KR940009953B1

KR940009953B1 - 절연유 열화 측정센서

Info

Publication number: KR940009953B1
Application number: KR1019900017976A
Authority: KR
Inventors: 전영갑
Original assignee: 재단법인 한국전기연구소; 안우희
Priority date: 1990-11-07
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2010-11-07
Also published as: KR920010282A

Abstract

내용 없음.

Description

절연유 열화 측정센서

제 1 도는 본 발명의 분해사시도,

제 2 도는 제 1 도의 사시도,

제 3a, b 도는 본 발명의 절연유열화 측정센서의 전극회로도,

제 4 도는 본 발명의 절연유 열화 측정센서의 검출회로도,

제 5a 도는 본 발명의 이상적인 흡착층 모델회로도,

제 5 도의 (b)는 제 5 도의 (a)의 흡착층에서 발생되는 도전율을 구하기 위한 도면,

제 6 도는 본 발명의 설치상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 절연유 열화 측정센서 2 : 센서지지판

3, 3a : 원형전극 4 : 포러스재질부

5 : 지지공 6 : 기공

7 : 리드선 8 : 터미날단자

9 : 변압기 10 : 보상용 온도센서

11 : 코아지지물 12 : 지지구

본 발명은 전력용기기에 사용되는 절연유의 경년변화 및 절연유가 사용되는 전력용 변압기의 내부이상 상태를 사전에 진단할 수 있는 절연유 열화 측정센서에 관한 것이다.

종래에는 전력용기기에 사용되는 절연유가 경년변화를 일으킬때 그 열화정도를 측정하는 방식이 현장에서 즉각 측정하여 그 상태를 파악하는 방식이 아니고 대개가 오랜 시간이 경과된 후 샘플링 된 시료를 실험실에서 산가분석 및 내전압인가 가스분석 시험을 행하여 그 결과를 분석하므로 현장성이 뒤떨어지고 측정치의 정확도에 문제가 있었다. 전력용기기에 사용되는 절연유가 경년 열화되면 주로 발생되는 물질은 가스와 미소입자의 불순물로 대별할 수 있다.

따라서, 현재 개발된 가스분석시험과 수소가스검출은 위와같이 가스의 생성량을 측정하는 방식이다. 전력용기기의 절연유가 발생하는 가스를 분석하는 방법으로는 가스막을 거친 가스입자가 기공전극(porous electro-des)에 접촉하게 되면 양극사이에 발생되는 저항치의 변화량으로 가스성분이 분석된다. 그러므로, 가스를 분석하는 방법에서 문제점이 되는 것은 가스가 활성체이기 때문에 주위 환경조건에 따라 그 측정치의 변화가 심하며 측정결과 그 신뢰성이 낮다. 그리고 그 분석장치가 매우 고가의 화학적설비를 구비해야되기 때문에 대용량 이외는 범용으로 사용할 수 없는 결점이 있다.

또한 일반적으로 사용하고 있는 산가시험 및 내전압시험음 그 시료를 채취항 실험실에서 그 결과를 분석하기 때문에 현장에서 측정결과를 알 수 없을 뿐만 아니라 샘풀링시험으로 인해 혼입될 수 있는 외부습기 때문에 측정치의 신뢰도가 많이 떨어진다. 그리고, 측정할 수 있는 대상 기기가 제한되는등 많은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반문제점을 해소하고자 인출된 것으로 전력용기기에 절연유 측정센서를 부착하여 현장에서 바로 절연유의 열화상태를 검출하는 방법으로 검출대상은 미소입자의 도전성 불순물이며, 측정방식은 전기적신호를 입력시켜 마이크로 암페어 단위의 미소전류를 검출할 수 있는 것으로서, 이하 첨부도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

변압기 절연유의 주성분인 탄화수소는 일반적으로 산화가 잘 되지 않으나 산소나 습기가 어떤 주변환경에 의하여 접촉하면 처음에는 산화반응이 활발하지 않다가 일정시간이 지난후 산화 속도가 커진다. 이는 산화를 촉진시키는 촉매 비슷한 것이 생성되는데 이를 자동산화(AUTO-OXIDATION)라 하며 그 반응식은 다음과 같다.

① RHR°(연쇄반응개시)

② R°+O →ROO°

③ ROO°+RH→ROOH+R°(연쇄반응전파)

④ R°+R°→RR

⑤ ROO°+R°→ROOR(연쇄반응정지)

단, 여기서 RH는 탄화수소, R°는 유리기이다. 탄화수소(RH)의 반응개시는 ①식에서 표시한 바와같이 탄화수소는 수소원자 한개가 제기되고, 1가인 R°유리기가 생성된다. 이 유리기(R°)는 ③식의 반웅으로 이어진다. 즉 ②식 반응에서 산소가 첨가된 다음 ③식의 반응으로 R°가 생성된 후 다시 ②식의 반응을 되풀이 한다. ④와⑤식은 연쇄반응 정지를 표시하며 ③식에 표시한 ROOH(Hy-draperoxide 하이드로퍼옥사이드)는 ⑥식의 반응을 일으킨다.

① ② ③ ⑥식에서 탄화수소 화합물의 산화반응에서 생성되는 열화물질은 유용성과 유불용성의 두가지로 분류된다. 유용성 열화생성물로는 R-OOR(과산화물), ROH(알코올), RCHO(알데히드), RCO-R'(케톤), R-COOH(유기산),(산무수물), ROOH(과산), R-COO-R'(에스테르), (RCOO)_nM(금속비누)등이 있고 (단, M는 금속원자), 유불용성 열화생성물로는 아스팔트성 슬러지(Sludge), 비누성 슬러지, 탄소성 슬러지등이 있다. 상기 아스팔트성 슬러지는 변압기내의 가열원 권선부분에 석출 침적하여 절연유의 냉각작용을 저해한다. 비누성 슬러지는 절연유의 산화를 생성된 유기산과 질연와니스에서 유중에 용출하는 변압기의 구성재료인 금속과 화합하여 생성된 물질로 다량의 수분이 함유되어 있다.

그리고 절연유가 불꽃방전되어 분해될때 다음과 같은 탄소성 슬러지와 가스상물질이 생긴다.

⑦ C₂H₆→CH₄+C+H₂

⑧ C₃H₆→C₂H₄+C+H₂

⑦ 식의 C₂H₆는 파라핀계 탄화수소인 에탄으로 과열될때 CH₄(메탄)과 H₂가 발생되고 나면 유리탄소인 C가 남는다. ⑧식의 C₃H₆는 나프탄계 탄화수소인 사이크로프로핀(cyclopro pine)으로 전호(電弧)시 C₂H₄(에틸렌)과 H₂가 발생하고 난후 유리탄소인 C가 남는다. 이 유리탄소(C)의 전기적 특성을 살펴보면 하전입자반경 0.16［Å］, 저항율 0.0019［-cm］, 전류밀도 9.5［A/㎠］으로 도전성 물질이다.

본 발명은 이 도전성 슬러지를 검출하는 방법으로 도전성 불순물이 생겨나는 초기에 열화된 상태를 파악할 수 있도록 센서를 절연유 유중에 위치시킴으로서 센서의 전기적인 전도현상 원리를 이용한 것이다. 첨부도면 제 1 도 및 제 2 도는 본 발명 절연유 열화 측정센서의 사시도인데, 1은 절연 유열화 측정센서이며, 이 센서(1)는 센서지지기판(2)과 2개의 원형전극(3)(3a) 및 포러스재질부(porous)(4)로 구성된다. 이 센서(1)의 센서지지판(Base ring)(2)는 중앙에 지지공(5)을 성헝하면서 링(ring) 형상으로 형성하되, 전기적 절연내력과 기계적 강도가 좋아야 한다. 포러스재질부(porus ceramic)(4)는 일정한 크기(100~300㎛)의 기공(6)을 가지며, 절연유가 경년변화시 발생되는 각종 불순물의 도전성입자를 흡착한다. 원형전극(3)(3a)의 메쉬(mesh)의 크기는 1m/m×1m/m정도이며 재질은 스테인레스 스틸(stainless steel)를 사용하되 절연유의 장기적인 내구성을 견디기 위해서는 백금도금된 것이 바람직하다.

또한 센서지지기판(2)와 2개의 원형전극(3)(3a)의 접착은 무기접착제로서, 일정 온도하에서 일정시간 전기로에 투입하여 접착한다. 절연유 열화 측정센서(1)는 절연유 열화로 발생되는 특정물질을 흡착할 수 있고, 또한 절연유에서 장기간 견딜 수 있으며 절연유 산화에 견딜 수 있는 전극재료가 바람직하다. 흡착물질의 기계적 고착 및 물리적 흡착에 의해 2개의 원형전극(3)(3a)사이의 전기전도성을 이용하여 제 3a, b 도와 같이 전극회로를 형성시켜 일정전압(V)의 인가하에 극간저항의 누적치를 누설전류의 변화량을 나타나게 된다. 절연유가 열화되면 유용성분과 유불용성분이 생성되는데, 이러한 불순물 입자중 도전성분을 지닌 유리탄소(C)혹은 다른 도전입자가 절연유 열화 측정센서(1)의 포러스재질부(4)에 흡착한 후 포러스재질부(4)의 기공(6)에 침투되면 기계적 고착상태로 변한다. 절연유 열화 측정센서(1)의 전기적 도전형상을 나타낼때, 이것은 도전성분의 요소로 보고 절연유 열화 측정센서(1)의 2개의 원형전극(3)(3a)사이에 일정전압(V)을 걸어주면 전류계(A)의 전류치가 변하게 된다.

제 1 도및 제 2 도는 절연유 열화 측정센서(1)의 외관을 나타낸 것으로 일정전압(V)이 절연유 열화 측정센서(1)의 2개의 원형전극(3)(3a)에 걸리면 극간저항의 변화에 의해 전류변화량을 측정할 수 있다. 제 5a, b 도는 이상흡착층 모델회로인데 흡착층에서 발생되는 도전율을 구하기 위한 것으로 인근한 두층의 평행단면 L과 M사이에 G를 콘덕탄스(conductange)로 하는 단면형상을 나타낸 것이다. L과 M에 걸리는 도전율σ₁은 콘덕탄스 G를 요소로 하여 직, 병렬 접속으로 구성되며, 직렬로서 1/2r개. 병렬로서1/(2r)²개가 접촉되므로 도전율σ₁은 아래와 같이 표시된다.

여기서 콘덕탄스 G는 입자누설저항 Rf와 L과 M의 입자자체 저항 Rc의 병렬접속으로 된다. 입자자체 저항 Rc는 접촉점에서 발생되는 접촉저항과 접촉면에 존재하는 산화물 피막 저항의 합으로 나타낼 수 있다. 접촉저항 Rs는

로 나타낼수 있다. 여기서 σ_S는 입자자체의 도전율[Ω/cm], rc'는 접촉면의 유효반경(rc=re+△re)이 된다.

그리고 접촉면에 존재하는 산화물피막 즉 흡착분자층의 저항,

가 된다. 따라서 Rc=Rs+Rb는 다음식과 같이 된다.

단, 여기서 rc'는 습도가 낮은 접촉부에서, 수분자 모세관 응축(Capillary Condensation)을 무시하는 경우는 rc가 되며 습도가 높은 수분자 흡착인 경우에는rc만큼 증가된다. 다음 표면 누설저항 Rf는 입자표면의 표면도전율을 σ₁로 보아 다음식과 같이 계산된다.

따라서 이상흡착층의 도전율 σ₁은 다음식과 같이 된다.

즉, 구성되는 파라메타(parameter)는 r, rc', σ_s, rf,b임을 알 수 있다. ⓕ식을 본 절연유 열화 측정센서(1)에 적용하였을때 다음과 같이 해석할 수 있다. r는 도전성 입자의 충진율로 나타낼때에 충진율 r이 클수록 도전율 σ₁이 적게됨을 알 수 있다. 다시 말하면 기공크기가 적을수록 도전율 σ₁이 적어짐을 알 수 있다. rc'는 접촉면 유효반경이라 볼때 절연유 열화 측정센서(1)이 포러스재질부(4)의 기공(6)내에 침투된 불순물 입자가 크고 그 양이 많아질수록 도전율 σ₁이 커짐을 알 수 있다. 센서의 단위거리당 두 전극 사이에 떨어진 흡착부(기공)에 불순물 입자가 고착되었을때 두 전극(3)(3a)간의 도전율 크기가 결정된다. ⓕ식은 구형의 흡착재료를 사용한 식이지만 내부구조가 불규칙한 다공질 흡착재료에서도 보정치를 도입하므로써 보정이 가능하다. 절연유 열화 측정센서의 센서지지판(2)는 전기적으로 절연내력이 강할뿐 아니라 기계적으로 상당한 강도를 가지며 다음과 같은 특성을 가진다.

포러스재질부(4)의 화학조성물은 다음과 같다.

그리고 포러스재질부(4)중에 A1₂O₃98% 재질을 사용하는 경우 그 특성은 다음과 같다.

최고사용온도 : 1700℃

내열 충격성 : 양

열팽창계수 : 7.2× 10^-6/℃

공격율 : 75~85%

2개의 원형전극(3)(3a)의 재질은 스테인레스강, 또는 백금도금된 스테인레스강으로 하여 1m/m×1m/m의 메쉬(Mesh)를 가진다. 메쉬의 가공은 전자빔으로 에칭(Eteching)하여 표면이 매끄러워야 하며 리드선(7)과 원형전극(3)(3a)간의 접착은 납땜으로 견고히 접촉시킨다. 절연유 열화 측정센서(1)는 전력용 변압기 또는 배전용 변압기 제조시 센서(1)를 내장시켜 제조한 후 리드선(7)을 변압기(9) 외벽의 적당한 위치에 설치한 터미날단자(8)에 연결한다. 따라서 절연유 열화 측정센서(1)의 누설전류를 측정하기 위한 계측기는 따로 휴대용으로 제작하여 수시로 변압기의 열화정도를 측정할 수 있도록 한다.

그러므로 본 발명의 절연유 열화 측정센서(1)는 경년 열화중인 절연유의 유중에 설치되기 때문에 내산성 및 내구성이 좋아야 한다. 절연유 열화 측정센서(1)의 센서지지기판(2)의 지지공(5)에 일정크기의 기공(6)을 가진 포러스재질부(4)를 삽입하고, 그 양단에 원형전극(3)(3a)을 상기 센서지지기판(2)에 접착제로 접착하고, 원형전극(3)(3a)의 양측에 리드선(7)를 납땜하여 변압기(9)의 외부에 설치한 터미날단자(8)에 연결한다.

상기와 같이 형성된 절연유 열화 측정센서(1)의 포러스재질부(4)에 흡착된 불순물도 전입자는 전기회로를 구성시킨다. 즉 절연유 열화 측정센서(1)의 일측 원형전극(3a)에 일정한 직류전압(V)을 가하였을때 전류계(A)의 전류변화치를 측정하므로 불순물 도전입자의 부착량을 알 수 있고 이 부착량의 전기적량에 의하여 절연유의 부착량의 전기적량에 의하여 절연유의 경년변화를 알 수 있다.

따라서 상기 절연유 열화 측정센서(1)의 출력신호를 측정할 수 있는 계측기로서는 제 4 도와 같은 검출회로를 사용한다. 보상 온도센서(10)는 온도에 따른 절연유 열화 측정센서(1)의 특정치를 보상하여야 하기 때문에 절연유 온도를 측정함과 동시에 누설전류치가 측정된다. 이 측정치는 증폭기(Amplifier)를 통하여 A/D변환기로 입력되고, 마이크로 프로세스(μ-processor)에서는 두개의 값을 비교하여 현재의 절연유 열화정도를 측정한다. 고압측에 가하는 직류전압의 크기는 1KV-5KV 정도로 하며 어느 일정치가 결정되면 인가되는 전압의 크기를 고정시켜 공급한다.

제 6 도는 현재 사용되는 배전용 변압기(9)에 설치한 상태도로 코아지지물(11)에 설치한 지지구(12)에 간편히 부착시킨다. 이 부착방법은 절연유 열화 측정센서(1)의 포러스재질부(4)가 절연유에 전부 닿을 수 있도록 오픈되어 있어야 하며 센서지지기판(2)만 지지구(12)에 부착되게 한다. 그리고 원형전극(3)(3a)는 변압기(9)자체 내전압절연거리에 적합하게 거리를 유지시켜야 하며 리드선(7)도 내전압절연거리를 유지하여 리드선(7)을 절연봉에 봉입시켜 고정되게 한다, 보상용 온도센서(10)는 변압기 온도측정을 겸용하여 사용할 수 있도록 하며 될 수 있는대로 절연유 열화 측정센서(1)의 포러스재질부(4)에 가깝도록 설치하되 내전압절연거리를 유지시켜야 한다. 터미날단자(8)는 두개의 센서(1)단자와 한개의 보상용 온도센서(10) 단자를 변압기(9) 외벽에 설치하며 변압기(9) 벽면의 내부에서 연결된 센서리드선(7)이 변압기 벽면 외측에서 측정될 수 있도록 밀봉된 단자를 사용하며 절연유가 유출되지 않도록 완전히 밀봉하여야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 절연유의 열화정도를 전기적 변화량으로 측정할 수 있기 때문에 절연유의 수명을 예측할 수 있고, 절연유 열화정도를 수시로 점검하고, 절연유 관리를 전산화 할 수 있으며 절연유 열화 측정센서는 내열성이고, 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라 센서에 흡착된 도전성물질이 안정되게 고착되어 있기 때문에 시험치 결과를 정확하게 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

센서지지기판(Base ring)(2)의 중앙에 지지공(5)을 형성하여 링(ring)형상으로 형성하되, 이 지지공(5)에 기공(6)을 가진 포러스재질부(porous cermic)(4)를 삽입하여 양측에서 리드선(7)이 납땜된, 원형전극(3)(3a)을 센서지지기판(2)에 접착제로 접착하여 형성한 절연유 열화 측정센서(1)를 변압기(9)의 절연유유중에 지지구(12)로 지지 설치하며, 상기 절연유 열화 측정센서(1)의 리드선(7)과 보상용 온도센서(10)의 리드선을 터미날단자(8)에 밀봉되게 연결하여 외부에서 계측기로 터미날단자에 연결하여 절연유 열화를 측정하도록 구성한 것을 특징으로 한 절연유 열화 측정센서.
제 1 항에 있어서, 상기 포러스재질부(4)는 100~300μm의 기공(6)을 가진 것을 특징으로 한 절연유 열화 측정센서.
제 1 항에 있어서, 상기 원형전극(3)(3a)의 재질은 스테인레스강, 백금도금된 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 절연유 열화 측정센서.
제 1 항에 있어서, 상기 절연유 열화 측정센서(1)는 변압기(9)의 절연유 열화에서 생성되는 도전성물질을 검출하는 것을 특징으로 한 절연유 열화 측정센서.