2.2.1 일반적인 VT 고장 메커니즘

VT는 사용중에 전압, 전류, 과열 및 서지환경 등에 의한 열화 스트레스가 가해질 수 있는데,<그림 2>는 VT 열화의 원인과 진행과정 및 결과를 나타내는 열화 프로세스이다. 열 스트레스가 가해지면 열에 의한 재료의 산화 또는 열분해가 진행되고 이로 인해 기계적 강도 저하와 절연표면의 흡습 등이 발생한다. 기계적 스트레스가 가해지면 크랙과 박리가 발생하며, 전기적 스트레스가 가해지면 부분방전 등이 발생하고, 습기나 오염 등에 의해 절연물의 열화가 촉진될 수 있다.⁽⁴⁾

Fig.2. VT Aging Process

2.2.2 몰드형 VT 고장 진행 과정 분석

일반적으로 VT의 고장모드는 설계결함, 제작불량, 품질관리 결함 및 운전환경에 의한 고장 등으로 분류할 수 있다. 설계결함의 원인으로는 철심크기/재질, 권선의 굵기/권수 및 고압권선 분할 설계 오류 등이 있고, 제작불량 발생 원인으로는 권선 Winding 작업 중 턴 겹침, 에폭시 수지의 함침 불량, 불충분한 기포 제거로 인한 보이드(Void) 잔존 등이 있다. 또한 VT는 주요공정이 수작업에 의해 이루어지고 있고 공정간 이동시 이물질 유입 등으로 인한 고장 발생 가능성 등 품질관리 측면의 결함이 발생할 수 있으며, 고압계통에 설치하여 운전하는 관계로 차단기 개폐서지 유입, 무부하 가압시 공진발생 등의 운전환경에 의한 고장이 발생할 수 있다. 이들 고장유발 원인이 VT의 설계, 제작 및 운전환경에 내재되어 있을 때 고장은 <표 1>과 같은 과정을 거쳐 진행된다.

2.3.1 발전소 VT 고장사례 분석

VT의 일반적인 고장원인 및 진행과정을 알아본 후에 실제 발전소와 한전 변전소 등에서 발생하였던 고장사례를 수집하여 고장 원인과 형태에 대해 정리 및 분석을 수행하였다. <표 2>는 최근 발생한 발전소 몰드형 VT 고장사례들이다. 주요 고장현상은 내부 층간단락이나 권선 소손으로 발생한 고온, 고압의 가스가 VT 내부의 압력을 급격히 상승시켜 에폭시 몰드 절연체의 크랙 또는 파손을 유발, 지락고장으로 이어졌으며, 근본 원인으로는 제작과정에 이물질 유입 또는 턴 겹침에 의한 층간단락, 여자특성 불량으로 인한 철공진 발생 등으로 분석되었다. 또한, 한국전력공사에서 2000∼2017년 사이에 발생한 VT 고장사례 24건의 고장원인을 제작불량, 시공불량, 자연열화, 외물접촉 및 기타 등으로 나누어 분석한 결과, <그림 3>과 같이 제작불량이 전체의 50%를 차지하고 있음에 따라 제작과정에서 이물질 유입방지, 권선 턴 겹침 및 충분한 기포제거 등이 주의 깊게 이루어져야 함을 알 수 있다.

Fig. 3 Failure Ratio by Causes

2.3.2 고압배전반내 V결선된 VT의 3상 단락고장 사례 분석

V결선된 고압배전반에서 1대의 VT에서 발생한 층간단락으로 인해 고온, 고압의 용융물이 에폭시 몰딩 크랙부위로 분출되면서 3상단락 고장으로 진전되어 발전소 정지를 초래한 사례를 분석하였는데, <그림 4>는 고장이 발생된 고압배전반과 배전반에 내장된 소손 VT 모습이다. 고장원인 분석 결과 VT 권선작업 중 코일표면에 금속류 접촉, 낙하 등에 의한 것으로 추정되는 스크래치가 발생한 상태로 제작되어 가압 운전 중 층간단락으로 진전되었고, 층간단락 심화에 의한 과열로 VT 내부 압력상승으로 인해 몰딩부가 파열되면서 탄화물 비산 및 충격으로 1차측 퓨즈와 철심 밴드가 이탈되어 지락고장을 일으킨 후 3상 단락고장으로 진전된 것으로 분석되었는데, <그림 5>에 고장의 진행과정을 간략하게 나타내었다.

Fig.4 Example of VT failure in oo Plant

Fig. 5 Progress of 3 Phase Short-Circuit on V-Connection of the VT

2.4.1 철심구조가 VT 열화에 미치는 영향

발전소 및 한전 전력계통에서 발생한 고장사례를 분석 후 VT 설계방식 및 구조에 따른 영향을 구체적으로 알아보기 위해 전자기 해석 및 권선구조 분석을 수행하였다. 발전소에서 사용중인 VT의 철심구조는 대부분 내철형 구조를 사용하고 있으나, 일부 제품의 경우 외철형 구조를 적용하고 있다. 내철형과 외철형 VT의 전자계해석을 수행한 결과, 동일한 크기의 자속이 발생할 경우 철심구조에 따라 상이한 자속분포 상태를 확인할 수 있었는데, <그림 6-a,b>은 해석결과를 나타내고 있다. 내철형에 비해 외철형의 경우 자속의 경로가 양측으로 분할되는 관계로 동일조건에서 운전시 철심포화로 인한 문제 발생 가능성이 낮아지는 것으로 나타났다.

2.4.2 권선 구조에 따른 서지영향

권선 구조에 따른 서지영향을 검토하기 위해 국내외 주요 제작사의 몰드형 VT를 절개하여 그 구조를 분석하였는데, <그림 7-a>는 국외 oo사 제품의 권선 구조이고 <그림 7-b>는

Fig. 6-a Magnetic Flux Distribution by Iron Type

Fig. 6-b Magnetic Flux Analysis Condition

Fig. 7-a GE VT

Fig. 7-b Domestic VT

국내 주요 제작사에서 생산중인 VT의 고압/저압 권선 형태를 보여주고 있다. 일부 국외제작사의 경우 고압권선 분할, 정전판 설치, 고압권선 리드선 간격 확보 등을 통해 과전압 및 외부 서지 등에 강한 제품을 생산하고 있는 반면 국내 제작사의 경우 대부분 이를 적용하고 있지 않다. 고압권선을 4개로 분할하여 제작하게 되면 권선층간에 인가되는 전압을 1/4로 경감시킬 수 있어 과전압으로 인한 VT 손상을 예방할 수 있고, 정전판과 고압부 리드선을 <그림 7-a>처럼 설치할 경우 외부 개폐써지 등에 대한 내량이 강화되어 제품의 신뢰성과 안전성을 한층 높일 수 있다.

2.4.3 철심크기 및 권선수에 따른 전압계수 영향

자기포화 현상은 VT 내부에 여자전류를 과도하게 증가시켜 철심 및 권선의 과열을 초래하고 포화구간에서 운전될 경우 자화 인덕턴스의 변동으로 인한 철공진을 유발하여 VT 소손은 물론 발전소 정지를 초래할 수 있다. 따라서 VT의 신뢰성을 강화시키기 위해서는 전압레벨, 철공진, 접지방식 등의 사용 환경에 따라 충분한 크기의 포화전압 및 전압계수를 확보하여야 한다. 철심의 크기가 불충분할 경우 자속밀도가 크게 증가하는 모습을 보이는데, <그림 8>은 철심사이즈에 따른 자속분포의 전자계해석 결과를 보여주고 있다. 철심을 충분한 크기로 설계할 경우 포화전압 및 전압계수를 상승 시킬 수 있기 때문에, 누설전류를 최소화 하고 VT를 선형구간에서 운전할 수 있게 됨에 따라 VT의 과열 방지 및 조기 고장을 예방할 수 있다.

Fig 8. Mag. Flux Distribution by Iron Size

2.5.1 이물질 유입 및 함침공정 불량에 따른 전계 불평등 영향

VT 제작과정에 발생할 수 있는 결함원인 및 영향을 분석하기 위해 함침공정 불량에 따른 전계 불평등 영향을 알아보았다. VT는 단락강도 및 절연내력 확보를 위해 바니쉬 함침 공정을 적용하고 있는데, 바니쉬는 천연수지, 합성수지 등을 알콜 혹은 기름에 녹여 액상으로 만든다. 함침공정에서 수지가 권선부로 균일하게 침투하지 못하게 되면 권선부 내부에 기포가 발생하고, 이들 기포에 전기적 스트레스가 집중되어 부분방전을 일으키며 공극을 확대시켜 운전중 VT 소손의 주요 원인으로 작용할 수 있다.

2.5.2 이물질 유입에 따른 전계집중현상 전자계 해석

제작과정 중 절연물 혹은 권선부에 이물질이 침투할 경우에도 이물질에 의한 전계집중 현상에 의해 절연파괴를 유발할 수 있는데, <그림 9>는 VT 1차권선에 이물질 및 보이드가 삽입된 경우의 전자계 해석 모델이다. 이물질의 종류는 구리(도체), Kraft(부도체), 공기(보이드) 등이며, 실제 발전소에 사용되고 있는 권선과 동일한 직경의 이물질이 1차권선에 삽입된 형태로 모델링을 하여 전자계해석(Maxwell)을 수행하였는데, <그림 10>은 해석 결과로서 이물질의 종류별 전계분포를 나타내고 있으며, 해석에 사용된 도체/부도체 이물질 및 보이드의 재질과 유전율은 <표 3>에 나타내었다. 전자계 해석결과, 이물질과 에폭시 수지가 만나는 경계면에서는 도체 이물질이 가장 높은 전계값을 보이는 것으로 나타났으며, 이물질 중심부에서는 보이드 이물질이 정상 VT와 비교하여 60% 이상 높은 전계값이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 전자계 해석은 전압등급별(22kV/13.8kV/4.16kV)로 각기 수행하였으며 유사한 결과를 보였다.

Fig 9. Insertion Type of F.M & Void

Fig. 10 Insertion Status of F.M & Void

2.6.1 공진에 의한 과전압/과전류 발생

VT 부하는 보호계전기 또는 전압계 등으로서 부하의 임피던스가 매우 작기 때문에 가압시 VT의 인덕턴스(L) 성분과 계통의 정전용량(C)이 공진을 일으킬 가능성이 있다. 공진은 직렬공진 또는 병렬공진 형태로 발생할 수 있는데 직렬공진의 경우 임피던스가 급격히 작아져 과전류가 VT 코일에 흐르게 되면, VT는 과열로 인해 손상을 받을 수 있다. 또한 코일에 과전류로 인한 자속이 과다하게 발생하게 되어 철심을 포화시키게 되면 리액턴스의 급격한 저하로 인해 VT는 공심상태에 가까운 단락전류가 발생할 수 있다. 또한, L-C 병렬공진이 발생할 경우에는 임피던스가 최대가 되어 VT에 과전압을 인가하게 되고, 이 과전압으로 인해 VT는 소손될 수 있다.

2.6.2 차단기 개폐서지 유입에 의한 고장발생

최근 발전소 고압배전반 차단기로 빠른 개폐특성을 보이는 진공차단기(VCB)가 주로 사용되고 있는데, 차단기 개폐시 높은 개폐서지가 발생하는 문제가 있다. 이 개폐서지가 VT에 유입될 경우 고압권선 리드부 손상을 초래할 가능성이 있다. 발전소에서는 이러한 개폐서지로 인한 관련 계통의 전력설비 손상을 방지하기 위해 피뢰기 등의 Surge Absorber 장치를 설치하여 VCB 개폐시 발생하는 스위칭 서지를 일정수준 이하로 제한하고 있음에 따라 VT 등 전력설비에 미치는 영향은 제한적이다. VT 권선의 위치에 따른 서지유입 형태를 분석하기 위해 고압권선을 4개의 탭으로 분할하고 서지저압을 인가하여 각각의 탭에 분포되는 서지전압을 측정하였는데 <그림 11>은

Fig.11 Voltage Distribution by Tap Position

고압 인입부, 고압-저압 1/4, 2/4, 및 3/4 지점에서 측정한 서지전압의 크기를 보여주고 있다. 이 결과는 차단기 개폐서지가 VT 리드부에 집중되는 현상을 잘 나타내고 있다.

2.6.3 VT 가압시 돌입전류에 의한 영향

VT 가압시 투입 위상각에 따라 돌입전류의 크기가 결정되는데, 전압 0도 위상에서 최대 크기로 발생한다. 고압배전반 시험설비에서 측정한 결과 정격전류의 26배(평균)가 발생하였는데, <표4>는 측정된 돌입전류 크기를 보여준다. 돌입전류는 전력용변압기에서는 일반적으로 정격전류의 8∼12배 크기로 발생하며 변압기 철심의 크기에 좌우된다. VT의 경우에는 철심이 비교적 작기 때문에 가압시 여자전류에 의해 철심이 완전 포화상태에 이르게 되며, 철심 포화시 코일의 L값이 급격히 작아져($X_{L}$≑0) 큰 전류가 흐르게 된다. 따라서, 가압시 발생하는 돌입전류의 영향이 축적되면 VT의 수명에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

2.6.4 VT 여자특성 불량에 의한 영향

VT의 포화특성(여자특성)이 좋지 않을 경우 상시 여자(누설)전류가 높은 상태로 운전을 장기간 지속하게 되어 VT의 조기열화를 초래할 수 있다. 특히, VT 2대로 V결선을 하여 3상 전압을 공급하는 발전소 소내전력계통의 경우 VT가 충분한 Knee Point(Vknee)를 확보하지 못 할 경우, 상시 인가되는 정격전압 상태에서도 VT가 포화구간에서 운전하게 되어 큰 누설전류가 지속적으로 흐르게 되고 계통 동요시 L값 변동으로 인해 공진을 유발할 수 있다.