변압기 권선 과열점 모니터링을 통해 어떤 데이터를 얻을 수 있습니까?

무더운 여름 오후 변전소에 서서 주변 공기가 무언의 전류로 윙윙거리는 동안 거대한 변압기가 꾸준히 윙윙거리는 것을 본 적이 있다면, 이 일꾼들이 전력망을 온라인 상태로 유지하는 데 얼마나 중요한지 알 것입니다. 하지만 그 꾸준한 윙윙거리는 소리에 느리고 조용한 위험, 즉 해결하지 않고 방치할 경우 일상적인 작업이 계획되지 않은 가동 중단으로 바뀔 수 있는 위험이 숨어 있다면 어떻게 될까요? 이것이 바로 변압기 권선 핫스팟 모니터링이 필요한 곳이며, 이 정확한 기술을 전문으로 하는 공급업체로서 저는 원시 센서 데이터를 그리드 자산 실행을 유지하는 실행 가능한 통찰력으로 변환하는 데 수년을 보냈습니다. 대부분의 사람들은 변압기 모니터링을 생각할 때 용존 가스 분석기나 부분 방전 시스템과 같은 고가의 도구를 떠올릴 수 있습니다. 그러나 우리가 매일 수집하는 핫스팟 데이터는 다른 모든 도구를 더욱 유용하게 만드는 일종의 세분화된 시간별 정보입니다. 변압기 권선 핫스팟 모니터링 시스템이 캡처하는 데이터가 무엇인지, 그것이 왜 중요한지, 그리고 이것이 더 광범위한 그리드 유지 관리 전략에 어떻게 적용되는지 자세히 분석해 보겠습니다.

먼저, 구불구불한 핫스팟이 무엇인지 명확히 합시다. 변압기 내부에서 전류를 전달하는 구리 또는 알루미늄 코일인 권선은 전류가 흐르면서 가열됩니다. 이는 전기 저항의 자연스러운 부산물입니다. 이 열의 대부분은 냉각수 역할을 하는 주변 오일로 소산되지만, 항상 열이 갇히는 영역이 있습니다. 촘촘하게 채워진 권선 회전 사이, 연결부 근처 또는 절연 성능이 저하된 부분입니다. 이러한 갇힌 지점은 핫스팟이며 과열이 변압기 고장의 가장 큰 단일 원인이기 때문에 매우 중요합니다. 변압기 수명에 대한 업계 표준은 평균 오일 온도를 기준으로 하지만 핫스팟은 평균 온도보다 섭씨 20~50도 더 높은 온도에 도달할 수 있어 추가 열이 섭씨 10도 증가할 때마다 절연 수명이 절반으로 단축됩니다. 이는 비선형 위험이므로 이러한 핫스팟에 대한 데이터는 있으면 좋을 뿐만 아니라 필수적입니다.

Transformer Winding Hot Spot Monitoring 시스템으로 캡처하는 첫 번째 데이터 유형은 실시간 핫스팟 온도 판독값입니다. 이는 일부 레거시 시스템에서 사용하는 15분 또는 30분 간격이 아닌 진정한 실시간을 의미합니다. 당사의 센서는 권선, 주로 열이 가장 많이 축적되는 영역에 직접 설치되며 10초마다 온도를 측정합니다. 이는 과잉이 아닙니다. 특히 피크 시간대나 폭풍으로 인해 인근 전선이 끊어지고 변압기에 추가 전류가 흐르게 되는 경우 그리드 부하는 지속적으로 변경됩니다. 예를 들어, 시카고의 한 변전소는 최근 이 데이터를 사용하여 그리드가 정격 부하의 90%에 있었던 월요일 저녁 혼잡 시간 동안 섭씨 118도까지 치솟는 핫스팟을 포착했습니다. 10초 동안의 데이터 스트림이 없었다면 유지 관리 팀은 정각에 오일 온도(안전한 72도)를 확인했지만 경고 신호를 놓쳤을 것입니다. 핫스팟은 권선 탭의 느슨한 연결로 인해 발생했으며 다음 폭염 중에 갑작스러운 고장을 처리하는 대신 사소한 부하 강하 중에 수리 일정을 잡을 수 있었습니다.

그러나 원시 온도 수치는 이야기의 일부일뿐입니다. 우리는 또한 시간이 지남에 따라 상대적인 핫스팟 온도 추세를 수집하며, 여기서 데이터는 단지 반응적인 것이 아니라 예측이 됩니다. 단 한 번의 급상승도 우려되지만, 현재 안전 범위 내에 있는 온도에서도 지속적인 상승 추세는 문제가 발생하고 있다는 신호일 수 있습니다. 예를 들어, 휴스턴의 한 변압기에는 평균 오일 온도가 일정하게 유지되었음에도 불구하고 2주 동안 섭씨 3도 상승한 핫스팟이 있었습니다. 우리 시스템의 분석은 이러한 추세를 표시했으며 팀이 조사한 결과 권선의 해당 부분으로의 냉각 오일 흐름이 탱크에 스며든 작은 잔해 조각에 의해 제한된다는 사실을 발견했습니다. 제한 사항이 더 심해지기 전에 필터를 청소했는데, 이로 인해 핫스팟이 완전히 고장날 수 있었습니다. 이러한 종류의 추세 데이터는 최신 모니터링 시스템에서 가장 활용도가 낮은 이점 중 하나이며, 빈도가 낮은 테스트 방법으로는 얻을 수 없는 것입니다.

또 다른 주요 데이터 세트는 전기 부하 및 주변 조건과의 핫스팟 온도 상관관계입니다. 우리는 핫스팟 판독값을 변압기 부하(암페어 또는 MVA로 측정), 주변 공기 온도 및 오일 유량에 대한 실시간 데이터와 결합합니다. 이를 통해 다음과 같은 질문에 답할 수 있습니다. 이 핫스팟은 더운 날 변압기를 최대 부하로 가동할 때 나타나는 부작용인가요, 아니면 주의가 필요한 비정상적인 상승인가요? 예를 들어, Phoenix의 변압기는 주변 온도 섭씨 45도에서 85% 부하로 작동하고 있었고 핫스팟은 105도였습니다. 이는 해당 조건에서 예상되는 범위 내에 있었기 때문에 조치가 필요하지 않았습니다. 다음 주에는 동일한 변압기의 부하가 70%, 주변 온도도 같았고 핫스팟은 110도까지 뛰어올랐습니다. 이러한 불일치는 팀에 문제가 있음을 알려주었고 권선 절연이 저하되기 시작하여 저항이 증가하고 추가 열이 발생한다는 것을 발견했습니다. 핫스팟 데이터를 부하 및 주변 조건과 연관시키지 않으면 두 번째 스파이크가 정상적인 것으로 기록되어 장기적인 손상이 발생했을 것입니다.

열은 단지 온도에 관한 것이 아닙니다. 우리는 권선 전반에 걸쳐 열 변화도 데이터도 캡처합니다. 구배는 권선의 인접한 지점 사이의 온도 차이이며 갑작스럽고 예상치 못한 구배는 권선 변형의 징후일 수 있습니다. 변압기는 단락, 부하 변화 또는 심지어 지진 활동으로 인해 시간이 지남에 따라 기계적 응력을 받을 수 있으며 이로 인해 권선이 이동하거나 구부러질 수 있습니다. 한때 밀리미터 떨어져 있던 두 개의 인접한 권선이 움직일 경우, 그 사이의 열은 같은 방식으로 소멸될 수 없어 급격한 온도 구배로 이어집니다. 소규모 지진을 경험한 로스앤젤레스의 고객이 있었는데, 핫스팟 모니터링 시스템은 인접한 두 구불구불한 회전 사이에서 섭씨 12도의 경사도를 포착했습니다. 여기서 정상적인 경사도는 2도여야 했습니다. 그들은 전체 와인딩 검사를 수행하고 사소한 변형을 확인할 수 있었으며 내부 단락이 발생하기 전에 수정했습니다. 이러한 종류의 열 구배 데이터는 열 변화를 권선의 기계적 문제와 직접 연결하기 때문에 특수 핫스팟 모니터링을 다른 도구와 차별화하는 것입니다.

이제 분명히 말씀드리고 싶은 것은 핫스팟 데이터는 다른 중요한 변압기 모니터링 도구를 대체하기 위한 것이 아니라 이를 보완하기 위한 것입니다. 그렇기 때문에 우리는 변압기 용해 가스 분석기와 같은 도구를 사용하여 절연 성능 저하의 부산물인 메탄, 에틸렌 또는 아세틸렌과 같은 가스를 추적하는 유틸리티와 협력하는 경우가 많습니다. 핫스팟 데이터는 해당 가스 판독값에 대한 컨텍스트를 제공합니다. 용존 가스 분석기가 가연성 가스의 증가를 표시하는 경우 핫스팟 데이터는 와인딩에서 저하가 발생하는 위치와 그 심각도를 알려줄 수 있습니다. 마찬가지로, 변압기 코어 접지 전류 모니터는 코어와 권선에 추가 가열을 일으킬 수 있는 표류 전류를 추적합니다. 해당 부하나 주변 변화 없이 핫스팟이 상승하는 경우 코어 접지 전류를 확인하면 다른 열원을 배제할 수 있습니다. 그리고 파손으로 이어질 수 있는 절연 손상의 징후인 부분 방전의 경우, 부분 방전 이벤트가 핫스팟 온도 상승을 동반하는지 핫스팟 데이터를 통해 방전이 적극적으로 손상을 일으키고 있음을 확인할 수 있습니다.

우리 시스템이 제공하는 가장 가치 있는(종종 간과되는) 데이터 중 하나는 안전한 클라우드 기반 플랫폼에 저장된 과거 핫스팟 성능 데이터입니다. 유틸리티 회사에서는 이 데이터를 사용하여 해당 차량의 각 변압기에 대한 장기 자산 상태 프로필을 구축합니다. 이는 유지 관리 계획, 예산 할당, 심지어 수명 연장 결정에도 도움이 됩니다. 예를 들어, 남동부의 한 전력회사에는 20개의 변압기가 있었는데 모두 15년 전에 설치된 동일한 모델이었습니다. 지난 3년 동안의 핫스팟 데이터를 비교함으로써 그들은 4개의 변압기가 다른 것보다 5도 더 높은 일관된 핫스팟 경향을 가지고 있음을 발견했습니다. 그들은 이 데이터를 사용하여 초기 검사 및 유지 관리를 위해 변압기 4개에 우선 순위를 지정함으로써 정전 및 수리 비용으로 약 200만 달러가 소요될 수 있는 잠재적인 오류를 방지했습니다. 이러한 종류의 차량 수준 분석은 시간이 지남에 따라 일관되고 정확한 핫스팟 데이터가 있는 경우에만 작동하며 이것이 바로 우리 시스템이 제공하는 것입니다.

이제 유틸리티 팀에서 자주 듣는 질문인 "수학 모델을 사용하여 핫스팟 온도를 계산할 수는 없나요?"에 대해 답변해 보겠습니다. 짧은 대답은 다음과 같습니다. 특히 변압기가 노후화됨에 따라 정확하지 않습니다. 레거시 모델은 평균 오일 온도, 부하 및 기타 몇 가지 변수를 사용하여 핫스팟 온도를 추정하지만 권선 변형, 오일 흐름을 제한하는 잔해 또는 불균일한 절연 성능 저하와 같은 사항을 고려하지 않습니다. 우리는 오래된 변압기에서 핫스팟 온도를 15~20도 정도 과소평가한 모델을 본 적이 있는데, 이는 모든 온도가 중요할 때 큰 차이입니다. 당사의 센서는 권선에 직접 설치되므로 외부 측정에 따른 추정치가 아닌 열이 발생하는 지점의 실제 온도를 포착합니다. 이것이 바로 당사의 변압기 권선 핫스팟 모니터링 시스템이 기존 모델 기반 접근 방식에 비해 중요한 업그레이드인 이유입니다.

또한 유지 관리 팀을 위한 실용적인 측면도 다루고 싶습니다. 우리 시스템의 데이터는 간단하고 실행 가능한 대시보드에 표시되므로 이를 이해하기 위해 전기 공학 박사 학위가 필요하지 않습니다. 경고는 각 변압기의 작동 매개변수에 따라 맞춤화되므로 정상 수준에서 실행될 때가 아니라 실제로 문제가 있을 때만 알림을 받을 수 있습니다. 예를 들어, 추운 기후에서 작동하는 변압기는 덥고 건조한 기후에서 작동하는 변압기와 안전한 핫스팟 온도가 다르며, 당사 시스템은 이에 따라 경보를 조정하도록 프로그래밍되어 있습니다. 이는 유지 관리 팀이 관련 없는 데이터를 선별하는 데 소요되는 시간을 줄이고 실제 문제를 해결하는 데 더 많은 시간을 사용하여 계획되지 않은 가동 중단을 줄이고 변압기 수명을 연장한다는 의미입니다.

물론 완벽한 모니터링 시스템은 없습니다. 따라서 당사는 다른 표준 변압기 모니터링 장비와 호환되도록 핫스팟 모니터링 도구를 설계합니다. 변압기 용해 가스 분석기, 변압기 코어 접지 전류 모니터 또는 변압기용 온라인 부분 방전 모니터링 시스템을 이미 사용하고 있는지 여부에 관계없이 당사의 핫스팟 데이터는 이러한 도구와 원활하게 통합되어 변압기 상태에 대한 전체적인 보기를 생성합니다. 이러한 통합은 데이터 사일로를 제거하므로 코어 접지 전류의 증가가 핫스팟 스파이크와 어떻게 연관되는지, 용존 가스 수준이 열 추세와 어떻게 일치하는지와 같이 변압기의 다양한 측면이 어떻게 상호 작용하는지 확인할 수 있기 때문에 중요합니다.

수년에 걸쳐 나는 치명적인 변압기 고장을 처리해야 했던 수십 명의 유틸리티 엔지니어와 이야기를 나눴습니다. 그들이 모두 언급하는 한 가지는 더 나은 데이터로 얼마나 많은 비용과 가동 중지 시간을 절약할 수 있었는지였습니다. 일반적인 변압기 고장은 수리 및 교체 비용으로 $100,000 이상이 소요될 수 있으며 고객 정전으로 인해 수백만 달러의 수익 손실이 발생할 수 있습니다. 핫스팟 모니터링 시스템의 데이터는 화면에 표시되는 단순한 숫자가 아닙니다. 이는 예정된 유지 관리 중에 사소한 문제를 해결하는 것과 해결하는 데 며칠이 걸리는 대규모 비상 사태를 처리하는 것의 차이입니다.

이 글을 읽고 계시다면 귀하는 운영을 계속하기 위해 변압기에 의존하는 유틸리티, 산업 플랜트 또는 에너지 회사의 일원일 가능성이 높습니다. 귀하는 이러한 자산이 얼마나 중요한지 알고 있으며 유지 관리 비용을 줄이고, 자산 수명을 연장하고, 계획되지 않은 가동 중단을 방지할 수 있는 방법을 찾고 있을 것입니다. 특수 변압기 권선 핫스팟 모니터링 시스템의 데이터는 귀하의 차량에 할 수 있는 가장 영향력 있는 투자 중 하나입니다. 이는 문제가 시작된 후에 잡는 것뿐만 아니라 문제가 발생하기 전에 예측하고 그리드 안정성을 유지하는 데이터 기반 결정을 내리는 것입니다.

핫스팟 데이터가 변압기 유지 관리 전략을 어떻게 변화시킬 수 있는지 자세히 알아볼 준비가 되었거나 당사 시스템이 변압기 용존 가스 분석기 또는 변압기용 온라인 부분 방전 모니터링 시스템과 같은 기존 도구와 어떻게 통합되는지 확인하려는 경우, 우리가 도와드리겠습니다. 소규모 변전소를 관리하든 대규모 변압기를 관리하든 당사는 귀하와 협력하여 귀하의 특정 요구 사항에 맞는 솔루션을 설계할 수 있습니다. 핫스팟이 고장으로 바뀔 때까지 기다리지 마세요. 지금 바로 올바른 데이터로 변압기 상태를 관리하세요.

변압기 권선 핫스팟 모니터링 시스템에 대해 자세히 알아보고 변압기 모니터링 솔루션 전체를 살펴보려면 당사 웹사이트를 방문하십시오. 조달, 기술 사양 또는 맞춤형 차량 솔루션에 대한 문의 사항이 있는 경우 당사 팀과 연결하여 특정 요구 사항에 대해 논의하시기 바랍니다.

참고자료

1. IEEE Std C57.106-2018, 장비 내 절연유 승인 및 유지 관리 지침
2. EPRI. (2020). 변압기 모니터링 및 진단: 유틸리티를 위한 모범 사례 가이드
3. 왕(Wang), Y., 외. (2019). “전력 변압기의 핫스팟 온도 추정: 모델 기반 및 센서 기반 방법 검토.” 전력 공급에 관한 IEEE 거래, vol. 34, 아니. 2, 684-693페이지
4. 북미전기신뢰성공사(NERC). (2021). 대량 전력 시스템에 대한 변압기 신뢰성 지침