전통적인 접지 변압기의 고장 분석 및 설계 최적화

I. 손상의 핵심 원인: 전자동적 충격 (GB/T 1094.5 / IEC 60076-5 준수)

고압 와인딩 끝부분의 붕괴의 직접적인 원인은 단락 회로 전류에 의해 발생하는 순간적인 전자동적 충격입니다. 시스템에서 단일 위상 접지 고장(예: 번개 과전압, 절연 파괴 등)이 발생하면, 접지 변압기는 고진폭과 급격한 상승률을 가진 단락 회로 전류를 견뎌내야 합니다. 암페르의 힘 법칙에 따르면, 강력한 자기장에서 와인딩 도체는 방사형(내부 압축) 및 축방향(인장/압축) 전자동적 힘을 받습니다. 만약 이 전자동적 힘이 와인딩 구조(도체, 스페이서, 압착 판, 결합 시스템)의 기계적 강도 한계를 초과한다면, 와인딩은 되돌릴 수 없는 변형, 이동 또는 왜곡을 일으키며, 결국 와인딩 끝부분의 붕괴로 나타납니다. 이는 단락 고장 상태에서 변압기 유형 장비의 대표적인 고장 모드입니다.

II. 관련 고장 트리거: 공진 과전압 및 잔류 고장 상태에서의 전원 공급 (DL/T 620 / IEC 60099와 같은 과전압 보호 표준 준수)

• 시스템 공진 과전압 (페로레조넌스 / 선형 공진)
  시스템 매개변수(라인 용량, PT 인덕턴스, 아크 소멸 코일 인덕턴스 등)의 부적절한 조합은 페로레조넌스나 선형 공진을 일으켜 지속적인 과전압을 생성할 수 있습니다. 이러한 과전압은 절연 약점(노화된 절연체, 방전기, 부싱 등)에 반복적으로 작용하여 간헐적인 아크 접지 또는 반복적인 절연 파괴를 일으킵니다. 이로 인해 접지 변압기는 고주파 충격 전류를 견뎌야 합니다. 이는 직접적으로 전자동적 충격을 발생시키는 동시에 와인딩 절연(간선, 층간, 주요 절연)의 열 및 전기 노화를 가속화하여, 그 절연강도와 기계적 강도를 크게 감소시켜 후속 충격이나 정상 작동 중에 더 쉽게 붕괴되게 만듭니다.

• 번개 직후 지속적인 고장 상태에서의 전원 공급
  번개로 인해 선로에 영구적인 접지 고장이 발생한 후, 고장 지점을 격리하지 않으면(예: 회로 차단기가 작동하지 않거나 고장 표시가 불명확하다면), 유지보수 인력이 잘못하여 전원을 복구(고장 상태에서의 전원 공급)하면, 접지 변압기는 계속해서 전력 주파수 고장 전류(설계 한도를 훨씬 초과함)를 통과하게 됩니다. 지속적인 과전류는 I²Rt 조울 효과를 유발하여 와인딩 온도가 절연 허용 한도(예: A 클래스의 경우 105°C)를 크게 초과하도록 급격히 상승시킵니다. 이로 인해 열 노화, 탄화, 절연 성능 저하가 빠르게 진행되어 결국 와인딩 단락 및 소각(열 붕괴)으로 이어집니다. 이 상태는 장비에 치명적인 손상을 입힙니다.

III. 최적화 방안: 장비 내구성 향상 및 보호 전략 개선 (장비 선택, 계전 보호, 상태 모니터링 표준 통합)

• 장비 본체 단락 내구성 향상 (GB/T 1094.5 / IEC 60076-5 준수)

• 선택 요구사항: 엄격한 단락 내구성 테스트(예: IEC 60076-5)를 통과한 고단락 내구성 모델을 우선적으로 후속 구매 시 선택하며, 와인딩 구조 설계(강화된 압착 판, 축 방향 압착 시스템, 방사형 지원 구조, 전위 도체 공정), 재료 강도, 제조 공정에 집중합니다.

• 옵션 시리즈 전류 제한 리액터: 접지 변압기 중성 회로에 전류 제한 리액터를 설치하여 고장 전류의 진폭과 상승률을 효과적으로 억제하고, 와인딩에 대한 전자동적 충격을 줄입니다. 시스템 접지 모드와 계전 보호에 대한 영향을 동시에 검증해야 합니다.

• 계전 보호 구성 및 설정 최적화 (계전 보호 표준 DL/T 584 / DL/T 559 준수)

• 설정 원칙: 접지 변압기의 과전류 보호 설정(영차 과전류, 역시간 과전류)은 반드시 장비의 열 및 동적 안정성 한도(GB/T 1094.5에 따라 계산됨)보다 낮아야 합니다.

• 등급 조정: 접지 변압기의 보호 시간 지연(예: 100A/10s)은 상위 선로 보호(송출 회로 차단기)와 신뢰성 있게 조정되어야 합니다. 선로 보호(영차 단계 I: 0.2s, 단계 II: 0.7s)가 선로의 접지 고장을 신속하게 해결하여 접지 변압기가 불필요한 스트레스를 겪지 않도록 합니다. 접지 변압기 보호는 백업으로, 선로 보호의 가장 긴 시간 지연(등급 Δt 포함)보다 큰 작동 시간 지연을 가져야 합니다.

• 접지 변압기 본체 보호 설정 최적화:

• 고장 신속 제거 능력 강화 (DL/T 584 / DL/T 559 준수)

• 방향성 영차 보호 구성: 선로 보호에서 방향성 영차 전류 보호(단계 I/II)를 배치하고 신뢰성 있게 활성화합니다. 방향 요소는 고장 및 비고장 선로를 정확하게 구별하여, 단일 위상 접지 고장 시 고장 선로 회로 차단기가 ≤0.2s 내에 신뢰성 있게 작동하여 고장 원천을 완전히 격리합니다. 이는 접지 변압기 손상을 방지하기 위한 핵심 보호 조치입니다.

• 지능형 온라인 모니터링 및 조기 경보 시스템 배포 (상태 모니터링 표준 DL/T 1709.1 준수)

• 실시간 와인딩 핫스팟 온도 모니터링: 고압 와인딩 끝부분의 주요 위치에 광섬유 또는 백금 저항 온도 센서를 설치하여 ±1~2℃ 정확도로 실시간 모니터링을 수행합니다. 다단계 알람(경고/경보) 및 트리핑 임계값(절연 클래스 열 모델에 따라 계산됨)을 설정하여 한계를 초과할 때 자동으로 보호 동작을 트리거하여 열 붕괴를 방지합니다.

• 중성점 전기 매개변수 모니터링 및 비대칭 알람: 중성점 전류와 시스템 변위 전압(영차 전압)을 지속적으로 모니터링하고, 비대칭 초과 알람 기능을 구성합니다. 지속적이거나 빈번한 비정상적인 중성점 전기 매개변수(간헐적인 접지, 공진 또는 절연 저하를 나타냄)가 감지되면 즉시 경고를 발령하여 조기에 고장을 개입합니다.

최적화 결론 및 실행 권장 사항

• 결론 요약

• 장비 강화: 고단락 내구성 장비를 선택하거나 전류 제한 리액터를 설치하여 전자동적 내구성을 향상시킵니다.

• 보호 조정: 보호 값(≤장비 내구성 한도)을 정밀하게 설정하고, 방향성 영차 보호(단계 I ≤0.2s)와 등급 조정을 확보합니다.

• 상태 조기 경보: 고정밀 온도 모니터링(±1~2℃) 및 중성점 전기 매개변수 알람 시스템을 배포하여 조기 고장 보호를 수행합니다.

• 사고의 직접적인 원인은 단일 위상 접지 고장 전류에 의해 발생하는 전자동적 힘이 와인딩의 기계적 강도 한계를 초과하기 때문입니다.

• 심층 트리거에는 다음이 포함됩니다: ① 시스템 공진 과전압에 의한 간헐적 충격으로 인한 절연 노화 가속; ② 번개 직후 영구 고장 상태에서의 전원 공급으로 인한 열 붕괴.

• 체계적인 최적화는 세 가지 측면에 집중해야 합니다:

• 실행 권장 사항

• 즉시 보호 설정 조정, 방향성 보호 활성화 및 모니터링 시스템 설치를 시행합니다.

• 서비스 수명 주기 및 기술 개선 일정에 맞춰 장비 본체 업그레이드를 계획합니다.

• 이 방안을 운영 규칙 및 사고 예방 조치에 포함시키고, 접지 고장 상태에서의 전원 공급을 엄격히 금지하며, 번개 직후 전원 복구 전에 고장 지점을 철저히 조사합니다.