여기서 말하는 변압기란 전력계통에서 연계되어 운전하고 있는 대용량 전력용 변압기를 일컫습니다.
변압기의 보호방식에는 크게 기계적보호와 전기적보호로 나뉘며, 기계적보호장치는 765kV, 345kV, 154kV 변압기 모두 비슷한 구조이기 때문에 154kV 변압기에 포커스를 맞추고 살펴보겠습니다.
변압기에서 사용되고 있는 기계적보호장치는 기구번호로는 96으로 쓰고 뒤에 문자를 추가하여 각 장치들에 명칭을 부여하고 있습니다.
⊙ 96P : 충격압력계전기
⊙ 96D : 방압변
⊙ 96G : 가스검출계전기
⊙ 96B : 부흐홀쯔계전기
⊙ 96T : OLTC보호계전기
변압기를 기계적으로 보호하겠다는 것은 변압기 고장이 발생했을 때 물리적인 변화를 감지하여 고장으로부터 보호하겠다는 것이 기본 컨셉입니다. 그럼 변압기에 고장이 발생했을 때 변압기에 생길 수 있는 물리적인 변화가 무엇이 있을까요?
변압기 내부고장으로 인해 큰 고장전류가 유입되면 옴의 법칙으로 인한 열손실로 인해 권선의 온도도 높아지게 됩니다. 급격한 온도 상승으로 인해 절연유의 팽창으로 변압기 내부 압력의 상승과 내부고장 시 발생한 아크(Arc)로 인해 절연유에 화학반응이 발생하면서 기체도 발생하는 현상이 일어납니다. 이런 순간적인 압력상승과 발생하는 기체(가스)를 감지하여 변압기를 보호하겠다는 것이 기계적보호장치들의 1차적인 목적이 되겠습니다.
※사진출처 : Heat analysis of the power transformer bushings in the transient and steady states considering the load variations - ScienceDirect
◎ 96B, 부흐홀쯔계전기
이번 글에서 소개할 부흐홀쯔계전기의 핵심 키워드는 '유속(流速)'입니다. 키워드에서 알 수 있듯이 흘러서 지나가는 속도에 비례하여 구동되는 메커니즘으로 접점이 붙으면서 계전기가 동작하게 되는 원리입니다. 그렇다면 뭐가 지나가는 걸까요??
변압기 내부고장 시 아크(Arc)발생에 의해서 절연유의 화학반응으로 기체가 발생하며 이때 발생된 가스가 부흐홀쯔계전기를 통과하는 것으로 볼 수 있는데요. 이는 변압기의 구조를 먼저 알고 보면 이해하기 쉽습니다.
부흐홀쯔계전기의 원리에 대해서 설명하는 유튜브 영상이 아주 좋은 자료가 있어서 링크 걸어드립니다.
→ 학습을 위한 것임을 알려드리며, 본 영상에 대한 광고는 아님을 알립니다.
Maitenance of transformer (slideshare.net)
Maitenance of transformer
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www.slideshare.net
위의 사이트에서 부흐홀쯔계전기에 대한 내용 또한 설명되어 있으며 이는 위의 영상에서 보여주는 것과 아주 흡사한 내용입니다. 하지만 학습하는 입장에서 영어원문해석을 통해 계전기의 동작원리도 한 번 파악해보겠습니다.
우선 그 전에 이 글에서 등장하게 될 '컨서베이터'에 대한 이해가 필요한데요.
※사진출처 : 효성중공업 > 사업분야 > 송배전설비 > 배전유입변압기 (hyosungheavyindustries.com)
위의 빨간원으로 표시된 녀석이 컨서베이터(Conservator)라고 불리는 장치입니다. 주요 역할은 절연유를 사용하는 유입변압기의 경우 절연유가 공기와 접촉하면 *열화가 발생하기 때문에 이를 방지하기 위해서 변압기 본체 상부에 컨서베이터를 설치하여 본체에는 공기가 존재하지 않게 됩니다.
*열화 : 절연체가 외부적인 영향이나 내부적인 영향에 따라 화학적, 물리적 성질이 나빠지는 현상
위 그림에서도 볼 수 있듯이 컨서베이터 내부에는 공기막이 있어서 절연유와 공기의 접촉을 방지하는 역할을 하게 됩니다. 변압기의 *호흡작용도 공기막의 부피조절로 이루어지게 되는 것으로 볼 수 있습니다.
*호흡작용 : 변압기의 온도변화로 절연유가 팽창과 수축이 발생하는데 이런 변화에 대응하여 공기가 들어오고 나오는 것
그럼 이제 부흐홀쯔계전기에 대해서 본격적으로 살펴 보겠습니다.
[1] The Buchholz relay has two oil-filled chambers with floats and relays arranged vertically one over the other.
▶ 부흐홀쯔계전기는 절연유로 가득찬 챔버 내에 수직으로 서로 배열된 2개의 부표와 relay들(그림에서는 Switch라고 보는 것이 맞을 것 같습니다.)이 있습니다.
위의 사진에서 계전기 내 구조만 살펴보면 평소에는 절연유가 채워져있어서 부표가 떠있는 상태일 겁니다.
[2] If high eddy currents, local overheating, or partial discharges occur within the tank, bubbles of resultant gas rise to the top of the tank. These rise through the pipe between the tank and the conservator.
▶ 변압기 탱크 내에서 철심에 높은 와전류가 흐르거나 변압기 과열 또는 *부분방전으로 인해 아크가 발생하면서 생성된 가스들이 컨서베이터와 변압기 몸체 사이에 있는 관을 통해 이동하면서 계전기에도 포집이 될 겁니다.
*부분방전 : 사전적인 의미로는 '전극과 전극 사이에서 일어나지 않고 한 부분에 생기는 방전을 총칭한다.'고 하는데 쉽게 얘기하면 어떤 불순물이나 수분 등 뭔가 불안정한 곳에 전계가 집중되는 현상이 발생하면서 절연열화가 그 부위를 중심으로 집중적으로 진행된다고 보시면 될 것 같습니다. (전 이렇게 이해했는데 혹시 명확하게 아는 분이 계시다면 댓글로 알려주세요..!)
[3] As gas builds up inside the chamber, it displaces the oil, decreasing the level.
▶ 발생된 가스는 챔버안에 쌓이면서 절연유를 밀어내고 유면은 낮아질 겁니다.
[4] The top float descends with oil level until it passes a magnetic switch which activates an alarm.
▶ 상부에 있는 부표는 유면에 맞춰서 내려갈거고, 마그네틱스위치 부근을 통과하면 알람을 내주는 접점이 붙어 동작하게 됩니다.
[5] The bottom float and relay cannot be activated by additional gas build up. The float is located slightly below the top of the pipe so that once the top chamber is filled, additional gas goes into the pipe and on up to the conservator.
▶ 하부에 있는 부표와 접점은 추가적으로 가스가 포집됨에 따라서 동작은 되지 않는다고 합니다. 하부에 있는 부표는 파이프보다 약간 아래에 위치해있어서 가스가 계속 포집이 되면 아무래도 컨서베이터쪽으로 이동할 것 같네요.
[6] If the oil level falls low enough(conservator empty), switch contacts in the bottom chamber are activated by the bottom float.
▶ 만약에 컨서베이터가 아예 빈 상태가 될 정도로 절연유 레벨이 낮아지면 하부에 있는 부표에 의해서 스위치가 붙어 계전기는 동작하게 될 것이라고 하네요.
[7] These contacts are typically connected to cause the transformer to trip. A magnetically held paddle attached to the bottom float is positioned in the oil-flow stream between the conservator and transformer tank.
▶ 이런 접점들은 변압기를 Trip시키는 것으로 연계가 되는데요. 위 그림에서 보이는 하부 측 부표에 설치되어 있는 paddle은 컨서베이터와 변압기 탱크 사이에 절연유가 흘러가는 통로에 위치해 있습니다.
[8] Normal flows resulting from teperature changes are small and bypass below the paddle. If a fault occurs in the transformer, a pressure wave(surge) is created in the oil. This surge travels through the pipe and displaces the paddle. The paddle activates the same magnetic switch as the bottom float mentioned above, tripping the transformer.
▶ 일반적인 온도변화에 의한 절연유의 흐름은 paddle아래쪽으로 형성이 되기 때문에 동작할 일이 없다고 하구요. 만약에 고장으로 압력파가 발생하면 이 때 발생한 절연유의 흐름은 paddle을 밀어낼 겁니다. paddle은 하부 측 부표에 있는 마그네틱스위치와 동일하게 역할을 수행해서 변압기를 Trip시키도록 합니다.
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