농촌 전력망 배전 변압기의 고장에 대한 논의

1. 서론

장기적인 운전으로 인해 농촌 전력망의 배전 변압기는 완전히 고장이나 사고를 피할 수 없습니다. 이러한 고장과 사고는 외부 힘에 의한 손상이나 충격, 그리고 번개와 같은 자연재해 등 다양한 요인에 의해 발생합니다. 또한 일부 농촌 지역에서는 저압 선로가 부족하게 유지되어 과부하와 단락이 자주 발생하여 배전 변압기가 소각되는 경우가 많습니다. 이는 고장의 주요 원인이 되고 있습니다.

배전 변압기의 소각을 방지하고 농촌 전력망에서의 운전 고장을 줄이기 위해, 본 논문은 배전 변압기의 몇 가지 일반적인 고장 유형과 원인을 정리하고 분석하며, 예방 조치를 탐구하고, 배전 변압기의 잠재적인 위험과 취약점을 더 깊이 조사하고 해결하여 배전 변압기의 소각 고장 발생을 효과적으로 예방하고 억제함으로써 농촌 전력망의 공급 안정성을 향상시킵니다.

현재 농촌 전력망에서 사용되는 배전 변압기는 주로 유침식 배전 변압기입니다. 이러한 변압기의 고장은 내부 고장과 외부 고장으로 구분됩니다. 내부 고장은 변압기 탱크 내부에서 발생하는 다양한 고장으로, 주요 유형에는 감속선간 단락, 회전선 내부 단락, 그리고 감속선 또는 리드아웃이 외부 케이싱과 접촉하는 접지 고장이 포함됩니다. 외부 고장은 변압기 탱크 외부의 절연 부시와 그 리드아웃에서 발생하는 다양한 고장으로, 주요 유형은 절연 부시의 플래시오버나 파손으로 인한 접지, 저압 출구선의 상간 단락이나 접지입니다.

배전 변압기의 고장 범위가 넓기 때문에 구체적인 분류 방법이 많습니다. 예를 들어, 회로 루프의 관점에서 보면 주로 회로 고장, 자기 회로 고장, 오일 회로 고장으로 분류됩니다. 배전 변압기의 주요 구조에 따라 나누면, 감속 고장, 코어 고장, 오일 품질 고장, 부속품 고장으로 나뉩니다. 일반적으로 배전 변압기의 고장 유형은 절연 고장, 코어 고장, 탭 체인저 고장 등의 일반적인 고장 영역을 기준으로 분류됩니다. 그 중 배전 변압기 출구 단락 고장은 현재 가장 심각한 영향을 미치며 가장 높은 발생률을 보입니다. 또한 배전 변압기 누출 고장 등도 있습니다. 이러한 다양한 유형의 고장은 열 고장, 전기 고장, 또는 동시에 열 및 방전 고장의 특성을 나타낼 수 있습니다. 그러나 배전 변압기의 누출 고장은 일반적으로 열 또는 전기 고장 특성을 나타내지 않습니다.

따라서 배전 변압기의 고장 유형을 특정 프레임워크 내에서 분류하기는 어렵습니다. 본 논문은 단락 고장, 방전 고장, 절연 고장, 코어 고장, 탭 체인저 고장, 오일-가스 누출 고장, 외부 힘 손상 고장, 및 퓨즈 보호 고장과 같은 비교적 일반적이고 일반적인 배전 변압기 고장 유형을 채택하였습니다. 각 유형은 원인과 해당 기술적 조치에 대해 개별적으로 논의됩니다.

2. 배전 변압기 고장 분석
2.1 단락 고장
2.1.1 고장 원인 분석

배전 변압기의 단락 고장은 주로 배전 변압기 출구 단락, 내부 리드아웃 또는 감속선 대 지면 단락, 그리고 상간 단락으로 인한 고장을 의미합니다.

배전 변압기의 정상적인 운전 중에 출구 단락 고장으로 인한 손상은 상대적으로 심각합니다. 관련 통계에 따르면, 농촌 전력망의 배전 변압기에 직접적인 단락 고장 전류의 영향으로 인한 고장은 전체 고장의 약 40%를 차지합니다. 이러한 사례가 많이 있습니다. 특히 배전 변압기의 저압 출구단락이 발생하면 일반적으로 감속선을 교체해야 합니다. 심각한 경우에는 모든 감속선을 교체해야 하며, 이는 매우 심각한 결과와 손실을 초래합니다. 따라서 충분한 주의가 필요합니다.

출구 단락이 배전 변압기에 미치는 영향은 주로 다음과 같습니다:
단락 전류로 인한 절연 과열 고장
일부 농촌 저압 선로의 유지보수가 부족하여 과부하와 단락이 자주 발생합니다. 배전 변압기에 갑작스러운 단락이 발생하면 고압과 저압 감속선이 동시에 정격값의 수십 배에 달하는 단락 전류를 통과하게 됩니다. 이를 통해 많은 열이 발생하여 배전 변압기가 심각하게 과열되고, 감속선 온도가 급격히 상승하여 절연이 노화됩니다. 배전 변압기의 단락 전류 견딜 수 있는 능력이 부족하고 열 안정성이 좋지 않으면 배전 변압기의 절연 재료가 심각하게 손상되어 배전 변압기가 파괴되거나 손상됩니다.
단락 전자기력으로 인한 감속선 변형 고장
배전 변압기가 단락에 의해 영향을 받으면, 단락 전류가 작고 퓨즈가 정확히 작동하면 감속선 변형은 적게 됩니다. 단락 전류가 크고 퓨즈가 지연되거나 작동하지 않으면, 2차측에서는 정격 전류의 20-30배에 달하는 단락 전류가 발생합니다. 배전 변압기의 1차측에서는 2차측 단락 전류의 탈자기 효과를 상쇄하기 위해 큰 전류가 발생합니다. 이 큰 전류는 코일 내부에서 상당한 기계적 응력을 생성하여 코일이 압축되거나 이동하거나 변형되며, 절연 패드와 판이 느슨해지고, 코어 클램핑 볼트가 느슨해져 고압 코일이 왜곡되거나 폭발하여 결국 배전 변압기가 고장됩니다. 동시에, 감속선은 상대적으로 큰 전자기 토크를 받으며, 절연 재료가 박리되어 전선체가 노출되고, 회전선 간 단락이 발생합니다. 경미한 변형이라도 시간 내에 패드 위치 복원, 감속선 압력 못과 요크의 당겨주는 판과 막대 강화, 리드아웃의 클램핑 힘 강화 등의 조치를 취하지 않으면, 여러 단락 충격의 누적 효과로 배전 변압기가 손상될 수 있습니다.

2.1.2 단락 고장 감소를 위한 조치

• 선택 요구사항 최적화. 배전 변압기를 선택할 때, 단락 시험을 무사히 통과할 수 있는 배전 변압기를 선택하세요. 배전 변압기의 용량을 합리적으로 결정하고, 단락 임피던스를 합리적으로 선택하세요. 에너지 효율적인 S11형 배전 변압기를 사용하고, 고에너지 소비 변압기를 제거하세요.

• 운영 조건 및 환경 최적화. 전력선의 절연 수준을 개선하세요, 특히 배전 변압기의 저압 출구선 일정 거리 이상의 절연 수준을 개선하세요. 동시에, 저압 선로의 안전 통로 및 안전 거리 요구 사항을 강화하여 근처 장애의 영향과 위험을 줄이세요. 이에는 저압 드롭터 터미널의 설치 및 유지 보수 품질(저압 터미널의 폭발은 대부분 2차 단락과 동일하다)에 주의하고, 작은 동물의 침입을 방지하며, 저압 퓨즈의 품질 요구 사항을 개선하여 퓨즈가 작동하지 않는 상황을 방지하는 것이 포함됩니다.

• 운영 모드 최적화. 운영 모드를 결정할 때, 단락 전류를 계산하고 그 위험을 제한하세요. 특히, 배전 변압기가 과부하 상태에서 운영되지 않도록 하세요. 배전 변압기의 전기 부하를 계산하고 조정하세요.

• 운영 관리 수준 개선. 먼저, 잘못된 조작으로 인한 단락 충격을 방지하세요. 배전 변압기의 실시간 모니터링 및 유지 보수를 강화하여 배전 변압기의 변형 정도를 즉시 감지하고 안전한 운영을 보장하세요. 동시에, 배전 변압기 지역의 사용자 전력 소모를 철저히 점검하여 사용자의 전력 도난으로 인한 과부하 문제를 방지하세요.

2.2 방전 고장

방전의 에너지 밀도에 따라 배전 변압기의 방전 고장은 부분 방전, 스파크 방전, 고에너지 방전으로 일반적으로 분류됩니다. 방전은 절연에 두 가지 형태의 파괴 효과가 있습니다. 하나는 방전 입자가 절연을 직접 폭격하여 국소적인 절연 손상을 초래하고 점진적으로 확장하여 절연이 파괴되는 것입니다. 다른 하나는 방전으로 생성된 열, 오존, 질소 산화물과 같은 활성 가스의 화학적 작용이 국소적인 절연을 부식하여 매질 손실을 증가시키고 궁극적으로 열 붕괴를 초래하는 것입니다.

2.2.1 배전 변압기의 부분 방전 고장

부분 방전은 절연 구조 내의 공기 간극, 오일 필름, 또는 도체의 가장자리에서 전압의 작용 하에 발생하는 비통과형 방전 현상을 말합니다. 초기에는 부분 방전은 낮은 에너지 방전입니다. 이러한 방전이 배전 변압기 내부에서 발생하면 상황은 상대적으로 복잡합니다. 서로 다른 절연 매체에 따라 부분 방전은 기포 내 부분 방전과 오일 내 부분 방전으로 나눌 수 있습니다. 절연 위치에 따라, 고체 절연의 공동, 전극 끝, 오일 코너 간극, 오일과 절연 종이판 사이의 오일 간극, 그리고 오일 내 고체 절연 표면에 따른 부분 방전이 있습니다. 부분 방전의 원인은 다음과 같습니다:

• 오일이나 고체 절연 재료에 기포나 공동이 있을 때, 기체의 작은 유전 상수로 인해 교류 전압 하에서 높은 전기장 세기를 견디지만, 오일과 종이 절연 재료보다 내압강도가 낮습니다. 따라서 공기 간극에서 먼저 방전이 발생하기 쉽습니다.

• 외부 환경 조건의 영향. 예를 들어, 오일 처리가 완전하지 않고 오일에서 기포가 석출되면 방전이 발생할 수 있습니다.

• 불량한 제조 품질로 인해. 예를 들어, 일부 날카로운 부분에서 방전이 발생하거나, 기포, 잡질, 수분이 도입되거나, 외부 온도 관련 요인으로 인해 페인트 덩어리가 생기면, 상대적으로 큰 전기장 세기를 견디게 됩니다.

• 금속 부품이나 도체 사이의 불량한 접촉으로 인한 방전. 부분 방전의 에너지 밀도는 크지 않지만, 더 발전하면 방전의 악순환이 형성되어 결국 설비의 파괴나 손상을 초래하고 심각한 소각 사고를 일으킬 수 있습니다.

2.2.2 배전 변압기의 스파크 방전 고장

일반적으로 스파크 방전은 절연 붕괴를 신속하게 일으키지는 않습니다. 주로 기름 색상 분석이 비정상적이거나 부분 방전량이 증가하거나 가스가 약간 발생하는 것으로 나타납니다. 발견하고 처리하기는 비교적 쉬우나, 그 발전에 충분한 주의를 기울여야 합니다. 스파크 방전의 주요 원인은 다음과 같습니다:

플로팅 전위로 인한 스파크 방전. 고전압 전력 설비에서, 구조적 이유나 운송 및 운전 중 불량한 접촉으로 인해 특정 금속 부품이 분리되어 고전압과 저전압 전극 사이에 위치하면서, 그 임피던스에 따라 전압을 분배합니다. 이 금속 부품에 대한 지상 전위는 플로팅 전위라고 합니다. 플로팅 전위를 가진 물체 근처의 전기장 세기는 상대적으로 집중되어, 주변 고체 절연을 점진적으로 소각하거나 탄화시킵니다.

또한, 플로팅 전위의 영향으로 인해 배전 변압기 내부의 고전위 금속 부품, 예를 들어 조절 감속선, 부시의 등급 볼, 무부하 탭 체인저의 포크가 플로팅 전위를 가지면, 절연유가 대량의 특성 가스를 분해하여 절연유 색상 분석 결과가 비정상적이 됩니다. 지상 전위를 가진 부품, 예를 들어 규소 강판 자기 차폐 및 다양한 금속 볼트의 접지 연결이 느슨하거나 분리되면 플로팅 전위 방전이 발생할 수 있습니다. 배전 변압기의 고전압 부시 끝에서 불량한 접촉이 발생하면 플로팅 전위가 형성되어 스파크 방전을 일으킬 수 있습니다.

오일 내 잡질로 인한 스파크 방전
배전 변압기의 스파크 방전 고장의 주요 원인은 오일 내 잡질의 영향입니다. 이러한 잡질은 수분, 섬유질 물질(주로 습기 찬 섬유) 등으로 구성됩니다. 수의 유전 상수 ε은 배전 변압기 오일의 약 40배입니다. 전기장에서 잡질은 먼저 극화되어 전기장 세기가 가장 강한 영역, 즉 전극 근처로 끌려가 전기장 선 방향으로 배열됩니다. 이렇게 전극 근처에 잡질 "다리"가 형성됩니다.

"다리"의 전도성과 유전 상수는 배전 변압기 오일보다 큽니다. 전자기장의 원칙에 따르면, "다리"의 존재로 인해 오일 내의 전기장이 왜곡됩니다. 섬유의 유전 상수가 작기 때문에, 섬유 끝의 오일 내 전기장이 강화됩니다. 따라서 이 부분의 오일에서 먼저 방전이 발생하고 발전합니다. 높은 전기장 세기 환경에서 오일이 분해되어 가스로 분해되면서 기포가 커지고 분해가 강화됩니다. 그 후, 점진적으로 발전하여 최종적으로 가스 통로를 통해 전체 오일 간극에서 스파크 방전이 발생합니다. 따라서 상대적으로 낮은 전압에서도 스파크 방전이 발생할 수 있습니다.

전극 간 거리가 크지 않고 충분한 잡질이 있으면, "다리"가 두 전극을 연결할 수 있습니다. 이때, "다리"의 전도성이 상대적으로 높기 때문에 "다리"를 따라 큰 전류(전류의 크기는 전원 용량에 따라 다름)가 흐르고, "다리"가 강하게 가열됩니다. "다리" 내의 수분과 주변 오일이 끓어 증발하여 가스 통로인 "기포 다리"가 형성되고 스파크 방전이 발생합니다.

섬유가 습기 찬 경우, "다리"의 전도성이 매우 작아 배전 변압기 오일의 스파크 방전 전압에 미치는 영향도 상대적으로 작습니다. 반대로, 습기 찬 섬유의 경우 영향이 더 큽니다. 따라서 배전 변압기 오일의 잡질로 인한 스파크 방전은 "다리"의 가열 과정과 관련이 있습니다. 충격 전압이 작용하거나 전기장이 극단적으로 불균일한 경우, 잡질이 "다리"를 형성하기 어려우며, 그 영향은 전기장의 왜곡만으로 제한됩니다. 스파크 방전 과정은 주로 적용된 전압의 크기에 따라 달라집니다.

2.2.3 배전 변압기의 아크 방전 고장

아크 방전은 고에너지 방전으로, 일반적으로 감속선 사이 또는 층 사이의 절연 붕괴로 나타납니다. 기타 일반적인 고장으로는 리드 단락, 지면으로의 플래시오버, 탭 체인저의 아크 방전 등이 있습니다.

• 아크 방전의 영향. 아크 방전 고장의 높은 에너지 밀도로 인해 가스가 빠르게 생성됩니다. 전자 아발란슈 형태로 절연체에 영향을 미쳐 절연 종이가 구멍이 뚫리거나 탄화되거나 탄화되며, 금속 재료가 변형되거나 녹아 소각될 수 있습니다. 심각한 경우 설비 손상이나 폭발까지 일어날 수 있습니다. 이러한 사고는 일반적으로 사전에 예측하기 어려우며 명백한 징후가 없어 갑작스럽게 발생합니다.

• 아크 방전의 가스 특성. 아크 방전 고장이 발생한 후, 배전 변압기 오일도 탄화되어 검게 변합니다. 오일 내 특성 가스의 주요 성분은 H2와 C2H2이며, 다음으로 C2H6과 CH4가 있습니다. 방전 고장이 고체 절연을 포함할 경우 CO와 CO2도 생성됩니다.요약하면, 세 가지 형태의 방전은 차이점과 일정한 연관성이 있습니다. 차이점은 방전 에너지 수준과 가스 구성이며, 연관성은 부분 방전이 다른 두 형태의 방전의 전조이며, 후자는 전자의 발전의 불가피한 결과입니다. 배전 변압기 내에서 발생하는 고장은 종종 점진적으로 발전하는 상태이며, 대부분 단일 유형의 고장이 아니라 한 유형이 다른 유형과 함께 발생하거나, 여러 유형이 동시에 발생합니다. 따라서 더 세심한 분석과 구체적인 대응이 필요합니다.

2.3 절연 고장

현재 농촌 전력망에서 가장 널리 사용되는 배전 변압기는 유침식 변압기입니다. 배전 변압기의 절연은 그 절연 재료로 구성된 절연 시스템을 말합니다. 이것은 배전 변압기의 정상적인 운영을 위한 기본 조건이며, 배전 변압기의 수명은 절연 재료(예: 오일-종이 또는 수지)의 수명에 의해 결정됩니다. 실제 경험에 따르면, 배전 변압기의 대부분의 손상과 고장은 절연 시스템의 손상으로 인해 발생합니다.

따라서 배전 변압기의 정상적인 운영을 보호하고 절연 시스템의 합리적인 유지 관리를 강화하면 배전 변압기의 상대적으로 긴 수명을 크게 보장할 수 있습니다. 예방 및 예측 유지 관리는 배전 변압기의 수명을 연장하고 전력 공급 안정성을 향상시키는 열쇠입니다.

유침식 배전 변압기에서는 주요 절연 재료는 절연유와 절연 종이, 종이판, 목재 블록과 같은 고체 절연 재료입니다. 배전 변압기 절연의 노화는 이러한 재료가 환경 요인의 영향으로 분해되어 절연 강도가 감소하거나 상실되는 것을 의미합니다.

2.3.1 고체 종이 절연 고장

고체 절연은 유침식 배전 변압기의 절연의 주요 구성 요소 중 하나로, 절연 종이, 절연 판, 절연 패드, 절연 코일, 절연 결합 테이프 등을 포함합니다. 그 주요 성분은 셀룰로오스입니다. 절연 종이가 노화되면, 그 중합도와 인장 강도가 점진적으로 감소하고, 물, CO, CO2가 생성됩니다. 또한 푸르팔데하이드(furfuraldehyde)도 생성됩니다. 이러한 노화 제품의 대부분은 전기 설비에 해로울 수 있으며, 절연 종이의 내전압과 부피 저항을 감소시키고, 매질 손실을 증가시키며, 인장 강도를 감소시키고, 심지어 설비 내 금속 재료를 부식시킬 수도 있습니다.

2.3.2 액체 오일 절연 고장

배전 변압기 오일의 열화 원인

오염은 수분과 잡질이 오일에 혼입되는 것을 의미합니다. 이들은 오일의 산화 제품이 아닙니다. 오염된 오일의 절연 성능은 저하되고, 내전압 강도는 감소하며, 매질 손실 각도는 증가합니다.
열화는 오일의 산화 결과입니다. 이 산화는 순수한 오일의 탄화수소의 산화뿐만 아니라, 특히 구리, 철, 알루미늄 금속 파편과 같은 오일 내 잡질에 의해 산화 과정이 가속화되는 것을 포함합니다.

산소는 배전 변압기 내부의 공기에서 유래합니다. 완전 밀폐형 배전 변압기에서도 여전히 약 0.25%의 산소가 포함되어 있습니다. 산소는 비교적 높은 용해도를 가지므로, 오일 내 용해 가스 중에서 상대적으로 높은 비율을 차지합니다.

배전 변압기 오일이 산화되면, 수분은 촉매제로서, 열은 가속제로서 배전 변압기 오일이 슬러지를 생성하도록 합니다. 그 주요 영향은 다음과 같습니다: 전기장의 작용 하에서, 침전 입자는 크고; 잡질은 전기장 세기가 가장 강한 영역에 집중되어 배전 변압기의 절연을 위한 전도 "다리"를 형성합니다; 침전물은 균일하지 않고, 별개의 가늘고 긴 줄로 형성되며, 전기장 선 방향으로 배열되어, 이는 열 방출을 방해하고 절연 재료의 노화를 가속화하며, 절연 저항과 절연 수준을 감소시킵니다.

배전 변압기 오일의 열화 과정

오일의 열화 과정에서 각 단계의 주요 생성물은 과산화물, 산, 알코올, 케톤, 슬러지입니다.초기 열화 단계에서, 오일 내에서 생성된 과산화물은 절연 섬유 재료와 반응하여 산화 셀룰로오스를 형성하여 절연 섬유의 기계적 강도를 저하시키고, 취성과 절연 수축을 초래합니다. 생성된 산은 점성 있는 지방산입니다. 미네랄 산만큼 강력한 부식성은 아니지만, 유기 절연 재료에 대한 성장률과 영향은 상당합니다.

후기 열화 단계에서는 슬러지가 생성됩니다. 산이 구리, 철, 절연 페인트 등 재료를 부식하면 슬러지가 생성됩니다. 이는 점성 있는 아스팔트와 같은 폴리머 전도 물질로, 오일에 중등도로 용해됩니다. 전기장의 작용 하에서, 이는 매우 빠르게 생성되어 절연 재료나 배전 변압기 탱크의 가장자리에 부착되거나, 냉각기의 오일 파이프와 라디에이터 핀 등에 침착하여 배전 변압기의 운전 온도를 높이고 전기 내압 강도를 감소시킵니다.

오일의 산화 과정은 두 가지 주요 반응 조