1. 서 론

미래의 계통은 과거 계통과 달리 스마트그리드로 연계된 다양한 기자재들의 상호 응답을 통해 계통을 진단 및 운영할 것으로 예상된다. 더불어 재생에너지와 같은 분산형 자원의 증가로 인해 수많은 기자재가 계통에 투입될 것으로 사료 된다. 이에 한전은 계통 상태에 대한 적절한 진단 평가와 계통에 투입되는 기자재에 대한 자산의 관리를 위해 차세대 배전망 관리시스템(ADMS : Advanced Distribution Management System)이나 AMI(Advanced Metering Infrastructure)와 같은 기술들을 도입하여 기존의 아날로그형 계통 운영시스템에서 스마트그리드로 연계된 디지털화된 계통 운영시스템으로의 전환에 많은 자원을 투입하여 미래계통에 대한 안정적이고 효율적인 운영을 대비하고 있다. 일례로 송전계통에서 운영되는 변압기나 기자재의 경우 자산의 가치 및 계통에 미치는 영향을 고려하여 주기적 검사 및 실시간 모니터링을 통해 계통의 안정성 확보 및 한전 자산관리에 활용하고 있다. 반면, 배전 계통에서 활용되는 주상변압기의 경우 상대적으로 저렴한 비용과 고장 시 낮은 파급효과, 그리고 230만대 이상의 분포에 따라 변압기의 상태에 대한 주기적인 검사가 현실적인 어려움으로 인해 운영 정보 및 내부 기타 평가 기준에 따라 교체하는 상황이다.

송전용 변압기의 경우 변압기 자체의 문제로 인한 고장과 냉각이나 절연의 문제로 인한 고장으로 구분할 수 있다. 전자의 경우 표 1과 같은 방법을 통해 고장을 측정할 수 있다. 하지만 대다수 고장은 후자로 인한 것이며 국내 운영 중인 변압기의 경우 절연유를 통해 냉각과 절연에 활용하고 있다. 따라서 절연유의 상태를 파악한다면 후자와 같은 냉각이나 절연 문제의 고장에 대한 보수나 사고 예방에 활용할 수 있다.

현재 변압기 절연유에 대한 상태진단의 경우 절연유를 채취하여 표 2과 같은 열화 진단기법을 활용하여 상태를 추정한다. 하지만 표 2와 같은 변압기의 절연유 진단기법은 진단에는 유용하나 온라인 모니터링이 불가능한 기법이 많고 절연유를 채취하여 변압기 상태를 추정하므로 동작 중인 변압기를 대상으로 진단을 수행하기에 어려움이 따른다. 또한, 온라인 모니터링이 가능한 기법의 경우 비용의 문제로 수많은 주상변압기에 적용하는것에는 무리가 따른다. 따라서, 분산형 자원의 연계가 많아질 미래 계통에서의 수많은 변압기의 경우 이러한 방식을 적용하기엔 많은 어려움이 있다.

이에 많은 변압기 상태 진단 기법에서는 확률을 기반으로 하는 수명예측 방법을 통해 변압기의 교체 주기에 대한 연구가 진행 되었다^[1-3]. 이러한 상태진단 기법은 시간등의 주변 환경에 따른 통계적방법을 통해 변압기 사고 예방에는 효율적이나 절연을 담당하는 절연유의 상태를 직접적으로 확인하기는 힘든 방법이다. 이러한 현실로 인해 주상변압기의 철거 후 절연유 절연내력 실험을 진행하면 사용가능한 정도의 절연내력을 보여주는 경우가 대부분이다.

따라서, 본 논문에서는 변압기의 온라인 진단(10-2259953, “변압기 상태 감시 장치 및 방법”)을 위한 절연유의 빛 투과도와 절연내력의 상관관계를 실험을 통해 분석하였다^[4].

2. 광투과율 시험 방법론

2.1 광투과율 시험 방법

절연유는 설비의 전기적 절연 및 냉각을 위해 사용되는 오일이다, 이러한 절연 및 냉각이 진행되면 절연유의 열화가 진행되어 산화로 인한 슬러지가 생성된다. 이러한 슬러지는 성능저하의 원인이 되며 기존의 절연유와 다른 성질로 인해 절연유의 색을 탁하게 만드는 성질을 지니고 있다. 본 논문에서는 이러한 탁도의 변화를 이용하여 절연유의 상태진단을 시도하였다. 절연유에서 슬러지와 같은 불순물의 증가는 절연내력의 감소를 야기하고 빛의 투과 정도의 변화를 발생시킨다. 빛의 성질 중 투과율의 경우 파장의 길이와 광원의 종류에 따라 다르다. 절연유에 광원별 투과율정도 차이를 확인하기 위해 아래 그림과 같은 장치를 구성하여 실험을 진행하였다^[5].

그림 1. 절연유 투과율 테스트 수행

Fig. 1. Perform insulating oil permeability test

투과율 시험 방법을 위해 먼저 빛의 색상과 종류에 따라 파장이 다른 특성을 고려하여 각 색상 및 성질에 따른 다른 빛을 절연유에 조사하여 빛이 투과하는 정도를 측정하였다. 절연유를 지난 빛을 광검출기를 이용하여 광원의 세기를 측정, 오실로스코프를 통한 출력 값을 확인하여 절연유를 잘 투과할 수 있는 광원을 찾는 실험을 진행하였다. 이때 사용된 광원 및 파장의 종류는 표 3과 같다.

표 3 광원 파장별(종류별)

Table 3 light source wavelength (by type)

광원	종류
LED (Light Emitting Diode)	Red, Green, Blue, White
LD (Laser Diode)	520nm, 650nm, 905nm

표 4 광원 파장별(종류별) 투과율 분석 결과

Table 4 Transmittance analysis results by light source wavelength (by type)

광 원		투 과 율
LD (Laser Diode)	520nm	82.75%
	650nm	83.24%
	905nm	79.56%
LED (Light Emitting Diode)	RED	67.25%
	GREEN	65.01%
	BLUE	55.58%
	WHITE	54.95%

실험 결과 표 4와 같은 결과를 확인하였다. 결과에서 확인되듯이 절연유의 투과율은 광원의 종류 및 파장의 길이에 따라 다른 것이 확인되었다. 이를 바탕으로 슬러지 발생시 탁해지는 정도의 차이가 있는 성질을 이용하여 절연유의 상태 변화를 측정할 수 있을 것을 기대한다.

2.2 광원 선정

전술한 시험을 통해 520nm와 650nm의 광원에 투과율이 높은 것을 확인할수 있다. 이중 절연유의 산화 정도를 판단할 수 있는 기준을 마련하기 위한 추가 실험을 진행하였다. 진행한 실험은 슬러지의 발생정도에 따른 전압 변동을 측정하는 방식으로 진행하였으며 구성된 실험 장치는 다음과 같다.

그림 2. 반사광 활용 센서 제작 시 활용할 LD 선정을 위한 출력전압 테스트

Fig. 2. Output voltage test to select LD to be used when producing sensors utilizing reflected light

테스트 결과 아래 표와 같은 변화를 확인하였다. 절연유를 투과한후 광원의 전압을 확인하는 형태로 실험을 진행하였으며 이때 결과 같이 각 광원에 따라 눈으로 보이는 탁함정도에 따른 전압의 변화가 확연히 다른 것이 실험결과 확인되었다.

이는 520nm의 파장에서의 전압변화가 650nm파장에 비해 전압 강하가 더 큰 것이 확인되었으며 또한 색상의 변화에 따라 전압변화를 선형적으로 표현할수 있음을 확인하였다. 따라서 이후 진행될 실제 변압기 대상의 테스트시 520nm의 광원이 실험에 적합한 것으로 선정하였다.

표 5 520nm / 650nm LD의 절연유 상태별 전압 측정 테스트 결과

Table 5 Voltage measurement test results by insulating oil condition of 520nm / 650nm LD

3. 사례연구

본 논문에서는 실험을 위해 송변전용 변압기에서 사용되고 있는 400개의 샘플을 임의로 선정하여 각 절연유에 색도를 부여하였다. 이때 ASTM(American Society for Testing and Materials)에서는 ASTM D1500 규격을 통해 석유제품(Petroleum)의 색을 정량화하여 색에 따른 절연유의 상태를 표기할 수 있는 ASTM D1500 Color Scale을 공표하였다. 실험에서 사용된 400개의 변압기의 절연유를 ASTM D1500을 기준으로 분류하였다.

또한 400개의 절연유에 대한 실제 상태를 판단하기 위해부록 1에서 후술할 일반적으로 많은 사용되는 가스 판별식에 따른 분류는 표 7과 같다.

이를 비교하여 절연유의 ASTM D1500 Color Scale와 가스 판별식에서의 상태를 교차 비교하면 표 8과 같이 정리할 수 있다. 표 8에서 보는것과 같이 절연유의 색이 맑을수록(색도가 낮을수록) 절연유 샘플의 가스분석 결과가 정상인 개수 및 비율이 높은 것을 확인 할 수 있다. 절연유의 색도가 4.5 이상으로 판정되는 절연유는 샘플의 개수 자체가 매우 적으며 (총 400개 샘플중 9개) 특히 절연유의 색이 매우 어두운 색을 가진 절연유 샘플은 총 2개의 샘플로써 판정비율이 매우 극단적으로 나타난 것을 확인할 수 있다. 샘플의 개수가 달라 정확한 비교는 어려우나 전반적으로 절연유의 색이 진해질수록 가스 판정의 결과 중 요주의I, 요주의II의 비중이 높아지는 추세를 가진 것으로 확인할 수 있으며, 절연유가 맑은 색상일수록 가스판정에서 전반적으로 안정적인 추이를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

T1(저온과열)로 분류된 절연유의 샘플을 색도로 분리하여 분석해보면 표 9와 같은 결과를 확인할 수 있다. 높은 색도를 가지고 있는 절연유 샘플에서 저온가열에 의한 절연유의 Fault가 발견되는 경우의 비율이 높게 나타나고 맑은 절연유에서 Fault비율이 낮게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 1~1.5에 해당하는 색도에서 다소 모호한 수치가 나왔지만 2 이상의 절연유 샘플에서는 T1(저온과열)에 해당하는 절연유의 샘플 비중이 높게 나온 것을 확인할 수 있었다.

DTM을 활용한 변압기 고장 판정에 의하면 색도가 증가할수록 저온과열로 인한 고장판정을 받은 샘플이 비율이 증가하는 추세를 확인할 수 있다. 다만 4.5의 색도에 해당하며 L1 Limit을 초과하여 그중 T1판정을 받은 절연유 샘플들의 경우 가스판정이 위험이나 이상의 케이스는 발견되지 않았으며 요주의I 2건, 요주의II 1건으로 나타났다.

3.1 광투과율과 절연내력의 상관관계

본 시험에서는 절연유의 내력 테스트를 진행해 보았다. 절연 내력 테스트는 그림 3과 같은 시험장치를 통해 진행하였으며 방법은 아래와 같다^[6].

① 전기 절연유 시험 방법(KS C 2101-1995) 22. 절연파괴 전압 시험을 따르며, 계측기를 사용

② 절연파괴 전압시험은 시료를 유리 테스트 용기의 표시선까지 체우고, 전극간 간극을 2.5mm로 벌려놓고 절연유중의 절연파괴 전압을 측정한다.

③ 총 6회의 절연내력 테스트를 진행하며 6회 절연내력의 평균치를 산정하여 해당 절연유의 절연파괴전압으로 산정

그림 3. 절연유 절연파괴 시험 장치 및 실험용 절연유

Fig. 3. Insulating oil breakdown test equipment and experimental insulating oil

이때 단순히 불용된 변압기의 샘플뿐 아니라 절연유(미창트랜스 OT-2 (광유 1종 2호))의 가속 열화 시험을 통해 다양한 샘플을 확보하였다. 표 11는 변압기 구성요소 무게 비율을 맞추어 실제 변압기 환경을 모의한 실험 셀 구성요소이다.

표 11 가속열화 실험을 위한 셀 구성 요소

Table 11 Cell components for accelerated degradation experiments

구성요소	시료량
절연유	500ml
철심	366g
권선	148g
절연물	29.7g
합계	절연유 500ml / 그 외 543.7g

결과값으로 나오는 전압값을 입력 전압에 해당하는 5V로 나누어 투과율을 산정하였으며 이때 소수 첫 번째 자리에서 반올림하여 나타내었다. 그림 2에서 보이듯 전반적으로 절연유의 투과율이 낮아질수록 절연유의 절연내력이 낮아지는 관계를 확인할 수 있었다.

그림 4. 절연유 투과율 – 절연파괴전압 상관관계

Fig. 4. Insulating oil permeability – breakdown voltage correlation

그림 5. 절연유 투과율 – 절연파괴전압 상관관계(평균치)

Fig. 5. TInsulating oil permeability – breakdown voltage correlation (average value)

이러한 샘플들의 경우 수분 함유량을 테스트해보면 절연유의 투과율이 낮아질수록는 수분함유량 높게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 특이 케이스들을 제외할 경우 그림 4와 같은 형상을 보이며 Pearson 상관계수를 확인하여도 0.62수준의 상관계수가 도출된 것을 보아 절연유의 색에 따라 절연유의 절연내력을 추론이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 절연유의 경우 평균적으로 투과율이 40% 미만일 경우 절연 파괴전압이 30kV 미만에 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 절연유의 투과율이 40\% 미만시 절연유의 색은 갈색 정도로 형성되며(환경 (절연유 양등)따라 다소 차이는 발생 가능) 해외 연구 사례^[7]에도 갈색에 해당하는 절연유는 표면장력과 산가등이 양호하지 않아 이를 Bad Condition(상태 나쁨)으로 분류하였다. 또한 ASTM D1500에 따른 절연유의 색도별 전력용 변압기의 가스분석을 통한 상태진단 결과에서도 약 2(2.5)~3의 색도에서 상태 판정이 악화 비율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구는 현재 수용가에 전력을 공급하기위해 활용중인 변압기의 상태를 진단하기 위해 절연유의 투과율 측정장치를 개발하고 이를 통해 절연유 절연내력과의 상관관계를 중점적으로 분석하였으며, 부가적으로 색을 활용하여 절연유의 가스 상태 판정과의 관련성을 확인하였다. 이를 위해 불용처리된 폐변압기의 절연유를 채취하였고, 가속열화 실험을 진행하여 다양한 상태의 시료를 확보하였다.

절연유의 광 투과 특성이 일반 액체와는 다소 다른 성격을 가지고 있어 투과율 측정을 위한 3종의 LD와 4종의 LED 광원의 투과율 테스트를 진행하였고, 520nm와 650nm의 광원이 최종 광원 후보로 선정되었으며, 파장 및 절연유 열화 상태별 선형성이 더욱 뚜렷한 520nm 광원을 진단 센서의 광원으로 선정하였다.

선정된 광원을 통해 투과율 측정 센서를 개발하였고 이를 통하여 가속열화 실험 및 폐변압기에서 채취된 샘플 들을 통해 투과율 및 절연내력 테스트를 수행하였다. 전반적으로 절연유의 열화가 진행될수록 절연유의 광 투과율이 감소하며 절연유의 절연내력이 감소하는 관계성을 확인할 수 있었다. 그러나 모든 절연유가 투과율 변화에 따라 절연내력이 일정하게 나오진 않았으며, 대표적으로 절연유의 색이 탁하더라도 수분 함유량이 적어 절연내력이 높게 나온 샘플, 절연유의 색이 거의 신유와 같이 맑았으나 수분 함유량이 높아 절연내력이 낮게 나온 샘플이 대표적인 케이스였다.

이를 종합하여 본 논문에서는 ASTM D1500와의 비교 및 해외 연구 사례등을 통해 투과율이 40% 미만에 형성될 경우 해당 변압기에 대해 좀 더 주의를 기울여 사고 예방이나 적기 교체를 진행할 수 있을 것으로 사료된다.

배전용 주상변압기의 경우 관련 연구가 송전용 변압기의 관련 연구에 비해 많은 연구가 이뤄지지 않았으나, 본 연구와 함께 다가오는 미래 IoT 시대에 대비하여 변압기의 상태를 진단하기 위한 기초 연구를 진행할 수 있었다. 본 연구에서 수행한 절연유의 색(투과율)을 통해 명확한 변압기의 상태를 정확하게 추정하는 것에는 한계가 있으나, 주상 변압기의 상태 진단중 절연유 상태를 판단할 수 있는 것으로 사료된다. 이는 본 논문를 통해 제시된 절연유의 상태진단 방법을 반영하여 변압기의 자산관리 및 모니터링 관련 기준 및 관련 기술의 추가연구를 통해 수용가에 직접적으로 전기를 공급해주는 설비에 대한 신뢰도 및 수명을 높일 수 있을 것으로 예상된다.

부 록