트가 느슨한 것으로 확인되었습니다. 적시 조여진 후 온도가 정상으로 돌아왔습니다. 적외선 열화상 검출은 비접촉 및 신속한 진단이라는 장점을 가지고 있으며, 변압기의 과열 고장 진단의 중요한 수단입니다.
배전 변압기의 고장 제거 방법 및 사례
변압기의 턴 간 단락으로 인한 선로 트립
고장 현상
특정 변전소의 10 kV 선로에서 과전류 트립이 발생했습니다. 일부 부하를 줄인 후에도 시험 재개동 중 과전류가 발생했습니다.
고장 원인 분석
현장 유지 보수 인력이 고장 지역에 도착한 후, 먼저 메가옴미터를 사용하여 공급선의 절연 성능을 테스트했으며, 측정된 대지에 대한 절연 값은 약 2 MΩ였습니다. 이후, 10 kV 전압 변압기의 2차 측 오픈 델타 단자에 모니터링 기기를 연결하여 임시 전원 공급 테스트를 수행했습니다. 이때, 전압 읽기는 약 40 V였습니다. 현장 조사 결과, 고장 발생 전에는 이 선로에 새로운 전기 설비가 연결되지 않았습니다.

이에 따라 과부하로 인한 과전류 보호 작동 가능성은 제외되었습니다. 정상 작동 매개변수 분석에 따르면, 이 선로는 과전류 보호를 트리거하거나 단상 접지 이상을 일으키지 않을 것입니다. 체계적인 검출과 종합적인 판단을 통해, 고장의 근본 원인은 특정 배전 변압기의 내부 와인딩에서 턴 간 절연 파괴일 가능성이 있다고 초기적으로 판단되었습니다. 분석 결과, 이 선로의 특정 배전 변압기에서 턴 간 단락 고장이 있을 가능성이 있었습니다. 따라서, 이 선로는 운영에서 유지 보수로 전환되었고, 선로 점검이 통보되었습니다.

추가 점검 결과, 이 선로의 특정 고객의 250 kV·A 배전 변압기의 고압측 A상에서 턴 간 단락이 발생하여 실제 트립 원인이었습니다. 여기서는 이 배전 변압기의 턴 간 단락으로 인한 과전류 및 거짓 접지 상황을 분석합니다. 배전 변압기 내부의 턴 간 단락으로 인해 간략화된 등가 회로는 도 1과 같습니다.