전력 커패시터의 고장 메커니즘 특성 및 예방 조치는 무엇인가요

1 전력 커패시터의 고장 메커니즘

전력 커패시터는 주로 하우징, 커패시터 코어, 절연 매체, 그리고 단자 구조로 구성됩니다. 하우징은 일반적으로 얇은 강철이나 스테인리스강으로 제작되며, 덮개에 부싱이 용접되어 있습니다. 커패시터 코어는 폴리프로필렌 필름과 알루미늄 호일(전극)로 감아져 있으며, 하우징 내부는 절연 및 열 방출을 위해 액체 절연제로 충전됩니다.

완전히 밀봉된 장치로서, 전력 커패시터의 일반적인 고장 유형에는 다음과 같은 것들이 포함됩니다:

• 내부 커패시터 요소 파손;

• 퓨즈 녹김;

• 내부 단락 고장;

• 외부 방전 고장.

내부 고장은 커패시터 본체에 더 큰 파괴를 초래하며, 일단 발생하면 현장에서 수리할 수 없으며, 장비 이용 효율성에 크게 영향을 미칩니다.

1.1 내부 커패시터 요소 파손

커패시터 요소 파손은 주로 절연재 노화, 습기 침입, 제조 결함, 그리고 혹독한 작동 조건 등 여러 요인에 의해 발생합니다. 요소 내부에 퓨즈가 없는 경우, 단일 요소의 파손은 병렬 연결된 다른 요소들과 단락 회로를 형성하여, 전압 분배에서 제거됩니다. 이로 인해 나머지 직렬 연결된 요소들의 작동 전압이 증가합니다. 시기 적절한 고장 격리가 이루어지지 않으면, 이는 심각한 안전 위험을 초래하고 재앙적인 고장으로 이어질 수 있습니다.내부 퓨즈의 사용은 고장 요소를 효과적이고 신속하게 격리하여 운전 안전성을 향상시킵니다.

커패시터 파손은 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다: 전기적 파손, 열적 파손, 부분 방전 파손.

• 전기적 파손: 과전압 또는 고조파로 인해 절연재를 가로지르는 전기장 강도가 지나치게 높아져, 결함 있는 부분에서 절연이 실패하는 것을 말합니다. 이는 짧은 기간 동안 높은 전기장 강도를 특징으로 합니다. 파손 강도는 전기장의 균일성과 밀접한 관련이 있지만, 온도와 전압 적용 시간에는 덜 민감합니다.

• 열적 파손: 열 발생이 열 방출을 초과하여, 절연재의 온도가 계속 상승하여 재료의 변질과 결국 절연 실패로 이어집니다. 이는 주로 정상 상태 작동 중에 발생하며, 전기적 파손보다 상대적으로 낮은 파손 전압과 긴 전압 적용 시간을 특징으로 합니다.

• 부분 방전 파손: 절연재 내에서 국소적으로 높은 전기장이 발생하여, 저유전율 영역(예: 액체, 가스, 불순물)의 파손 강도를 초과하게 됩니다. 이는 점진적으로 절연 성능을 저하시키며, 궁극적으로 완전한 전극 간 파손으로 발전합니다. 이 과정은 점진적이며, 관통하지 않는 방전부터 완전한 절연 실패까지 진행됩니다.

1.2 퓨즈 녹김

퓨즈 보호는 전력 커패시터에서 가장 일반적인 보호 조치 중 하나이며, 보상 시스템의 안전하고 안정적인 작동에 중요한 역할을 합니다. 이는 외부 퓨즈 보호와 내부 퓨즈 보호로 구분됩니다.

• 외부 퓨즈 보호: 내부 커패시터 요소가 고장날 때, 커패시터를 통과하는 고장 전류와 외부 퓨즈의 전류가 증가합니다. 전류가 퓨즈의 정격 녹김 임계값에 도달하면, 퓨즈가 가열되어 열 균형을 깨뜨리고 녹아서 고장난 커패시터를 차단하여 고장 확산을 막습니다.

• 내부 퓨즈 보호: 요소가 고장났을 때, 병렬 연결된 요소들은 고장난 요소로 방전하여, 고폭의 빠르게 감소하는 일시적 전류를 생성합니다. 이 전류의 에너지는 직렬 연결된 내부 퓨즈를 녹여 고장난 요소를 격리하고, 나머지 커패시터가 계속 작동할 수 있도록 합니다.

실제로, 퓨즈 선택이 잘못되었거나 단자 접촉이 불량할 경우, 정상 작동 중에도 비정상적으로 퓨즈가 녹아서 건강한 커패시터가 잘못 제거되고 무효전력 출력이 줄어들 수 있습니다.

내부 퓨즈가 잘못 크기가 맞추어져 있어 고장을 신속하게 격리하지 못하면, 고장이 악화되어 커패시터가 폭발하거나 화재가 발생할 수도 있습니다.

1.3 내부 단락 고장

전력 커패시터의 내부 단락 고장은 주로 실시간 전극-하우징 단락 및 전극 간 단락을 포함합니다. 이러한 고장은 주로 장기적인 절연재 노화, 내부 습기 침입, 과전압 스트레스, 또는 설계 또는 제조 과정에서의 고유한 절연 결함 등에 의해 발생하며, 이는 관통형 절연 파손과 내부 단락을 초래합니다.

1.4 외부 방전 고장

외부 방전 고장은 부싱 표면 플래시오버, 부싱 관통, 상간 또는 상-대지 단락, 또는 기계적 스트레스로 인한 포세린 부싱의 균열 등의 외부 요인에 의해 커패시터 본체 외부에서 발생하는 고장을 말합니다. 이러한 고장은 다양한 원인이 있지만 외부 회로에서 발생하며, 일반적으로 계전기 보호 동작, 정기 점검, 또는 오프라인 테스트를 통해 탐지 및 완화될 수 있습니다. 그 발생 가능성이 내부 고장보다 낮지만, 여전히 충분한 주의가 필요합니다.

2 전력 커패시터의 일반적인 고장 특성 및 원인
2.1 커패시터 본체의 오일 누출

완전히 밀봉된 고전장 강도, 고전류 장치인 전력 커패시터에서 오일 누출은 오일 수준이 낮아짐으로써 절연 수준을 낮추고, 내부 압력이 감소하여 습기를 유입시켜 절연재가 습기 찬 상태가 되어 절연 저항이 감소하고, 궁극적으로 내부 요소 파손이나 폭발로 이어질 수 있습니다.

주요 오일 누출 원인에는: 용접이 좋지 않아 밀봉이 불완전한 경우; 노화되거나 불균등한 스트레스를 받는 패킹; 운송 또는 설치 중 기계적 손상; 부족한 유지보수로 인한 하우징 부식; 기계적 스트레스로 인한 부싱 밀봉 손상 등이 포함됩니다.

2.2 커패시터 하우징 변형

정상 작동 조건에서, 온도와 전압 변화에 따른 커패시터 하우징의 소량의 팽창 또는 수축은 허용됩니다. 그러나 내부 전기장 강도가 과도하여 부분 방전이나 단락이 발생하면, 절연재가 분해되어 대량의 가스를 생성합니다. 이로 인해 밀폐된 챔버 내부의 압력이 증가하여 하우징이 부풀거나 변형됩니다.

심각한 변형이 발생하면, 일반적으로 현장에서 수리는 불가능하며 교체가 필요합니다. 하우징 변형은 내부 절연재의 악화를 가중시키고, 전기 구조를 손상시켜 원래의 절연 간격을 변경할 수 있으며, 심각한 경우에는 부싱이 파손(그림 1 참조)되어 폭발이나 화재를 초래할 수 있습니다.

하우징 변형의 주요 원인은 제품 품질 문제로, 예를 들어: 전극 또는 절연재의 품질이 좋지 않은 경우; 가스를 흡수하지 않는 절연유 사용; 제조 환경 또는 공정이 표준 미만인 경우; 생산 중 잔류 불순물; 특정 성능 지표를 지나치게 추구하는 경우; 또는 하우징 재료가 너무 얇은 경우 등입니다.

2.3 커패시터의 이상 온도 상승

전력 커패시터의 이상 온도 상승은 본체 온도가 지나치게 높아져, 내부 절연재의 열적 노화를 가속화하고, 절연 강도를 감소시키며, 부분 방전을 유발할 수 있습니다. 전력 커패시터의 수명은 일반적으로 "8°C 규칙"을 따릅니다: 설계 허용 작동 온도보다 8°C 증가할 때마다 예상 수명은 대략 반으로 줄어듭니다.

이상 온도 상승의 주요 원인은 환기 부족이나 장시간 과전류 조건입니다. 예를 들어: 커패시터 방의 공간 배치가 불합리하거나 환기 장비 배치가 부적절하여 열 방출이 불충분한 경우; 과전압 작동으로 인한 과전류로 인해 발열이 증가하는 경우; 정류 장치에서 발생하는 고조파 전류가 커패시터 과열에 기여하는 경우 등이 있습니다. 또한, 절연재 노화, 습기 침입, 내부 구성 요소 고장 등이 전력 손실을 증가시켜 온도 상승을 더욱 가중시킬 수 있습니다.

2.4 커패시터 부싱의 표면 플래시오버 방전

전력 커패시터 설치 구성 요소는 일반적으로 밀착되어 배치됩니다. 작동 중, 주변 환경은 높은 온도와 전기장 강도를 특징으로 하며, 이는 공기 중의 전하 입자를 흡착하기 쉽습니다. 이를 통해 부싱 표면에 오염이 쌓이면서 표면 누설 전류가 증가합니다. 시스템 고조파와 전압의 영향 하에, 부싱 도자기의 국소적인 표면 아크 방전이 발생할 수 있습니다. 오염이 임계 수준에 도달하면, 표면 플래시오버 방전이 발생하며, 이는 이상 소음과 함께 나타납니다. 심각한 경우, 외부 상-대지 단락이 발생할 수 있습니다.

2.5 커패시터의 이상 소음

전력 커패시터는 움직이는 부품이나 전자자기 자극 부품이 없는 정적 무효전력 보상 장치입니다. 정상 작동 중에는 어떠한 청각적인 소음도 발생하지 않습니다. 만약 작동 중 이상 소음이 발생하면, 이는 커패시터 내부에서 고에너지 부분 방전이 발생하고 있음을 나타내며, 즉시 장비를 전원 차단하여 점검해야 합니다.

2.6 커패시터 파열

커패시터 파열은 심각한 고장으로, 큰 결과를 초래합니다. 이는 일반적으로 내부 커패시터 요소가 전극 간 또는 전극-하우징 절연 파손을 겪었을 때, 관통 단락 고장이 발생하면서 발생합니다. 병렬로 작동 중인 다른 커패시터들은 고장난 유닛으로 빠르게 충전 및 방전됩니다. 주입된 에너지가 하우징의 기계적 강도를 초과하면, 커패시터가 파열되고 오일이 분출되어 화재를 일으킬 수 있으며, 변전소 전체의 안전을 위협하고, 심지어 인명 피해를 초래할 수도 있습니다.

전체 커패시터 뱅크의 연쇄 파열 사례는 그림 2에 표시되어 있으며, 이는 내부 커패시터 요소 파손에 의해 유발되었습니다; 고장난 요소의 상세한 상태는 그림 3에 표시되어 있습니다.

2.7 커패시터 뱅크 접속 단자의 과열

전력 커패시터 뱅크는 전원이 켜지면 전부 부하로 작동하며, 높은 회로 전류가 흐릅니다. 내부 접속이 접촉이 좋지 않거나, 설계 또는 설치 방법이 부적절하거나, 유지보수가 부족하면, 접속 지점에서 국소적인 과열이 발생할 수 있습니다. 장시간 과열은 과도한 열 에너지 축적을 초래하여, 연결 도체가 녹을 수 있습니다. 커패시터 뱅크 단자의 과열 고장은 비교적 흔하며, 녹아있는 접속의 상태는 그림 4에 표시되어 있습니다.

3 사고 예방 조치

3.1 장비 제조 및 설치 조사의 품질 확보

전력 커패시터의 안전한 작동은 장비 제조 및 설치 조사의 품질에 달려 있습니다. 제조 과정에서는 엄격하게 공정 순서를 준수하고, 합격한 원자재와 제조 장비를 사용하며, 전 과정에서 품질 감독을 강화해야 합니다. 엄격한 공장 검사를 통해 제품 품질을 보장합니다. 현장 설치 시에는 합리적으로 "단계별 및 그룹별"로 분할하여, 각 단계와 섹션 간의 균형 잡힌 용량 매칭을 보장해야 합니다. 또한, 설치 후 현장 인수 및 검수에 중점을 두어 설치 품질을 보장하고, 작동 중 고장을 최소화해야 합니다.

3.2 운전 및 작동 방법 개선

• 라인 부하에 대한 전원 켜기 및 끄기 작업 시, 커패시터 뱅크는 "먼저 끊고, 다음에 연결"의 원칙을 준수해야 하며, 부하 라인은 "먼저 연결하고, 다음에 끊는" 순서를 따라야 합니다. 이 순서는 임의로 변경해서는 안 됩니다.

• 커패시터 뱅크 작동을 복원하기 전에는 충분한 방전 시간을 확보해야 합니다. 커패시터 뱅크의 빈번한 스위칭은 최소화해야 하며, 완전히 방전된 후에 다시 연결할 수 있습니다. 고장으로 인해 보호 장치가 커패시터 뱅크를 트립시킨 경우, 원인을 확인하기 전에는 재연결해서는 안 되며, 사고 확대를 방지해야 합니다.

• 고차 고조파가 커패시터 뱅크에 영향을 미치지 않도록, 특정 응용 상황에 따라 적절한 리액터 비율을 선택해야 합니다. 이를 통해 고차 고조파를 효과적으로 억제하고, 폐쇄 시의 돌입 전류와 과전압을 줄여, 전체 시스템의 안전한 작동을 보장할 수 있습니다.

3.3 작동 환경 온도 제어

커패시터의 작동 온도는 그 성능과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 높은 온도는 절연재의 열적 노화를 가속화하여 수명을 단축시킵니다. 따라서 작동 환경 온도를 제어하는 것이 중요합니다. 실내 설치된 커패시터 뱅크는 양호한 환기 상태를 유지해야 하며, 필요하다면 자동 온도 제어 시스템을 설치해야 합니다. 실외 장치는 직사광선을 피하고, 적절한 환기와 열 방출을 보장해야 합니다. 정기적으로 커패시터 뱅크와 관련 장비에 대해 실시간 적외선 열화상 검사를 수행하여, 적시 조치를 취하고 내부 매체 온도와 환경 온도가 규정에 맞는지 확인해야 합니다.

3.4 장비 작동 상태의 온라인 모니터링 실시

커패시터 뱅크에 온라인 모니터링 장치를 설치하면, 실시간으로 작동 상태를 모니터링하여 잠재적인 고장을 신속하게 탐지하고 처리할 수 있습니다. 이는 실제 작동 전압, 부분 방전, 유전 손실, 용량, 누설 전류 등의 특성 신호를 모니터링하는 것을 포함합니다. 이는 고장 진단 및 격리를 돕는 데뿐만 아니라, 잠재적인 결함 분석 및 예측 고장 경고를 달성하는 데에도 도움이 됩니다.

3.5 장비의 정기 점검 강화

정기 점검을 강화하는 것은 커패시터 뱅크의 정상 작동을 보장하는 데 필수적입니다. 하우징 변형, 오일 누출, 포세린 절연자의 오염 수준, 방전 징후, 전기 거리, 환경 온도 등을 집중적으로 점검해야 합니다. 적외선 열화상을 활용하여 접속 지점의 과열을 탐지하고, 적시 유지보수를 통해 전력 커패시터 조립체의 안전한 작동을 보장할 수 있습니다.

결론

본 문서는 전력 커패시터의 고장 메커니즘, 특성, 원인을 분석하고, 장비 및 설치 조사 품질, 운전 방법, 작동 환경 온도 제어, 작동 상태의 온라인 모니터링, 정기 점검 등 다섯 가지 측면에서 예방 조치를 제안합니다. 이러한 제안은 전력 커패시터의 효과적인 응용을 위한 실용적인 지침을 제공합니다.