전력 변압기의 부분 방전을 줄이는 8가지 주요 조치

전력 변압기 냉각 시스템의 요구사항 증가와 쿨러의 역할

전력망의 급속한 발전과 전송 전압의 증가에 따라 대형 전력 변압기에 대한 절연 신뢰성 요구사항이 더욱 높아지고 있습니다. 부분 방전 검사는 절연에 비파괴적이면서도 매우 민감하여, 변압기 절연 내부의 고유 결함이나 운송 및 설치 과정에서 발생하는 안전 위협적인 결함을 효과적으로 감지할 수 있어, 현장 부분 방전 검사는 널리 적용되고 있으며, 72.5 kV 이상의 전압 등급 변압기의 필수적인 테스트 항목으로 지정되었습니다.

1. 부분 방전 및 원리

부분 방전, 또는 정전기 이온화는 정전기 전하의 흐름을 의미합니다. 특정 적용 전압 하에서, 전기장이 강한 영역에서 절연이 약한 위치에서 먼저 이온화가 발생하지만, 완전한 절연 붕괴는 일어나지 않습니다. 이러한 정전기 전하의 흐름 현상을 부분 방전이라고 합니다. 가스로 둘러싸인 도체 근처에서 발생하는 부분 방전은 코로나라고 부릅니다.

부분 방전은 변압기 내부 절연 내에서 국소적으로 발생하는 전기 방전입니다. 방전이 국소적이고 에너지가 낮기 때문에, 직접적으로 내부 절연의 완전한 붕괴를 초래하지는 않습니다.

중국에서는 초기에는 220kV 이상의 변압기에 대해서만 부분 방전 테스트 요구사항을 시행하였으나, 이후 새로운 IEC 표준에 따라 설비의 최대 운전 전압 Um ≥ 126kV일 때 부분 방전 측정을 수행하도록 규정하였습니다. 국가 표준 또한 최대 운전 전압 Um ≥ 72.5kV이며 정격 용량 P ≥ 10,000kVA인 변압기에 대해 부분 방전 측정을 수행하도록 명시하고 있습니다. 단, 특별히 합의된 경우를 제외하고는 그러합니다.

부분 방전 테스트 방법은 GB1094.3-2003 규정을 따르며, 표준 한도는 500pC를 초과하지 않도록 설정되어 있습니다. 그러나 실제 계약에서는 고객들이 ≤300pC 또는 ≤100pC의 한도를 요구하는 경우가 많습니다. 이러한 기술 협약은 변압기 제조업체에게 더 높은 제품 기술 기준을 유지하도록 요구합니다.

2. 부분 방전의 위험성

부분 방전의 위험성은 그 원인, 위치, 그리고 발생 및 소멸 전압의 수준과 관련이 있습니다. 발생 및 소멸 전압이 높을수록 위험이 적고, 반대로 낮을수록 위험이 큽니다. 방전 특성 면에서, 고체 절연에 영향을 미치는 방전이 변압기에 가장 큰 위험을 초래하며, 절연 강도를 감소시키거나 심지어 손상을 초래할 수 있습니다.

3. 부분 방전의 원인

부분 방전을 일으키는 요인에는 설계 고려 사항이 부족한 경우가 있지만, 대부분 제조 과정에서 발생합니다:

• 부품의 날카로운 모서리와 버를 통해 전기장이 왜곡되어 방전 발생 전압이 낮아짐;

• 외부 물체와 먼지가 전기장을 집중시켜, 외부 전기장 하에서 코로나 방전이나 파괴 방전을 유발;

• 습기나 기포. 물과 기체의 유전 상수가 낮아 전기장 영향 하에서 먼저 방전이 발생;

• 현수 상태의 금속 구조 부품의 접촉 불량으로 인해 전기장 집중 또는 스파크 방전이 발생.

4. 부분 방전 줄이기 위한 조치

4.1 먼지 관리

부분 방전을 일으키는 요인 중 외부 물체와 먼지는 매우 중요한 트리거입니다. 테스트 결과, 1.5μm보다 큰 금속 입자는 전기장 영향 하에서 500pC를 크게 초과하는 방전량을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 금속 및 비금속 먼지 모두 전기장을 집중시켜, 절연의 방전 발생 전압과 파괴 전압을 낮춥니다.

따라서, 변압기 제조 과정에서 깨끗한 환경과 코어 본체를 유지하는 것이 중요하며, 엄격한 먼지 관리가 필요합니다. 제조 과정에서 먼지에 의한 영향 정도에 따라 밀폐된 먼지 방지 작업장을 설립해야 합니다. 예를 들어, 선재 교정, 선재 포장, 감침 제작, 감침 조립, 코어 쌓기, 절연 부품 제작, 코어 조립, 코어 마무리 등의 과정에서 외부 물체나 먼지가 남아있거나 들어오는 것을 절대 허용해서는 안 됩니다.

4.2 절연 부품의 집중 처리

절연 부품은 특히 금속 먼지 오염에 취약하며, 일단 금속 먼지가 절연 부품에 달라붙으면 완전히 제거하기 매우 어렵습니다. 따라서, 절연 작업장에서 집중적으로 처리해야 하며, 다른 먼지를 발생시키는 영역과 분리된 전용 기계 처리 구역을 마련해야 합니다.

4.3 실리콘 강판 버의 엄격한 관리

변압기 코어 적층판은 종방향 및 횡방향 절단 공정을 통해 형성되므로, 다양한 정도의 버가 불가피하게 발생합니다. 이러한 버는 적층판 간 단락을 일으켜 내부 순환 전류를 증가시켜 무부하 손실을 증가시키는 것은 물론, 실제로 적층판 수를 줄이는 동시에 코어 두께를 효과적으로 증가시킵니다. 더욱 중요한 것은, 코어 조립 또는 진동 하에서 버가 코어 본체에 떨어져 방전을 일으킬 수 있으며, 탱크 바닥에 떨어진 버마저 전기장 영향 하에서 정렬되어 대지 전위 방전을 일으킬 수 있다는 것입니다. 따라서, 코어 적층판의 버를 가능한 한 최소화해야 합니다. 110kV 제품의 경우, 코어 적층판의 버는 0.03mm를 넘어서는 안 되며, 220kV 제품의 경우 0.02mm를 넘어서는 안 됩니다.

4.4 리드선의 냉간 압착 단자

냉간 압연 단자 사용은 부분 방전량을 줄이는 효과적인 조치입니다. 인듐 청동 용접은 많은 튀김 입자를 생성하여 코어 본체와 절연 부품에 쉽게 흩뿌려집니다. 또한, 용접 경계 영역은 물에 적신 아스베스트 밧줄로 격리해야 하며, 이는 절연재에 습기를 유입시킵니다. 절연 포장 후 습기가 완전히 제거되지 않으면 변압기의 부분 방전량이 증가합니다.

4.5 부품 가장자리의 둥글게 처리

부품 가장자리를 둥글게 하는 것은 두 가지 목적을 가지고 있습니다: 1) 전기장 분포를 개선하고 방전 시작 전압을 높이는 것. 따라서 코어 내의 클램프, 당겨지는 판, 발판, 브래킷, 누름판, 출구 가장자리, 부싱 상승 벽, 내부 탱크 벽의 자기 차폐판 등 모든 금속 구조 부품은 가장자리를 둥글게 처리해야 합니다. 2) 철가루를 발생시키는 마찰을 방지하는 것. 예를 들어, 클램프 리프팅 홀과 로프 또는 후크 간의 접촉 부분은 둥글게 처리해야 합니다.

4.6 제품 환경 및 최종 조립 중의 코어 마무리

코어 진공 건조 후 탱크 설치 전에 코어 마무리를 수행해야 합니다. 더 크고 복잡한 구조의 제품일수록 마무리 시간이 더 필요합니다. 코어 노출 상태에서 코어 압착 및 고정 장치 조임 작업을 수행하므로, 이 기간 동안 습기 흡수와 먼지 오염이 발생할 수 있습니다. 따라서 코어 마무리는 먼지 없는 공간에서 수행되어야 합니다. 마무리 시간(또는 공기 중 노출 시간)이 8시간 이상 지나면 재건조 처리가 필요합니다. 

코어 마무리 후 상부 탱크 섹션을 설치하고 진공 펌핑 및 기름 충전을 진행합니다. 코어 절연재가 마무리 단계에서 습기를 흡수하므로, 제품을 진공 펌핑하여 제습 처리가 필요합니다. 이는 고전압 제품의 절연 강도를 보장하기 위한 중요한 조치입니다. 진공 수준은 코어 및 환경 습도와 수분 함유량 표준에 따라 결정되며, 진공 시간은 가마 출구 시간, 환경 온도 및 습도에 따라 결정됩니다.

4.7 진공 기름 충전

진공 기름 충전의 목적은 변압기의 절연 구조에서 사각 지대를 없애고 공기를 완전히 배출한 후 진공 상태에서 변압기 기름으로 충전하여 코어의 완전한 잠침을 보장하는 것입니다. 기름 충전 후 변압기는 시험 전 최소 72시간 동안 서 있어야 합니다. 절연재의 잠침 정도는 절연재 두께, 기름 온도 및 침수 시간에 따라 달라집니다. 더 나은 잠침은 방전 가능성을 줄이므로 충분한 서 있는 시간은 필수적입니다.

4.8 탱크 및 부품의 밀봉

밀봉 구조의 품질은 변압기 누설에 직접적으로 영향을 미칩니다. 누설점이 존재하면 습기가 변압기 내부로 반드시 들어가게 되어 변압기 기름 및 기타 절연 부품이 습기를 흡수하게 됩니다—이것은 부분 방전의 원인이 됩니다. 따라서 합리적인 밀봉 성능을 보장해야 합니다.