변압기는 전력망에서 가장 중요한 구성 요소입니다. 전기 자동차의 증가와 추가적인 충전소의 수요, 히트펌프의 설치는 기존 인프라에 영향을 미칩니다.
최근 몇 년간 태양광 및 풍력 발전소에서 생산되는 전력의 비율이 계속해서 증가하고 있습니다. 이에 따라 전력망의 구성, 에너지의 흐름 및 변압기의 역할도 변화하고 있습니다. 전기차의 증가와 추가 충전소 필요성, 히트펌프 설치는 인프라에 큰 영향을 미치며, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 AC 인버터는 장비의 절연 시스템의 손상위험을 증가시킵니다. 컨버터의 주된 문제점은 고조파(정현파 전압의 변형)가 절연 시스템의 열화에 미치는 영향입니다.
CIGRE 기술 브로셔 642, “Transformer Reliability Survey”[1]에 따르면, 변전소에서 사용되는 변압기의 모든 고장 중 거의 18%가 변압기 부싱과 관련된 문제로 인한 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 부싱 고장은 대부분 변압기의 화재나 폭발로 이어지며(모든 중대한 폭발이나 화재 사고의 37%), 이는 변압기 부싱의 적절한 유지 보수가 얼마나 중요한지를 잘 보여줍니다. 기능과 적절한 서비스 계획을 보장하기 위해, 여러 온라인 모니터링 시스템을 사용하며 이는 부싱 제조업체가 권장하는 주기적인 테스트와 함께 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킵니다[2].
부싱 모니터링의 개요
최근 몇 년간 변압기 부싱의 두 가장 중요한 매개변수인 커패시턴스와 유전정접(Power Factor)를 관리하기 위해 여러 모니터링 시스템이 다양한 측정 및 평가 방식을 바탕으로 개발되었습니다. 변압기 운용 시 부싱 매개변수의 변화는 절연 시스템의 상태에 대한 중요한 정보를 제공하며, 이는 제조사에 의해 정해집니다.
부싱 모니터링의 평가 결과는 변압기 운용과 관련된 향후 결정에 매우 중요합니다. 올바른 측정 방법과 전체 부싱 모니터링 시스템(C 혹은/및 탄 델타)의 정확도가 이 시스템에서 가장 중요한 요소입니다. 사용된 부싱 연결 장치와 그 내부 구성요소들(온도에 따라 변하는 커패시터 혹은/및 저항), 전압 및 전류 신호 필터, 계산(공기 온도 및 습도의 영향)과 평가(외부 참조, 전압 비교 등)를 수행하는 알고리즘, 결과의 시각화 등 다양한 외부 요소들이 시스템의 전반적인 사용성에 영향을 미칩니다. 부싱의 용량과 유전정접 변화 허용치는 부싱의 종류와 운영 전압에 따라 다르다는 것도 중요한 사실입니다. 가장 일반적이고 온라인 부싱 모니터링 방법 중 하나는 전압 측정(테스트 또는 전압 탭에서의 연결)으로, 다른 변압기의 기준 값과 비교하여 수행되기도 합니다[3].
변압기 부싱과 온라인 모니터링
변압기 부싱의 주된 역할은 정해진 전압으로 권선에 전류를 전달하는 것입니다. 고전압을 위한 컨덴서 타입 부싱은 축방향과 반경방향의 전압 스트레스를 줄이면서 크기도 최소화합니다. 부싱은 중앙 도체(예를 들어 알루미늄 튜브)에 종이나 합성물을 감고, 정해진 길이와 지름의 별도 전극들(얇은 금속 호일, 전도성 종이, 또는 페인트)을 사용하여 제조됩니다.
보통, 마지막 전극은 측정 탭(유형과 기능에 따라 테스트 탭이나 전압 탭이라고 불림)과 관련되어 있으며, 측정 가능한 두 주요 커패시턴스로 구성되어 있습니다:
C1 – 중앙 전극과 탭 사이의 고전압 커패시턴스로,
C1 = Ce1 + Ce2 + … + Cen으로, Ce1, Ce2, Cen은 순차적으로 연결된 기본 컨덴서들입니다.
C2 – 탭과 접지된 플랜지 사이의 저전압 커패시턴스로, (운영 중에는 이 커패시턴스가 접지와 단락됩니다).
변압기 부싱의 주된 역할은 정해진 전압 하에서 변압기 탱크를 통해 권선으로 전류를 전달하는 것입니다. 높은 전압을 위해 사용되는 컨덴서 타입 부싱은 반경 방향 및 축 방향의 전압 스트레스를 줄이는 동시에 부싱의 크기도 최소화합니다.
제조 과정에서 사용되는 절연 재료에 따라 다음과 같은 부싱 유형을 구분할 수 있습니다:
- RBP – 수지로 결합된 종이
- OIP – 기름에 침지된 종이
- RIP – 수지에 침지된 종이
이러한 부싱 유형에서는 종이를 절연 재료로 사용합니다. 최근에는 종이 대신에 작동 온도가 높고 습기 흡수율이 낮은 합성 재료를 사용하는 경향도 있습니다.
- RIS – 수지에 침지된 합성 재료
- RIF – 수지에 침지된 섬유
부싱의 코팅이나 애관은 도자기나 실리콘 고무로 만들어질 수 있습니다. 제조 기술은 모니터링해야 하는 매개변수의 중요성에 영향을 미칩니다. 예를 들어, RBP의 커패시턴스 C1은 RIP와 OIP에 비해 컨덴서 본체로 오일이 침투하는 정도에 따라 영향을 받습니다. 기본 컨덴서가 단락되지 않아도 C1의 변화는 관찰될 수 있습니다. RIS 부싱은 역률을 일정한 수준으로 유지할 수 있습니다.
부싱의 상태를 온라인 모니터링으로 평가하는 가장 효과적인 방법은 커패시턴스 C1의 변화와 그와 관련된 유전정접(tanδ) 또는 역률(PF – sinδ)을 제어하는 것입니다. 습도와 노화 과정은 주로 높은 온도에서만 커패시턴스에 영향을 미칩니다. 기본 컨덴서 간의 단락은 온도와 무관하게 커패시턴스를 증가시킵니다. 유전정접과 역률의 변화는 온도에 따라 다릅니다. tanδ의 증가는 부싱의 절연 시스템에서 손실이 더 커졌다는 것을 나타내며, 대체로 습기 유입이나 노화 과정으로 인해 발생합니다.
C1과 tanδ의 변화 한계값은 시스템 전압과 부싱 구조에 사용된 기술에 따라 다를 수 있습니다. 단락된 기본 컨덴서에 해당하는 커패시턴스 변화의 대략적인 예시는 다음 페이지의 표 1에서 확인할 수 있습니다.
| Um [kV] | RIP 커패시턴스 변화 [%] | OIP 커패시턴스 변화 [%] |
| 72.5 | 12 | 8.8 |
| 123 | 7.1 | 4.8 |
| 145 | 6.3 | 3.9 |
| 170 | 5.3 | 3.4 |
| 245 | 4.2 | 2.7 |
| 300 | 2.9 | 2.4 |
| 362 | 2.4 | 2.1 |
| 420 | 2.2 | 1.7 |
| 550 | 1.9 | 1.3 |
| 800 | 1.3 | 0.9 |
제조업체가 제공하는 보다 정확한 정보를 토대로 커패시턴스 변화를 보다 정확하게 계산하기 위해서는 필요한 기본 컨덴서의 수에 대한 정보가 필요합니다. 이 정보는 경고 및 알람 수준을 적절하게 설정하는 데 필수적입니다.
커패시턴스와 비교했을 때, 탄델타 측정은 각도 δ가 작기 때문에 외부 요인들(온도, 날씨 조건 등)에 더 민감하게 반응합니다. 탄델타 측정을 바탕으로 한 부싱 상태 평가는 부싱의 절연 유형과 구조에 따라 달라질 수 있습니다. 이를 위해 두 가지 평가 방법을 적용할 수 있습니다: 하나는 지정된 탄델타 값에 기반한 방법이고, 다른 하나는 상대적인 탄델타 변화를 기반으로 하는 방법입니다.
| Standards | RIP | OIP | RBP |
| Tan Delta (IEC 60137) | < 0.7 % | < 0.7 % | < 1.5 % |
| Power Factor (IEEE C57.19.01) | < 0.85% | < 0.5% | < 2 % |
| Typical values aged 50/60 Hz (CIGRE Brochure 445) | < 0.5% | < 0.5% | 1.0 % |
시장에서 판매되는 모니터링 시스템들은 커패시턴스와 탄델타 측정의 정확도에 대한 기술적인 정보를 제공합니다. 다양한 모니터링 시스템들의 정확도에 대한 예시는 아래의 표 3에서 확인할 수 있습니다.
| 정확도 | 탄델타 또는 역률 | 커패시턴스 | 누설전류 | 위상 |
| System A | ± 0.035 % | ± 0.2 % | 0.1 % | ± 0.01° |
| System B | 1 % | 0.1 % | 0.1 % | 0.01° |
| System C | 0.05 % | 1 % | 1.5 % | 0.1° |
| System D | n.a. | 0.20 % | 0.1 % | n.a. |
| System E | Δtanδ ± 0.01 % | ± 0.04 % | n.a. | n.a. |
| System F | Δtanδ: < 0.001 (0.01 %; ± 0.1 mrad) | < 0.7 % | < 0.7 % | < 1.5 % |
| System G | 0.05 % + VT error | ± 2 pF + VT error | ± 1 mA | n.a. |
시장에 출시된 모니터링 시스템들은 커패시턴스와 탄델타 측정의 정확도에 관한 기술 정보를 제공하고 있습니다.
모니터링 시스템의 사양을 비교하고 준비하는 데 있어서 기본 매개변수에 대한 이해는 절차를 간단하고 명확하게 만들어줍니다. 특히 역률과 커패시턴스와 같은 핵심 매개변수에 중점을 두는 것이 중요합니다. 이 두 매개변수는 잘 설명되어 있으며, 다양한 부싱 기술별로 그 한계치가 명확히 정의되어 있습니다.
커패시턴스의 정확도는 측정된 커패시턴스의 백분율 변화로 정의되며, 이는 시스템 전압과 부싱 유형에 따라 단락된 한 개의 전도 층의 변화에 상응합니다. 예를 들어, 커패시턴스 변화에 대한 1%의 정확도는 OIP 부싱 유형의 경우 400 kV 이상의 고전압에서는 불충분할 수 있지만, RIP 부싱 유형에서는 170 kV 미만에서 충분할 수 있습니다.
역률이나 탄델타 또한 백분율 변화의 정확도로 정의되어야 합니다. 예를 들어, 탄델타 값이 0.5%인 새로운 OIP 부싱에서 값이 0.7%로 증가하게 되면, 이는 노화 과정이 시작되었음을 나타내는 신호입니다[5].
온라인 부싱 모니터링의 도전 과제
변압기 온라인 부싱 모니터링 시스템은 설비의 초기 운영 단계부터 설치되거나 기존 설비에 추가로 장착될 수 있습니다. 경험상, 부싱 고장은 주로 서비스 초기 몇 년 이내나 장기간 서비스를 제공한 후에 발생하는 경우가 많습니다. 이러한 고장은 습기 유입이나 누유로 인한 절연 상태 저하, 부적절한 취급, 또는 정기적인 유지보수의 부재로 인해 발생할 수 있습니다. 온라인 모니터링은 변압기 부싱이 적절하게 운영되고, 필요한 경우 시기적절한 유지보수를 계획할 수 있도록 지속적으로 중요한 정보를 제공합니다. 이 시스템이 모든 환경 조건에서도 원활하게 작동하며, 외부 노이즈에 영향을 받지 않고 정확한 데이터를 제공하는 것이 매우 중요합니다.
MR의 경험을 바탕으로 개발된 이 제품은 기본적인 원칙을 충실히 따릅니다. MSENSE®BM은 이중 참조 전압 방식을 사용합니다. 부싱의 전압 신호는 동일한 위상에서 측정된 전압 변압기의 참조 전압과 비교됩니다. 특허 받은 방식에 따라 이루어지는 두 번째 비교는 인접한 위상(예를 들어, 위상 A는 B와, B는 C와, C는 A와)의 신호와 함께 이루어집니다. 이를 통해 전압의 진폭과 위상 변화에 따른 네트워크의 변동과 외부 간섭(태양, 비 등)의 영향을 효과적으로 제거하면서도 필요한 측정 정확도를 유지할 수 있습니다.
사례 1 – 안정적인 설치 사례
아래 그림은 운영 기간 중 4년간 기록된 부싱 모니터링 신호의 측정 결과를 보여줍니다. 커패시턴스 측정에서 뚜렷한 변화가 없었으며, 신호는 안정적으로 유지되었습니다(약 0.5%의 변동). 또한, 경고 및 알람 수준(각각 5%와 10%로 설정)을 초과하지 않았습니다.
부싱과 참조 신호에 대한 전압 측정을 면밀히 분석해보면, 전압의 변동 패턴이 일치한다는 점을 쉽게 알 수 있습니다. 두 전압의 진폭이 동일하다는 것은 부싱의 커패시턴스에 변화가 없다는 것을 의미합니다. 이러한 신호는 정확하고 안정적입니다.
사례 2 – 부싱 표면의 오염 영향
부싱 모니터링 설치 장소가 높은 오염 환경에 노출되어 있다면, 시스템은 짧은 “스파이크(Spikes)”를 기록할 수 있습니다. 이러한 행동은 특히 유전정접 측정에서 관찰되며, 부싱 표면에서 발생하는 방전에 의해 발생합니다. 측정된 신호와 날씨 조건에 관한 상관관계는 쉽게 관찰될 수 있습니다. “스파이크”가 있는 신호는 오직 비가 오는 계절 동안에만 감지되었고, 짧은 시간 후 이전 수준으로 돌아갔습니다. 이 경우에는 부싱 표면의 다른 기계적 구조가 신호 기록에 부정적인 영향을 미칩니다. 잘못된 경보를 피하기 위해 MSENSE®BM에서는 신호 평가를 위한 추가 알고리즘을 구현하였습니다.
사례 3 – 참조 신호
참조 전압이나 위상 변위 측정을 부싱의 데이터와 단순히 비교하는 것은 평가에 영향을 줄 수 있습니다. 아래 예시에서는, 간단한 모니터링 시스템이 변전소의 버스바 연결 변경 과정에서 오류 경보를 발생시킬 수 있습니다. 특수한 구성에서는 변압기의 신호가 외부 측정에 의해 확인된 위상 변위로 인해 왜곡되었습니다. 기록된 신호를 평가한 결과, 부싱의 위상 변위는 안정적인 신호를 보였고, 변압기에서 측정된 신호는 단계적인 변화를 나타냈습니다. MSENSE®BM에 추가된 알고리즘을 통해 이러한 변화를 감지하여 오류 경보 발생을 방지할 수 있습니다.
결론
온라인 부싱 모니터링 시스템은 변압기의 안전한 운영을 지원하고, 수요에 맞춰 유지보수 계획을 세우는 데 큰 도움이 됩니다. 적절한 측정 방식을 선택하고 평가 알고리즘을 적용함으로써 MSENSE®BM은 필요한 정도의 정확성을 가진 정보를 지속적으로 제공합니다.
결론적으로, 온라인 부싱 모니터링 시스템은 변압기의 안전한 운용을 유지하고 필요에 따른 유지보수 활동을 효과적으로 계획하는 데 중요한 역할을 합니다. 사용된 측정 방식에 따라 커패시턴스와 유전정접 변화의 추정 정확도가 달라질 수 있습니다. 변압기에 설치된 부싱 종류, 시스템 전압, 네트워크의 안정성, 그리고 위치 정보는 측정된 신호를 정확하게 평가하는 데 필수적인 요소입니다.
적절한 측정 방법과 평가 알고리즘이 적용된 MSENSE®BM은 요구된 정확도로 지속적이고 정확한 정보를 제공합니다. ETOS®(Embedded Transformer Operating System)와의 통합으로 정밀하고 효율적인 비용으로 온라인 부싱 모니터링 시스템을 쉽게 설치하고 사용할 수 있습니다.
주석
- “Transformer reliability survey”, CIGRE TB 642, December 2015
- “Guide for Application for Monitoring Equipment to Liquid-Immersed Transformers and Components”, IEEE PC57.143/D21, 2010
- “State of the Art Transformer Bushing Monitoring”, Thomas Linn, Qualitrol — Switzerland, power generation, August 2020
- “Transformer bushing reliability”, CIGRE TB 755, February 2019
- “Experiences with Bushing Monitoring System – Proposal of Unified Benchmark Process”, J.M. Szczechowski, Dr.-Ing. J. Wu; CEPSI 2021