가스 크로마토그래피가 500+ kV 변압기 결함을 어떻게 감지하고 진단하는지 [사례 연구]

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절연유 내 용해가스 분석(DGA)은 대형 유침식 전력 변압기에 있어서 중요한 검사입니다. 가스 크로마토그래피를 사용하면 유충전 전기 장비의 내부 절연유의 노화 또는 변화를 적시에 감지하고, 과열이나 전기 방전과 같은 잠재적인 결함을 초기 단계에서 식별하며, 결함의 심각성, 유형 및 발전 경향을 정확하게 평가할 수 있습니다. 가스 크로마토그래피는 장비의 안전하고 안정적인 운전을 모니터링하고 보장하는 데 필수적인 방법이 되었으며, 관련 국제 및 국내 표준[1,2]에 포함되었습니다.

1 사례 연구
헥신 변전소의 1호 주 변압기는 A0A/UTH-26700 모델이며, 525/√3 / 230/√3 / 35 kV의 전압 구성입니다. 1988년 5월 제조되어 1992년 6월 30일에 운전되었습니다. 2006년 9월 20일, 컴퓨터 모니터링 시스템이 "1호 주 변압기의 가벼운 가스 계전기 작동"을 나타냈습니다. 이후 운영 인원의 점검 결과, 35 kV 측 B상의 시작과 끝 부싱에서 균열과 심각한 유 누출이 발견되었으며, 가스 계전기 내에 가스가 존재하여 즉시 정지 요청이 이루어졌습니다. 이 사건 이전에는 일반적인 전기 시험과 절연유 모니터링 시험이 이상 없음을 보여주었습니다.

2 가스 크로마토그래피 분석 및 결함 진단
정지 후 즉시 오일과 가스 샘플을 채취하여 크로마토그래피 검사를 수행했습니다. 검사 결과는 표 1과 표 2에 나와 있습니다. 결과는 변압기 오일과 가스 계전기 모두에서 용해된 가스의 농도가 비정상임을 나타냈습니다. 크로마토그래피 데이터와 균형 기준 방법을 사용하여 종합적으로 분석하여 오일과 가스 샘플의 가스 농도를 평가하였습니다.

표 1 헥신 변전소 1호 주 변압기 B상 절연유의 크로마토그래피 기록 (μL/L)

표 2 헥신 변전소 1호 주 변압기 B상 가스 계전기의 크로마토그래피 기록 (μL/L)

사용 중인 변압기 오일의 품질 기준에 따르면, 500 kV 변압기의 오일에서 다음 용해 가스 농도가 지정된 값보다 초과할 경우 주의해야 합니다: 총 탄화수소: 150 μL/L; H₂: 150 μL/L; C₂H₂: 1 μL/L. 변압기 오일에서 아세틸렌(C₂H₂)이 12.13 μL/L의 농도로 검출되어 주의 기준치를 12배 이상 초과했습니다. 성분 초과 분석 방법[3]에 따라 변압기 내부에 결함이 존재함을 예비적으로 판단하였습니다.

특성 가스를 기반으로 한 추가 분석 결과, φ(C₂H₂)가 과열과 전기 방전을 구분하는 주요 지표로서 고에너지 방전 결함이 있음을 나타냈습니다. IEC 세 가지 비율 방법을 사용하여 계산된 비율은 다음과 같습니다:
• φ(C₂H₂)/φ(C₂H₄) = 1.2,
• φ(CH₄)/φ(H₂) = 0.56,
• φ(C₂H₄)/φ(C₂H₆) = 6.6,
이로 인해 코드 102가 도출되어 변압기 내부에서 고에너지 방전(즉, 아크 발생)이 있었음을 예비적으로 결론내렸습니다.

균형 기준 방법[4]과 가스 계전기의 가스 조성을 사용하여, 오일 내의 다양한 가스 용해도를 기반으로 이론적 오일 농도를 계산하였습니다. 오일 내 측정된 농도와 이론적 농도의 비율 αᵢ를 도출하였습니다(표 2 참조). 현장 경험에 따르면, 정상 상태에서는 대부분의 성분에 대한 αᵢ 값이 0.5–2 범위 내에 있습니다. 그러나 갑작스러운 결함이 발생할 때 특성 가스는 일반적으로 αᵢ 값이 2보다 크게 나타납니다. 이 경우, 가스 계전기의 모든 가스 성분이 αᵢ 값이 2보다 크게 나타나서 갑작스러운 내부 결함이 있음을 나타냈습니다.

전기 시험 결과, 온도 조절 접점 저항, 와인딩 직류 저항, 최대 위상 차이는 모두 허용 범위 내였습니다. 와인딩 사이와 대지 사이의 누설 전류 및 그 역사적 비교는 이상이 없었습니다. 유전 손실 및 절연 저항 매개변수도 정상이었습니다. 이러한 결과는 전체적인 습기 침입, 주요 절연 열화, 또는 광범위한 절연 결함을 배제하고, 주요 절연 시스템이 무결함임을 확인했습니다.

위의 결과를 종합적으로 분석한 결과, 변압기 내부에서 갑작스러운 아크 결함이 발생하였다는 결론을 내렸습니다. 오일 내 CO와 CO₂의 농도는 크게 증가하지 않았으며, 총 탄화수소 수준은 증가하였지만 아직 한계를 초과하지 않았습니다. 이는 대규모 고체 절연물의 관여 가능성이 낮음을 시사합니다. 그러나 CO와 총 탄화수소의 αᵢ 값이 높아 국소적인 고체 절연물 손상이 있는 갑작스러운 방전 결함을 의심하였습니다.

3 내부 점검 및 개선 조치
원인을 더욱 명확히 하기 위해 변압기를 배수하고 점검하였습니다. B상의 두 35 kV 부싱과 상승부를 제거하여 점검한 결과, 코일 끝 압력 판의 전압 균등 접지 스트립이 녹아있었습니다. 탱크 커버를 들어올리자, 상부 요크 코일 압력 판의 절연 지지대가 장기간의 기계적 스트레스로 손상되어 두 점 접지가 발생하여 순환 전류가 생성되어 접지 스트립을 녹였습니다. 많은 양의 가스가 빠른 속도로 생성되면서 내부 압력이 크게 증가하여 방전 지점 근처의 두 35 kV 부싱에서 균열과 심각한 유 누출이 발생하였습니다. 점검 결과는 크로마토그래피 분석에서 도출된 결론과 완전히 일치했습니다.

개선 조치:
• 손상된 절연 지지 부품 교체;
• 절연유의 탈기 및 여과;
• 성공적인 수락 시험 후 변압기 정상 운전 복구;
• 운영 모니터링 강화, 지속적인 추적 및 분석을 통해 추가 문제 없음을 확인 후 정상 관리 재개.

4 결론
(1) 본 연구는 가스 크로마토그래피를 활용하여 헥신 변전소 1호 주 변압기 B상의 내부 아크 결함을 진단하는데 성공하였으며, 대형 전력 변압기의 운전 및 결함 진단에 귀중한 경험을 제공하였습니다.

(2) 변압기 가스 계전기가 작동할 때는 크로마토그래피 분석을 위한 오일과 가스 샘플을 채취해야 합니다. 크로마토그래피 결과, 역사적 데이터, 균형 기준 방법 및 절연 시험을 결합하여 결함이 내부인지 보조 부품과 관련 있는지를 결정하고, 결함의 성질, 위치 또는 특정 부품을 식별할 수 있습니다. 이를 통해 적시 유지보수를 수행하고 장비의 안전성을 확보할 수 있습니다.

(3) 절연유 크로마토그래피 분석은 유충전 전기 장비의 안전한 운전을 모니터링하는 가장 효과적인 조치 중 하나입니다. 정기적인 DGA를 통해 내부 결함과 그 심각성을 조기에 발견하고 지속적으로 모니터링할 수 있습니다. 대형 변압기의 안전한 운전을 보장하고 건강 상태를 인지하기 위해서는 전력 산업 표준에 따라 가스 크로마토그래피를 수행해야 하며, 필요할 때는 시험 빈도를 늘려야 합니다.