35 kV 전압 변압기 폭발 사고 분석

전압 변환기(PT)는 철심과 감은 코일로 구성되며, 일반 변압기와 유사하게 작동하지만 용량이 작습니다. 이들은 보호, 측정 및 계측 장치를 위해 고전압을 저전압으로 변환하며, 발전소/변전소에서 널리 사용됩니다. 절연 유형에 따라 분류하면 다음과 같습니다: 건식(≤6 kV), 주조형(실내 3-35 kV), 기름침적형(실외 ≥35 kV), 그리고 SF₆ 가스 충전형(복합 장비용).

변전소 운영 중 PT의 전자기 공진이나 절연 노화로 인한 사고가 여전히 발생합니다. 예를 들어, 2015년 3월, 열병합발전소의 35 kV 수입선 PT가 절연 노화로 인해 폭발하여 35 kV Bus I & II 정전을 초래했습니다. 현장 조사 후 분석:

1. 고장 전 운전 모드

고장 전 발전소 시스템 상태는 도표 1에 표시되어 있습니다.

변전소는 두 개의 35 kV 수입선(Jingdian 390 라인, Jingre 391 라인)으로부터 전력을 공급받습니다. 이들 스위치는 닫혀 있으며, 35 kV 섹션 I & II 버스바에 연결됩니다. 이 버스바들은 단일 버스 구분 배선을 사용합니다. 서지 방지기가 전력 공급 측을 보호하지만, 열병합발전소 측에는 수입선 보호 장치가 없습니다. 전력 공급 경로:

• 35 kV 섹션 I 버스바 → 3# 주 변압기 → 10 kV 섹션 I 버스바.

• 35 kV 섹션 II 버스바 → 4# 주 변압기 → 10 kV 섹션 II 버스바.

• 10 kV 섹션 I & II 버스바는 병렬로 운전됩니다.

2. 현장 조사 및 사고 재구성

운영/유지보수 직원들은 두 개의 폭발 흔적을 발견했습니다:

• 35 kV Jingdian 390 라인 - 측 PT3: A/B 상 전압을 모니터링합니다. 폭발로 하단이 파열되었으며, 화상 흔적이 남아 있습니다.

• 35 kV Jingdian 390 라인 수입 스위치: 단락 전류로 인해 폭발했습니다. 케이블 머리 볼트가 녹았으며, 접점/접촉부가 타거나 변형되었습니다.

2.1 35 kV 섹션 II 버스바 전압 데이터 분석

35 kV 섹션 II 버스바의 고장 기록 데이터를 검색하여 사고 중 전압, 전류 파형 및 전기 매개변수를 복원했습니다. 정확한 데이터 분석은 고장 진행을 추적하고, 사고 원인을 결정하는 데 중요한 증거를 제공합니다.

2.2 고장 진행 및 전기 분석
(1)고장 전 전압 왜곡

• 고장 19.6ms 전: 35kV 섹션 II 버스바는 대칭적인 세 상 전압을 가지며, 영차 전압이 최소입니다(→ 정상 장비).

• 고장 13.6ms 전: A/B 상 전압이 49.0V/43.1V로 떨어지고, C 상은 71.8V로 올라갑니다. 영차 전압은 22.4V로 상승합니다(→ 전압 변환기 절연 손상).

• 고장 1.6ms 전: A/B 상 전압이 11.9V/7.4V로 떨어지고, C 상은 44.5V로 떨어집니다. 영차 전압은 23.5V로 상승합니다(→ 절연 악화).

 (2)고장 발생 및 보호 반응

고장 중: A/B 상 절연이 파괴되며(지면 단락), C 상 전압이 떨어집니다. 3ms 후, 세 상 전압이 0으로 돌아오고, PT가 폭발합니다(→ 세 상 지면 단락으로 판단).

결론: 고장 전 버스바 전압은 정상이었습니다(번개나 오작동 없음 → 공진 과전압 제외). 장기간 운전으로 인해 전압 변환기 절연이 악화되어 내부 절연 손상으로 인해 회전간 단락이 발생하였고, 이를 통해 세 상 절연 파괴/단락으로 발전하여 선로가 트립되었습니다.

(3)보호 설정 및 동작

수입선 스위치(Jingdian 390, Jingre 391)는 수입 보호 장치가 없습니다. 주 변전소는 동일한 설정의 보호 장치를 가지고 있습니다:

• 차동 보호: 5A 설정, 0s 동작.

• 시간 제한 급속 차단 보호: 21.2A 설정, 1.1s 동작.

• 과전류 보호: 추가 분석 필요(도표 2 참조, 수입 전류 기록 데이터 제공되지 않음).

고장 후, 두 선로의 전류가 급증했습니다. 일시적인 변화 후, 안정 상태에 도달하였습니다:

• 35 kV Jingdian 390 라인: 14,116 A (안정 상태 기본 고장 전류);

• 35 kV Jingre 391 라인: 10,920 A (안정 상태 기본 고장 전류).

보호 동작:

• Jingdian 390 라인(원격 주 변전소 측): 폭발 후 268 ms에 차동 보호가 동작했으나, 35 kV 섹션 I & II 버스바가 루프되어 고장이 격리되지 않았습니다.

• Jingre 391 라인(원격 주 변전소 측): 폭발 후 1,173 ms에 시간 제한 급속 차단 보호가 동작하여 고장을 격리했습니다.

3. 원인 분석 및 예방 조치
3.1 사고 원인

2008년에 설치된 완전 절연 전자기 전압 변환기는 정전 유지보수 또는 전기 시험을 받지 않았습니다. 장기간의 운전으로 인해 내부 절연이 실패했습니다. 주요 원인:

• 제품 결함: 부적절한 설계 → 불충분한 절연, 짧은 수명.

• 환경 오염: 자기관에 먼지 → 우기에 절연 저항이 급격히 떨어져 플래시오버가 발생하고, 장기적으로 절연이 손상됩니다.

• 절연유의 열화: 밀봉이 좋지 않아 습기 침투, 전기장 왜곡, 절연유의 내전압 및 유전체 특성이 감소합니다.

• 노화 및 외부 영향: 열적 노화(주변 조건, 장기 사용); 기계적 노화(스위칭 과전압, 단락 전류로 인한 절연 손상).

3.2 절연 손상 테스트

정기적인 절연 저항 테스트는 고장 예방에 도움이 됩니다:

• 주회로: 인수/대수 시 2,500 V 미터 사용 → 절연 저항 ≥ 3,000 MΩ. 예방 테스트에서는 초기 값의 50% 이하로 저항이 떨어져서는 안 됩니다.

• 부회로: 인수/대수 시 1,000 V 미터 사용 → 절연 저항 ≤ 10 MΩ.

3.3 일반적인 고장: 공진 과전압
발생 조건:

• 전자기 전압 변환기는 비선형 인덕터입니다. 자극 전류 증가로 인해 강자성 포화가 발생하여 인덕턴스가 감소합니다(주요 공진 원인).

• 공진은 용량과 인덕턴스가 일치해야 합니다(감성 반항 ≤ 100× 용성 반항).

• 발생 조건: 무부하 버스 스위칭, 갑작스러운 지면 고장 해제, 번개, 스위칭 과전압 등.

예방: 전압 변환기 중성점을 조화 소거기 + 작은 저항기를 통해 접지하고, 버스 전압 변환기 오픈 델타에 조화 소거 장치를 설치합니다.

4. 결론

전압 변환기의 절연 노화로 인해 절연 파괴와 버스 정전이 발생하며, 이는 그리드에서 흔히 발생하는 문제입니다. 예방 테스트 규정을 엄격히 준수하고, 불합격 장비는 테스트 및 교체해야 합니다. 이번 사고에서 보호되지 않은 열병합발전소 수입선과 고장난 1# 35 kV 버스 연계 스위치가 고장을 확대시켰습니다. 정기적으로 보호 설정 및 신뢰성을 점검해야 합니다. 사고 분석은 빠르게 문제를 식별하고, 대상적인 조치를 취하며, 고장 위험을 줄이고, 변전소의 신뢰성을 높이는 데 도움이 됩니다.