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HOME KEPRI홍보 보도자료[2020-04-24, 전기신문 전력산업을 바꿀 퀀텀점프 테크 연재- ⑤]2020-04-24 10:50:49
- 작성자 :
- 박상빈
- 조회수 :
- 2859
「전기신문」에 전력산업을 바꿀 퀀텀점프 테크 연재
5) 차세대 변압기 상태감시 기술
(주소 : http://www.electimes.com/print.php?aid=1587523419197527002)
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□ 산업화 및 기술발달에 따라 전력설비의 규모는 계속 증가하고 복잡· 다양해지는 반면, 노후화 전력설비 대수가 증가하면서 정전사고에 의한 경제적 손실은 갈수록 늘어날 전망이다. 정전고장의 원인 중 변압기가 차지하는 비율은 절반 이상으로 변압기의 상태를 주기적으로 감시하는 것이 고장 및 사고 예방을 위해 매우 중요하다.
□ 전력용 변압기의 고장은 정전 등 막대한 경제적 손실을 유발할 수 있어 사전 점검을 통해 사고를 미연에 방지하는 것이 중요하다. 이에 따라 한국전력에서도 변전설비를 대상으로 실시간 상태감시 및 수명예측을 목적으로 하는 변전설비 종합예방진단시스템을 도입, 운용 중에 있다.
□ 그러나 변전설비 종합예방진단시스템을 구성하는 대부분 진단장비가 수입에 의존하고 있으며, 高價의 가격, 부품수급 및 유지보수가 어려워 이에 대한 기술적 대안이 필요한 상황이다.
◈ 유중가스 분석을 통한 변압기 진단이란?
□ 변압기나 OLTC OLTC (on load tab changer) : 변압기 부하 시 탭 전환기
등의 기기 내부에 국부과열이나 절연파괴와 같은 이상현상이 발생하면 반드시 高熱의 발생을 수반하며, 이러한 발열원과 접촉한 절연유, 절연지, 프레스보드 등의 액상 및 고상 절연재료는 온도 대역별로 열분해되어 H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO, CO2 등 10여종의 가스를 발생시킨다. 이러한 가스 대부분은 절연유 속에 그대로 용해되므로, 절연유 내 가스의 양과 조성을 분석함으로써 변압기 내부의 이상 유무, 종류 및 위험 수준의 추정이 가능하다.
□ 이와 같이, 절연유 용존가스의 조성과 양을 검지하여 변압기 내부의 이상상태를 진단하는 방법을 유중가스 분석법이라고 한다. 이 외에도 부분방전, OLTC 진단 등 여러 가지 변압기 상태진단 기술이 있으나, 유중가스 분석이 가장 오래되고 신뢰성이 입증된 기술로 인정받고 있다.
□ 현재 유중가스 분석은 주로 변전소 현장에서 채취한 절연유 시료를 화학실험실로 가져가 정밀 분석하는 Off-line 방식으로 이루어진다. 그러나 분석에 오랜 시간이 소요되고, 특정 시점에 대한 상태정보만 제공할 뿐 채취 시점과 분석 시점 사이 기간에 대한 설비 상태변화 추이에 대해서는 알 수 없는 것이 단점이다. 또한, 진단을 통해 양호 판정을 받은 변압기에서조차 종종 사고 또는 고장이 발생하고 있어, 변압기에 직접 가스분석기를 장착하여 실시간으로 가스농도를 감시하는 On-line 진단을 도입할 필요성이 증가하고 있다.
□ 실시간으로 변압기를 감시하면 별도의 인력 투입 없이 각종 사고를 예방할 수 있을 뿐 아니라, 취득 데이터를 바탕으로 빅데이터 구축 및 해석을 통한 변압기 사용수명 예측이 가능해져 변압기 적기 교체에 따른 설비 운용의 효율성을 크게 강화할 수 있다.
□ 일반적으로 실시간 방식의 유중가스분석기는 GC(가스크로마토그래피), PAS(광음향분광법), IR(적외선) 등 정밀 분석기기 방식을 적용하여 비교적 높은 정확도를 가지지만, 성능에 비해 가격이 지나치게 高價이므로 전면적인 보급이 어려운 상황이다. 하지만, 최근 들어 나노기술의 발달과 함께 표면적이 넓은 다공성 나노소재를 가스센서에 적용하여 가스 검지특성을 대폭 향상시킬 수 있다는 연구결과가 보고되고 있으며, 유중가스 분석에도 나노구조 가스센서를 적용하기 위한 연구가 매우 활발한 실정이다.
II. 기술 개발의 의의
□ 전 세계적으로 변압기 예방진단 시스템과 관련한 시장규모는 계속적으로 증가하고 있는데, 2020년을 기준으로 글로벌 시장규모는 약 2.1조원대에 이른다. 북미와 유럽이 약 1.5조원대의 시장을 형성하여 전 세계 시장의 약 70%를 차지하고 있으며, 성장률은 중국에서 3~5%대로 가장 높게 나타나고 있다.
□ 국내에서도 초고압 전력기기의 IT 인프라 접속과 빅데이터 기술의 활성화로 인하여 관련 시장이 급성장함에 따라 2025년에는 유중가스분석기 시장만 약 1,700억원대 수준을 형성할 것으로 추정된다. 그러나 현재 국내의 변압기 상태진단 기술 및 장치는 95% 이상 수입에 의존하고 있어, 진단기술의 자체 노하우 축적과 함께 장치 국산화를 통하여 수입 의존도를 크게 낮출 필요가 있다.
III. 전력산업에 끼치는 영향
□ 전력설비는 고장 발생 시 국민의 불편을 초래할 뿐만 아니라, 막대한 경제적 손실을 가져다줄 수 있다. 이에, 다양한 전력설비에 대한 실시간 상태감시기술은 각종 전기사고의 예방 및 설비 사용수명의 연장으로 경제적, 사회적 손실을 줄이는데 핵심적 역할을 담당할 것으로 기대된다.
IV. 전력연구원 연구 현황
□ 전력연구원은 기존에 사용하던 고가의 정밀 분석기기 기반 변압기 유중가스 분석기를 저비용으로 대체함으로써 변전설비 예방진단시스템 구축을 활성화하고 효율적인 자산관리를 추진하기 위하여, 반도체식 가스센서를 이용한 경제적·고신뢰의 유중가스 분석시스템 개발을 2019년부터 착수하였다.
□ 이를 위하여 변압기 상태감시 추정에 가장 중요하다고 판단되는 핵심 가스로서, 수소, 아세틸렌, 일산화탄소의 3종 가스를 대상으로 10ppm 수준의 극미량 가스농도까지 측정이 가능한 센서를 개발하고, 이를 변압기 내부로 직접 장입이 가능한 프로브 형태로 제작하여 절연유 내 발생한 유중가스 종류 및 농도를 실시간으로 감시할 수 있는 기술을 개발할 예정이다.
□ 상기 연구과제 성과로서, 반도체 특성을 가지는 금속산화물 소재를 나노섬유 형태로 제작하여, 5~5,000ppm 농도범위에서 작동 가능한 고감도 수소가스센서 개발을 완료하였다. 금번에 개발한 수소가스 센서는 MEMS 기술을 적용하여 준상용급의 초소형으로 제작하였으며, 외국산 상용 센서와의 비교평가를 통하여 극저농도(5~15ppm) 구간에서 훨씬 우수한 가스감지 특성과 높은 재현성을 확인하였다.
□ 센서와 함께 절연유 속에서 유중가스를 분리하기 위한 목적의 초소수성 멤브레인도 나노기술을 이용하여 제작 완료하였으며, 1차 성능시험을 성공적으로 수행하였다. 또한, ㈜현대일렉트릭과 공동으로 개발된 센서의 적용이 가능하도록 기존 오일순환형 가스분석기를 개조·보완하였으며, 변압기 모사장치를 이용한 유중가스 분석 시험을 마친 뒤, 상업운전 중인 154kV급 변압기에 적용하여 장기 현장실증을 실시할 예정이다.
□ 전력연구원에서 개발한 고감도 가스센서는 변압기의 상태감시에만 적용되는 것이 아니라, 발생 가스 및 온도, 압력 등 작동 환경이 비슷한 다양한 산업에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.