1.1 연구의 배경

국내 양수발전소 공랭식 발전전동기 고정자권선은 잦은 기동정지와 열적, 기계적, 전기적 스트레스 등 다양한 스트레스 환경에서 장기간 운전되어 절연물 열화로 인하여 공극(Void)이 발생할 수 있다^(1-3). 고정자권선이 열화된 경우 발전전동기 운전중 절연물 공극에서는 부분방전이 발생하게 되며, 절연물 열화가 보다 진전된 경우 절연파괴가 일어나 발전전동기의 불시정지를 초래하여 상당한 복구비용과 발전손실이 발생하게 된다⁽⁴⁾.

고정자권선 부분방전은 고정자권선 절연물 내부에서 발생하는 내부방전(Internal Void Discharge), 고정자권선 절연물과 고정자 철심 사이에서 발생하는 슬롯방전(Slot Discharge), 고정자권선 끝단의 슬롯단부방전(Slot Exit Discharge), 고정자권선 구리도체와 절연물 사이에서 발생하는 도체방전(Delamination Discharge) 등이 있으며, 열화메커니즘에 따라 열화속도와 원인이 다양하기 때문에 정확한 상태평가와 평가결과에 따른 정비도 적절히 수행하여야만 열화진행의 억제가 가능하므로 절연물 열화원인과 발생부위에 대한 분석이 중요하다^(5-7).

고정자권선 상태평가는 주로 발전소 계획예방정비 기간 중에 발전전동기를 정지한 상태에서 고정자권선의 절연진단을 통해 수행하며, 최근에는 발전전동기 운전중에 부분방전을 측정함으로써 절연물의 상태를 평가하는 온라인(On-line) 절연진단을 활용하고 있다^(8-11). 온라인 절연진단은 발전전동기 부하운전중 고정자권선에 설치된 센서로 부분방전 펄스를 측정하여 절연물의 상태를 평가하므로 별도의 고전압 발생장치와 발전정지가 필요 없기 때문에 정지중 진단에 비해 쉽고 빠르게 절연물의 상태를 파악할 수 있다는 장점이 있다. 온라인 절연진단은 계통에서 발생한 노이즈와 부분방전 펄스를 분리 후 고정자권선의 열화 정도를 나타내는 부분방전 펄스 크기인 Qm(Peak Magnitude)과 위상정보 등을 사용하여 고정자권선의 절연물 상태를 평가한다^(5,12).

1.2 연구의 목적 및 방법

양수발전소 발전전동기는 원자력 및 화력발전소의 대용량 발전기와 달리 전력계통 변동성에 대응하기 위해 발전모드와 양수모드로 운전되어 기동횟수가 상대적으로 많고 장기운전으로 인해 고정자권선 절연물의 열화가 진행될 수 있다⁽¹³⁾. 이러한 운전특성은 고정자권선의 절연물 열화 진행과정에 영향을 미칠 수 있으나 이와 관련한 절연물 열화경향에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

본 논문에서는 온라인 절연진단 시 발전전동기의 주요 열화경향에 대한 정보를 제공하여 온라인 절연진단 신뢰성을 제고하고자 기동횟수가 빈번하고 장기간 운전중인 발전전동기를 대상으로 온라인 절연진단을 진행하였으며, 이를 통해 고정자권선의 주요 결함부위와 열화요인을 분석하였다.

2.1 양수발전소 운전특성분석

발전전동기의 발전용량은 표 1과 같이 호기당 300∼400 MW에 이르며, 단자전압은 18 kV이고 정격전류는 약 10,000 A이상인 대전류가 흐른다. 발전소별 운전기간은 2018년 기준 삼랑진양수발전소가 33년이었으며, 예천양수발전소가 가장 짧은 7년 정도이다. 온라인 진단설비는 삼랑진양수발전소가 1개, 다른 양수발전소는 각 발전전동기마다 설치되어 총 9개의 설비가 설치되어 있다.

양수발전소는 대용량 원자력 및 화력발전소로 인한 심야 잉여전력을 활용하고자 건설되었으나 최근 계통변동성에 대응하기 위해 다양한 유연성 운전(Flexible Operation)을 제공하고 있어 그림 1과 같이 발전전동기 기동횟수가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 2000년대 이전에는 기동횟수가 큰 변동을 보이지 않았으나 2000년대 초기 이후부터 양수발전소가 추가 건설되고 활용도 증가로 기동횟수가 급증하는 양상을 보였다. 호기당 평균 기동횟수는 2000년대 이전에는 최대 약 1,200회 정도였으나, 이후에는 300∼800회 정도를 보이고 있다. 발전소별 총 기동횟수는 그림 2와 같이 삼랑진양수발전소가 최대 5만회 이상으로 전력계통 안정화에 상당한 기여를 한 것으로 나타났다.

2.2 온라인 절연진단 시험방법

온라인 절연진단 설비가 설치된 발전전동기 9대에서 온라인 진단을 위한 데이터를 취득하였다. 발전전동기 운전 중 부분방전 펄스 측정은 IEC TS 60034-27-2에서 제시한 온라인 부분방전 측정방법 중 TDS(Time Domain Separation) 기법을 사용하였으며, 이는 발전전동기 운전 중 노이즈 신호가 계통에서 발생된 경우 고정자권선에 설치된 80 ㎊ EMC(Epoxy Mica Capacitor)의 위치에 따라 펄스 도착시간이 상이하게 되어 이를 비교함으로써 노이즈 신호를 제거하여 부분방전 펄스 신호만을 분석할 수 있어 발전기와 같은 고압회전기 온라인 절연진단에 주로 사용하고 있다^(4,5,14).

회로구성은 그림 3과 같이 각 상마다 고정자권선 고전압 단말부 구리도체에 80 ㎊ EMC를 1개 설치하고 일정한 간격을 이격시킨 후 80 ㎊ EMC를 설치하여 측정하거나 그림 4와 같이 고정자권선 고전압 Ring Bus에 병렬회로마다 1개의 80 ㎊ EMC를 설치하여 측정하였다. 발전전동기에서 측정된 부분방전 펄스는 EMC를 통해 DAU(Data Acquisition Unit)로 전송되며, Database화된 정보를 분석하였다.

고정자권선의 절연진단을 위해 PHA(Pulse Height Analysis) Plot 및 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) Pattern 분석을 수행하였다. 이 분석기법들은 IEEE 1434에 따른 10 pps 이상의 Qm, 위상 또는 펄스횟수 정보를 시각적으로 제공하여 분석이 용이하다는 장점이 있어 널리 사용되고 있다^(6,7). PHA Plot은 Qm과 측정된 펄스횟수를 나타내는 2차원 그래프로 일정 크기 이상의 부분방전 펄스가 발생한 경우 고정자권선의 열화로 진단하며, 열화부위의 판단은 +Qm과 -Qm의 비율에 따라 도체방전(-Qm이 +Qm보다 큰 경우), 내부방전(-Qm과 +Qm이 유사), 슬롯방전(+Qm이 -Qm보다 큰 경우)으로 구분이 가능하다^(5,12). PRPD Pattern은 PHA Plot에서 제공하는 정보에 위상정보를 함께 제공하여 보다 자세하게 고정자권선의 열화부위를 파악할 수 있으며, 일반적으로 부분방전 펄스의 +Qm과 -Qm이 유사하고 45°와 225°에 분포한 경우 내부방전, 45°의 Qm이 큰 경우 도체방전, 225°가 큰 경우 슬롯방전을 의미하고 225°에서 부분방전 펄스의 형상에 따라 슬롯단부방전과 기타 권선단부의 부분방전도 확인이 가능하다^(5,7,12).

2.3 온라인 절연진단 결과분석

그림 5의 (a)와 같이 PHA Plot에서 +Qm과 -Qm이 0.012 a.u.(Amplitude Unit)로 낮게 나타났다. 그림 5의 (b)와 같이 PRPD Pattern에서 +Qm은 225°에 위치하고 있었고 -Qm은 45°에 위치하고 있었으며, 부분방전 펄스 형상도 서로 대칭을 이루고 있었다. 따라서 낮은 크기의 Qm과 +/-Qm의 비율이 10 pps 기준 1로 나타났으며, 부분방전 패턴도 절연물 내부 미세공극에 의한 부분방전 패턴으로 보여 정상적인 고정자권선임을 확인할 수 있다⁽¹²⁾. 즉, 발전기 고정자권선은 제조과정에서 절연물 내부에 미세공극이 발생할 수 있어 부분방전이 발생할 수 있으며, Qm이 크지 않은 경우 고정자권선이 양호한 것으로 판단한다⁽⁵⁾.

그림 6의 (a)와 같이 PHA Plot의 +Qm과 -Qm은 Qm이 커질수록 일정한 기울기로 감소하다 10 pps 기준으로 +Qm이 0.32 a.u., -Qm이 0.23 a.u.로 측정되었다. 측정된 Qm은 그림 5와 같이 정상권선에서 나타나는 Qm에 비해 상대적으로 크게 나타나 열화가 진전된 것으로 보이며, +Qm과 -Qm의 비율(+/-)은 1.39로 +Qm과 -Qm의 차이는 크지 않았다. 그림 6(b)의 PRPD Pattern에서 Phase Angle 기준으로 +Qm은 225°에서 -Qm은 45°에서 서로 비슷한 크기로 나타나 PHA Plot과 유사한 결과를 확인 하였으며, +Qm과 -Qm의 부분방전 펄스 분포도 삼각형의 유사한 형태를 보이고 있었다. 따라서 분석된 부분방전 패턴은 고정자권선 절연물 내부 공극에서 부분방전이 발생되는 내부방전(Internal Void Discharge)으로 판단된다⁽¹²⁾.

내부방전은 대상 발전전동기 중 약 33%에서 나타났으며, 운전기간이 20년 미만이고 기동횟수가 약 26,000회 미만인 발전전동기에서 주로 발생하였다. Qm이 낮은 내부방전은 발전기 고정자권선 제조 시 주로 레진리치(Resin Rich) 방식을 적용하기 때문에 레진이 함침된 마이카 테이프를 고온 가열하는 과정에서 절연물 내부에 미량의 공극이 존재하여 초기에 주로 나타난다⁽⁵⁾. 내부방전 Qm이 크지 않은 경우 다른 부분방전 패턴에 의해 가려지는 현상이 발생할 수 있어 복합 부분방전 패턴 분석을 위해 지속적인 Qm의 변화추이를 감시하는 것이 효과적이었다. 운전시간이 경과됨에 따라 절연물의 열화가 진행되어 고정자권선 내부에서 높은 수준의 내부방전이 발생한 경우 절연물의 절연이 파괴될 수 있으나, 내부방전은 절연물 열화 진행속도가 비교적 늦다는 특징이 있다⁽¹⁵⁾. 내부방전은 고정자권선 내부의 절연물이 열화되어 발생하므로 정비를 통하여 열화가 진전된 절연물의 성능복원은 어려우므로 고정자권선을 재권선하는 것이 가장효과적일 수 있으나 많은 정비비용으로 적용이 제한적일 수 있다. 또한 출력감발 운전, 역률조정, 냉각성능 증대 등을 통해 고정자권선 운전온도를 낮추어 열적 스트레스를 저감시킴으로써 열화속도를 지연시키는 것이 필요하다.

그림 7의 (a)와 같이 Qm이 커질수록 +Qm이 -Qm에 비해 감소폭이 작고 10 pps를 기준으로 +Qm과 -Qm은 각각 7.33 a.u.와 3.87 a.u.로써 +/-Qm의 비율은 1.89로 +Qm이 높게 나타나 내부방전 패턴과는 다른 분포유형을 보였다. 그림 7의 (b)에서 +Qm의 부분방전 패턴은 150°∼270°에서 경사가 있는 형태를 보였으며, -Qm은 –30°∼90°에서 형성되었다. +Qm과 -Qm의 최댓값은 0°와 180°에 위치하였고 부분방전 패턴이 0°와 180° 부근에서 경사를 갖고 있었으며 온라인 부분방전 분석과 비교를 위한 오프라인 부분방전 측정값도 크지 않아 고정자권선의 슬롯단부에서 열화가 발생된 것으로 판단된다^(5,12). 공랭식 발전전동기의 슬롯단부는 슬롯내부에 위치하는 고정자권선과 달리 외부로 노출되어 오염, 진동, 흡습 등에 취약하여 상대적으로 열화가 진행될 가능성이 높다. 경사면을 갖는 부분방전 패턴은 대상 발전전동기 중 약33%에서 발생되었으며 20년 이상의 장기운전과 약 25,000회 이상의 기동횟수를 갖는 발전전동기에서 높은 Qm이 측정되어 열화가 진전된 것으로 나타났다. 슬롯단부에서 열화가 진전된 경우 육안점검 시 백화현상이 나타날 수 있으며, 부분방전에 의해 오존을 발생시킬 수 있다⁽¹⁶⁾. 그림 7의 (b)와 같이 경사를 갖는 부분방전 패턴이 나타나 슬롯단부에서 부분방전이 발생되는 것으로 판단되어 육안점검을 하였다. 그림 8과 같이 고정자권선 슬롯단부 측면(점선)에서 손상된 부위가 확인되었으며, 그림 9와 같이 슬롯내부 고정자권선의 반도전성 코팅이 양호한 상태를 보이는 반면, 슬롯단부의 고정자권선에서는 절연물의 열화(점선)부위가 확인되어 절연진단 분석결과와 육안점검결과가 유사함을 확인하였다.

슬롯단부에서 고정자권선이 열화되어 고저항 페인트와 저저항 페인트를 사용하여 반도전성 코팅(Semi-conductive Coating)과 응력저감코팅(Stress Relief Coating)의 중첩부를 복원하였으나 작업공간이 협소하고 외부로 노출되어 있는 상부권선에 비해 하부권선은 특히 작업이 어렵기 때문에 정비효과가 제한적이었다. 또한 슬롯단부의 고정자권선이 절연바니시로 도포된 경우 절연보강 효과가 낮았다.

그림 10의 (a)에서 +Qm과 -Qm의 편차는 약 3배 정도 +Qm이 높게 나타났다. 그림 10의 (b)와 같이 PRPD Pattern에서 슬롯단부의 열화로 나타나는 경사형 부분방전 패턴을 제외할 경우 45°와 225°를 고려할 때, +Qm은 약 6.0 a.u., -Qm은 3.41 a.u.로 약 2배정도 +Qm이 높게 나타나 고정자권선과 철심 사이에서 부분방전이 발생하는 슬롯방전(Slot Discharge) 패턴으로 판단된다⁽¹²⁾. 즉, 슬롯단부방전과 슬롯방전이 함께 나타나는 복합 부분방전 패턴으로 판단된다. 고정자권선은 고온에서 장기운전 시 반도전성 코팅이 열화되거나 고정자권선에 흐르는 전류로 인한 기계적 힘에 의해 고정자권선이 Radial 방향과 Tangential 방향으로 진동할 수 있어 절연물이 고정자철심과 마찰로 손상되기 때문에 고정자권선이 슬롯내부에서 진동하지 않도록 Ripple Spring, Filler 등 다양한 고정방식을 사용하고 있다⁽¹⁷⁾.

슬롯방전은 운전기간이 15년 이상, 기동횟수가 약 25,000회 이상인 발전전동기에서 주로 발생되었으며 발생비율은 약 19%이었다. 슬롯방전은 절연물 반도전성 코팅의 열화로 철심 사이에 부분방전이 발생한 경우 느린 진전속도를 보이나 진동으로 인한 슬롯방전은 빠른 속도로 지락사고를 일으킬 수 있어 온라인 절연진단 시 부하 및 온도에 따른 영향을 추가적으로 분석하여 전기적 슬롯방전과 진동에 의한 슬롯방전을 구별하여야 한다^(15,18). 반도전성 코팅 열화로 인한 슬롯방전이 발생하고 높은 Qm을 나타낼 때에는 고정자권선과 철심 사이에 레진 주입을 하거나 진동에 의해 슬롯방전이 발생한 경우에는 이완된 Wedge를 교체하여 진동을 억제한다⁽¹⁹⁾. 이완된 Wedge 확인은 주로 Wedge Tap Test를 하며 소리의 차이로 이완여부를 평가하고 있다. Wedge 교체 시 신규 Wedge가 삽입되어 정상 Wedge가 들뜨는 현상이 발생될 수 있어 교체 시 정상 Wedge의 이완여부를 확인하여야 한다.

그림 11의 (a)와 같이 +Qm과 -Qm이 유사한 크기로 감소하다 Qm이 1.0∼1.33 a.u.에서 +Qm과 -Qm의 비율이 0.69로 1보다 낮아졌다. 그림 11의 (b)와 같이 PRPD Pattern에서도 45°와 225° 부위에서 부분방전 패턴이 확인되었으며, 45°에서 225° 보다 더 큰 부분방전 패턴이 나타나 고정자권선 내부의 구리도체와 절연물이 박리되는 도체방전(Delamination Discharge) 으로 판단된다⁽¹²⁾. 도체방전은 운전기간이 약 15년 이상이고 기동횟수가 20,000회를 상회하는 발전전동기에서 발생하였으며, 발생비율은 5% 정도로 다른 부분방전 패턴에 비해 낮았다. 구리도체와 절연물의 팽창계수 차이로 인하여 잦은 기동정지 시 고정자권선 절연물과 구리도체 박리를 발생시켜 고장에 영향을 미친다는 것에 대해 이견이 있으나 대체적으로 받아들여지고 있다⁽²⁰⁾. 구리도체와 절연물 사이에 박리로 인한 도체방전이 발생하면 내부방전과 동일하게 근본적인 복구가 어려우나 운전출력 감소, 출력 변동폭 최소화 등을 통해 열화 진행속도를 늦추는 것이 필요하다.

그림 12와 같이 PRPD Pattern에서 A상은 +Qm이 180°∼ 300° 사이에서 폭이 약 2.0 a.u. 크기로 부분방전 패턴이 형성되었으며, -Qm은 0°∼ 120° 사이에서 폭이 약 2.0 a.u.의 부분방전 패턴이 확인되었다. 패턴의 형상은 이전의 내부방전 및 슬롯방전과 달리 일적선의 형태를 보였으며, C상도 이와 유사하게 +Qm은 180°∼300°에서, –Qm은 0°∼ 120°에서 부분방전 패턴이 나타나 A상과 C상간 부분방전이 발생하여 나타나는 상간 부분방전(Phase to Phase Discharge)으로 판단된다⁽¹²⁾.

상간 부분방전은 기동횟수가 약 25,000회 이상이고 운전기간이 20년 이상인 발전전동기에서 발생하였으나, 발생비율은 약 5%로 낮게 나타났다. 발전전동기 육안점검결과 그림 13과 같이 고정자 단부측에서 스페이서와 바인더가 손상된 부위(점선)를 확인하였다. 손상된 부위를 절연보강하기 위해 고정자 단부권선의 스페이서와 바인딩을 교체하였고 절연바니시가 손상된 부위는 재도장을 하였다.

그림 14의 (a)와 같이 Qm이 약 0.8 a.u. 이하에서는 부분방전 펄스가 측정되지 않았으나 약 2.7 a.u.에서 가장 많이 발생하였다. 또한 그림 14의 (b)에서 부분방전 패턴은 +180°∼ 315° 위치에 플로팅된 수평형 부분방전군이 확인되었으며, 30°∼ 135°에서도 유사한 형태의 부분방전 패턴이 나타났다. 플로팅된 수평형 부분방전 패턴은 약 3.0 a.u.로 비교적 크게 나타났으며, 상간 부분방전(Phase to Phase Discharge)과 유사한 패턴이나 상간 부분방전과 달리 다른 상의 고정자권선에서 유사한 부분방전 패턴이 발생하지 않아 갭방전(Gap Discharge)으로 판단된다⁽¹²⁾.

갭방전은 비교적 운전기간이 짧은 발전전동기에서 발생하였고 발생비율은 약 5%로 낮은 수준이었다. 이러한 부분방전은 주로 고정자권선 슬롯단부와 고정자철심의 핑거플레이트 사이의 간격이 불충분하거나 오염물이 축적된 경우 주로 발생되어 발전기 제조 시 충분한 간격을 확보하거나 오염물이 축적되지 않도록 관리가 필요하다.