KR-20260061122-A - Method for measuring deterioration of insulating material for transformer

Abstract

본 발명은, 정확도가 높은 변압기의 잔여수명 추정을 위해 운전 중인 변압기에서 절연물의 샘플링이 가능한, 변압기용 절연물의 열화 측정 방법에 관한 것으로, 절연유에 침지된 절연물 시료 주변에서 절연유의 온도를 측정하는 단계; 측정된 온도에 핫스팟과의 설계 온도차를 반영하여 온도를 환산하는 단계; 절연물 시료를 채취하여 평균 중합도를 측정하는 단계; 미리 산출된 데이터에서, 측정된 온도와 측정된 평균 중합도에 대응되는 시간에 따라 환산된 온도를 반영하여 평균 중합도를 환산하는 단계; 및 환산된 평균 중합도를 이용하여 잔여수명을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

Inventors

• 오중기

Assignees

• 에이치디현대일렉트릭 주식회사

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20260414

Claims (6)

1. 절연유에 침지된 절연물 시료 주변에서 절연유의 온도를 측정하는 단계; 측정된 온도에 핫스팟과의 설계 온도차를 반영하여 온도를 환산하는 단계; 상기 절연물 시료를 채취하여 평균 중합도를 측정하는 단계; 미리 산출된 데이터에서, 측정된 온도와 측정된 평균 중합도에 대응되는 시간에 따라 환산된 온도를 반영하여 평균 중합도를 환산하는 단계; 및 환산된 평균 중합도를 이용하여 잔여수명을 추정하는 단계 를 포함하는 변압기용 절연물의 열화 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연유의 온도를 측정하는 단계는, 상기 절연물 시료가 위치한 높이에서 절연유의 온도를 측정하는 변압기용 절연물의 열화 측정 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 잔여수명은, [수학식] 여기서, DPt는 절연물의 수명 종료를 나타내는 최종 평균 중합도, DPok는 상기 환산된 평균 중합도, A는 환경인자의 값, E A 는 활성화 에너지(J/mol), R은 기체 상수로서 8.314 J/mol·K이고, T는 절대온도(K)에 의해 계산되는 변압기용 절연물의 열화 측정 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 절연물 시료는, 상기 변압기의 외함을 관통한 지지대의 적어도 하나의 홀더에 장착되고, 상기 지지대가 상기 외함 내로 밀어넣어져, 상기 절연물 시료가 절연유에 침지되는 변압기용 절연물의 열화 측정 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 지지대가 상기 외함에서 돌출된 시료 장착부 내로 끌어당겨지고, 상기 절연물 시료는, 상기 시료 장착부의 개구부와 정렬되는 위치에 도달하고 나서, 상기 개구부를 통해 상기 외함의 밖으로 추출됨으로써 채취되는 변압기용 절연물의 열화 측정 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변압기의 운전 상태에서 상기 절연물 시료를 채취하여 직접적으로 열화지표를 측정하는 변압기용 절연물의 열화 측정 방법.

Description

변압기용 절연물의 열화 측정 방법 {Method for measuring deterioration of insulating material for transformer} 본 발명은, 정확도가 높은 변압기의 잔여수명 추정을 위해 운전 중인 변압기에서 직접 절연물의 샘플링이 가능한, 변압기용 절연물의 열화 측정 방법에 관한 것이다. 전력설비의 관리를 위해 설비의 상태 진단 및 수명 예측을 위한 다양한 노력이 진행되고 있다. 이러한 전력설비 중 핵심 설비인 변압기의 경우에는, 절연 시스템 내 고체 절연물, 특히 절연지의 수명이 변압기의 수명을 대표한다. 변압기 내 절연물의 열화(劣化)는 열, 수분, 산소 등의 영향을 받으며 각각의 조건에 따라 열화의 정도가 결정되게 된다. 변압기의 수명을 예측하기 위해서는 열화 인자와 함께, 현재 절연물의 열화 상태를 측정함으로써 계산이 가능하다. 열화 인자인 열, 수분, 산소 등은 쉽게 측정이 가능하다. 절연물의 열화 상태는 열화지표(Aging Marker)의 측정을 통해 측정될 수 있다. 고체 절연물의 수명을 나타내는 열화지표를 측정하는 방법은 절연물을 채취하여 측정하는 직접 측정 방식과, 절연유의 분석을 통한 간접 측정 방식으로 나뉜다. 직접 측정 방식은 변압기 내부에서 고체 절연물을 샘플링하여 평균 중합도(DP, Degree of Polymerization)를 측정하는 방식이 있으나, 운전 중인 변압기로부터 절연물을 채취하기가 힘들기 때문에, 간접적으로 열화지표를 측정하여 수명을 평가하게 된다. 절연유의 분석을 통해 측정된, 예컨대 CO/CO2, 퓨란(Furan)계 화합물 또는 메탄올 등의 용존량은 수명의 계산을 위해 평균 중합도(DP)로 환산되어 적용되는데, 이를 위한 계산식은 국제 표준으로 정의된 것이 없으며, 계산식마다 환산된 평균 중합도의 오차가 크다. 이러한 오차는, 절연물의 열화로 생성된 물질 등의 농도가 변압기의 설계, 환경 조건, 절연유 종류 등과 같은 여러 인자에 따라 달라지는 것에 기인한다. 따라서 운전 중인 변압기로부터 절연물을 직접 채취할 수 있다면, 변압기의 수명을 예측하는 데에 있어 오차를 줄이고 전력설비의 관리에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것이다. (특허문헌 1) JP 2010-177308 A 도 1은 본 발명에 따른 변압기용 절연물의 열화 측정 장치를 도시한 측단면도이다. 도 2는 본 발명에 따른 변압기용 절연물의 열화 측정 장치에서 절연물을 샘플링하는 상태를 도시한 확대 단면도이다. 도 3은 본 발명에 따른 변압기용 절연물의 열화 측정 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 4는 온도에 따른 평균 중합도와 시간 사이의 관계를 예시한 그래프이다. 이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 도 1은 본 발명에 따른 변압기용 절연물의 열화 측정 장치를 도시한 측단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 변압기용 절연물의 열화 측정 장치에서 절연물을 샘플링하는 상태를 도시한 확대 단면도이다. 본 발명에 따른 변압기용 절연물의 열화 측정 장치는 유입(油入) 변압기의 외함(1)에 배치될 수 있다. 유입 변압기의 외관을 형성하는 외함의 내부에는 내부공간이 마련되고, 이 내부공간에는 철심(2)을 중심으로 코일(3)이 권선된 중신(4)이 설치된다. 그리고, 외함의 내부공간에는 절연유(미도시)가 채워질 수 있다. 예를 들어, 방열기(5)에서 외함(1) 내의 절연유를 순환시켜 냉각하는 경우에, 외함 내 절연유는 외함 → 상부 배관 → 방열기 → 하부 배관 → 외함으로 유동할 수 있다. 외함(1) 내에는 절연물이 배치될 수 있다. 특히 절연지는 코일(3)의 표면에 감겨 있으며, 코일의 층간 절연이나 1차 코일과 2차 코일 간의 절연의 역할을 수행할 수 있다. 이러한 절연지는 코일(3)에서 발생하는 열에 의해 열화가 진전되며, 절연지의 수분 함유량에 따라 열화가 촉진되는 특성이 있다. 절연지의 열화가 지속되면 기계력이 약화되어, 외부에서 유입된 과전압에 의해 절연지가 파괴되고 절연능력을 상실한다. 제작이 완료된 변압기에서 절연지는 교체가 불가능하기 때문에 절연지와 변압기의 수명이 동일시되고 있으므로, 절연지의 열화 상태를 정확히 평가할 필요가 있다. 본 발명에 따른 변압기용 절연물의 열화 측정 장치는, 시료 장착부(10), 지지대(20), 및 적어도 하나의 절연물 시료(30)를 포함할 수 있다. 시료 장착부(10)는, 변압기의 외함(1)에 돌출되도록 장착되거나, 돌출되도록 일체로 형성될 수 있다. 예컨대, 시료 장착부는 대략 통 형상 또는 박스 형상으로 형성되어 내부에 중공부가 마련될 수 있다. 시료 장착부(10)와 외함(1)은 서로 측방으로 연결되고, 시료 장착부의 중공부가 외함의 내부와 연통될 수 있다. 이로써, 변압기의 운전 중에 시료 장착부의 중공부에는 외함의 절연유가 유입되고 순환한 후 유출될 수 있다. 따라서, 시료 장착부의 내면과 지지대(20)의 대부분은 외함 내 절연유에 그대로 노출될 수 있다. 시료 장착부(10)는 외함(1)의 일측 외면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 절연물 시료(30)는 코일(3)로부터 떨어져 외함 내에서 바깥쪽에 위치하게 된다. 코일(3)의 표면에 감겨 있는 절연지와 같은 절연물의 온도는 절연유 및 코일로부터의 온도 상승분에 의해 결정될 수 있기 때문에, 절연물 시료(30)를 코일에 인접하게 배치할 수 있도록 하면 절연물 시료와 실제 절연물의 온도는 거의 동일하게 될 수 있다. 하지만, 고전압의 전기가 흐르는 중신(4)에 직접 절연물 시료(30)를 배치할 수 없어 절연물 시료는 코일(3)로부터 떨어져 위치하게 되는 것이다. 외함(1) 내에서 바깥쪽에 있는 절연유의 온도는 코일 근처, 특히 "핫스팟(Hot Spot)"에 있는 절연유의 온도보다 낮아져 절연물의 열화 속도에 차이를 일으킨다. 여기서, 핫스팟은 변압기의 최고 온도영역을 의미한다. 따라서, 절연물 시료(30)의 위치와 핫스팟 간 온도 차이에 따라 절연물 시료의 평균 중합도를 보정할 필요가 있다. 이러한 보정에 대해서는 후술한다. 외함(1)으로부터 돌출된 시료 장착부(10)의 외면 중 상면에는 절연물 시료(30)의 출입을 위한 개구부(11)가 형성될 수 있다. 개구부에는 덮개(12) 또는 도어가 설치될 수 있다. 도 1에는 덮개가 시료 장착부(10)의 상면에 볼팅되는 예가 나타나 있다. 또한, 시료 장착부(10)가 도 1에 도시된 바와 같이 외함(1)의 하부에 배치된 경우에, 선택적으로 시료 장착부의 측면 또는 하면에 절연유의 배출을 위한 밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 혹은, 외함의 하부에 있는 드레인 밸브에 인접하여 시료 장착부가 배치될 수도 있다. 이로써, 작업자가 시료 장착부(10)에 용이하고 안전하게 접근하여, 운전 중인 변압기로부터 절연물 시료(30)를 직접 채취하고 이로부터 열화지표를 측정할 수 있는 장점이 있게 된다. 지지대(20)는 시료 장착부(10)의 일측면에서 시료 장착부를 관통하여 이동 가능하게 설치될 수 있다. 지지대는 가늘고 긴 대략 로드(rod) 또는 관 형상의 부재로 형성될 수 있다. 지지대(20)의 일측 단부에는 절연물 시료(30)를 보유지지하기 위한 적어도 하나의 홀더(21)가 형성될 수 있다. 홀더는 핀 형상으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다. 지지대의 타측 단부에는 작업자가 파지하여 지지대를 외함의 안팎으로 이동시키는 데에 편의성을 제공하는 손잡이(22)가 형성될 수 있다. 지지대(20)는 적어도 절연물 시료(30)를 보유지지한 홀더(21)가 시료 장착부(10)를 관통하여 외함의 내부에 삽입 및 도달하게 할 수 있는 길이를 갖는 것이 바람직하다. 지지대(20)의 관통을 위해, 시료 장착부(10)에는 관통홀이 형성될 수 있으며, 관통홀과 지지대 사이에 밀봉부재가 개재될 수 있다. 지지대는 시료 장착부의 관통홀로부터 외팔보 형태로 연장할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다. 또한, 지지대(20)는 시료 장착부(10)에 설치 가능하도록, 지지대의 중간부위에서 양측 분할부 간 분리 및 조립 가능하게 형성되거나, 손잡이(22)가 지지대의 타측 단부에 분리 및 조립 가능하게 형성될 수도 있다. 이와 같이 시료 장착부(10)를 관통하여 설치된 지지대(20)는, 외함(1) 쪽으로 밀어넣어져 각 홀더(21)에 유지된 절연물 시료(30)가 외함의 내부에 삽입 및 도달하게 되어 절연유 내에 침지될 수 있게 한다. 절연물의 열화 상태를 파악하기 위해 절연물 시료(30)를 채취할 때에는, 도 2에 도시된 바와 같이 지지대(20)가 외함(1)으로부터 시료 장착부(10) 내로 끌어당겨져 각 홀더(21)에 유지된 절연물 시료는 시료 장착부의 개구부(11)와 정렬되는 위치에 도달하게 되고, 이어서 덮개(12)를 분리한 후 해당 절연물 시료가 시료 장착부의 밖으로 추출될 수 있게 된다. 채취된 절연물 시료(30)는 예컨대 IEC 60450:2008 등의 국제 표준에 의거하여 평균 중합도가 측정될 수 있다. 이에 따라, 변압기가 실제로 사용되고 있는 활선 상태, 즉 운전 상태에서 실질적으로 외함 내 절연물과 동일한 조건 및 환경하에 있는 절연물 시료를 채취하여 직접적으로 열화지표를 측정하여 수명을 평가할 수 있게 되는 것이다. 절연물 시료(30)는 변압기의 외함(1) 내에 설치된 절연물과 동일한 종류 및 재질로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 절연물과 절연물 시료로는 크라프트(Kraft)법에 의해 제조된 펄프(Pulp)를 원료로 한 크라프트지(紙)가 이용될 수 있다. 하지만, 절연물 시료의 재질은 반드시 전술한 예에 한정되지 않는다. 절연물 시료(30)는 설정된 열화 측정의 주기 및 횟수에 따라 복수로 마련되어, 지지대(20)에 장착된 채로 소정의 기간 동안 외함(1)의 내부에서 절연유에 침지될 수 있다. 이로써, 절연물 시료(30)는 변압기가 운전 중이면 절연유에 그대로 노출되고, 채취될 때에는 절연유의 유출 없이 시료 장착부(10)의 개구부(11)를 통해 외함(1)의 밖으로 추출될 수 있게 되는 것이다. 다시 말하면, 절연물 시