3.1 4.0 kV 전동기 흡습 및 건조 상태에서 절연특성 평가

고압전동기 절연진단 시험 중에 절연저항과 성극지수는 양호하지만, 교류전압 증가에 따라 유전정접 크기가 매우 높게 측정되어 고정자 권선 표면의 흡습 상태를 의심하게 되었다. 고압전동기는 회전자가 분리된 상태이며, 10일 동안 계속 비가 내려서 고정자 권선 표면의 흡습이 예측됨에 따라 온풍기를 사용하여 건조하였다. 흡습 상태와 건조 상태에서 절연진단 시험을 수행하기 위해 절연저항, 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 커패시턴스를 측정하여 비교하였다. 표 2는 고압전동기 고정자 권선에서 흡습 상태와 건조 상태에서 절연진단 시험을 수행한 결과를 나타내었다. 표 2에서 나타낸 바와 같이 흡습 상태에서 절연저항을 측정한 결과 1분 값은 1.83 GΩ, 10분 값은 3.74 GΩ이고, 성극지수(Polarization Index, PI)는 3.14로 계산되었다. 온풍기를 사용하여 하루 동안 건조 후에 절연저항을 측정한 결과 1분 값은 4.10 GΩ, 10분 값은 13.13 GΩ이고, 성극지수는 3.20으로 약간 증가하였으나 1분 값의 절연저항은 2.24배 높게 측정되었다.

고압전동기 고정자 권선은 삼상 일괄로 외부 전원장치에서 교류전압을 0.58 kV에서부터 정격전압 4.0 kV까지 점차적으로 증가하면서 교류전류와 유전정접(tanδ)을 측정하였으며, 교류전류 증가율(△I)과 유전정접 증가율(Δtanδ)은 참고문헌^{[7, 8]}에 의해 계산하였다.

그림 3. 4.0 kV 전동기 고정자 권선의 교류전류-전압 특성

Fig. 3. AC current–voltage characteristics of 4.0 kV motor stator windings

그림 3은 고압전동기를 삼상 일괄로 교류전압을 0.58 kV에서부터 정격전압(4.0 kV)까지 증가하면서 교류전류의 변화를 측정하여 나타내었다. 교류전류-전압 특성 그래프에서 알 수 있듯이 흡습 상태에서 교류전류가 건조한 상태에 비해 약간 높게 측정되었다. 4.0 kV 전동기의 판정기준을 적용하기 위해 정격전압에서 측정한 데이터를 근거로 △I를 계산하였다. 표 2에 나타낸 바와 같이 4.0 kV 전동기 흡습 상태와 건조 상태의 △I는 각각 1.07%, 1.02%이다. 4.0 kV 전동기의 경우 △I는 5.0% 이상이면 불량으로 판정하고 있어서 흡습과 건조 상태에서 △I가 각각 1.07%, 1.02%로 측정되어 양호한 절연상태를 나타내었다^[7].

그림 4에서는 고압전동기 고정자 권선을 삼상 일괄로 교류전압을 0.58 kV에서 정격전압까지 증가하면서 흡습 상태와 건조 상태에서 유전정접(tanδ)의 변화를 측정하여 나타내었다. tanδ–전압 특성 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 교류전압 증가에 따라 약간씩 증가하고 있다. 흡습 상태에서 tanδ는 초기 전압인 0.58 kV에서 7.24%로 시작하였으며, 정격전압에서는 8.37%로 증가하였다. 고압전동기 고정자 권선 표면에 수분이 흡습되면, 전압증가에 따라 손실전류가 비선형적으로 급증한다. 이러한 원인은 극성 분자인 물 분자가 전계 변화에 따라 배향 분극(Orientation Polarization)을 일으키기 때문이다^[9]. 따라서 고압전동기 고정자 권선 표면의 흡습이 유전정접의 전반적인 상승을 초래함을 확인할 수 있었다.

그림 4. 4.0 kV 전동기 고정자 권선의 tanδ–전압 특성

Fig. 4. tanδ–voltage characteristics of 4.0 kV motor stator windings

한편, 흡습 상태의 tanδ가 2.3 kV 부근에서 일시적으로 급격히 상승했다가 이후 감소하는 현상을 나타내었으며, 권선 표면에 형성된 전도성 수분 경로의 국부적 변형 및 분산(Dispersal) 메커니즘으로 설명할 수 있다. 고정자 권선 표면에 흡착된 수분은 미세한 수막(Water Film)이나 연속적인 수분 통로를 형성하여 전도성 누설 전류를 증가시킨다. 전압이 2.3 kV까지 상승함에 따라 이 수분 통로를 따라 누설 전류가 극대화되어 tanδ가 일시적인 피크(Peak)를 형성한다. 그러나 전압이 그 이상으로 증가하면 강한 전기적 스트레스(전계)와 누설 전류 집중으로 인한 국부적 줄열(Joule Heat)이 발생하여 수막의 연속성이 파괴(Disruption)되거나, 수분 입자가 강한 전계에 의해 밀려나면서 분산된다. 이에 따라 일시적으로 전도성 경로가 차단되면서 손실전류가 감소하여 2.9 kV 부근에서 tanδ가 일시적으로 감소하는 경향을 나타내었다.

반면, 고압전동기 고정자 권선의 건조 상태에서는 0.58 kV에서 2.69%, 정격전압에서 3.77%의 tanδ 값을 나타내었다. 0.58 kV 기준으로 흡습 상태에 비해 건조 상태에서 tanδ가 4.55% 감소하였다. 건조 상태에서는 권선 표면의 수분이 완전히 제거되었기 때문에, 3.0 kV까지 커패시턴스와 유전정접은 특이 피크 없이 매우 안정적이고 선형적 추세를 유지한다. 정격전압 기준으로 tanδ는 흡습 상태(8.37%) 대비 건조 상태(3.77%)에서 약 4.6% 감소하였다. 흡습 상태는 수분이 전하를 머금고 있어서 tanδ 자체가 건조 상태보다 훨신 높게 측정되었다. 따라서 건조 공정을 통해 고정자 권선의 절연 성능이 크게 회복되었음을 입증하고 있다. 최종적으로 4.0 kV 전동기 판정 기준을 적용하여 절연상태를 정량적으로 평가하기 위해 정격전압에서 측정된 데이터를 기반으로 유전정접 증가율(Δtanδ)을 도출하였다.

표 2에 나타낸 바와 같이 정격전압에서 고압전동기 고정자 권선의 흡습 상태와 건조 상태의 Δtanδ는 각각 1.00%와 1.05%로 측정되어 두 상태 모두 양호한 절연상태를 나타내었다^[7]. 4.0 kV 전동기의 경우 Δtanδ는 4.0% 이상이면 불량으로 판정하고 있다. 그러나 그림 3과 같이 전압 상승에 따른 tanδ의 변화를 비교할 때, 흡습 상태는 초기 저전압 단계부터 기저값 자체가 높게 형성되므로 Δtanδ는 단일 지표뿐만 아니라 절대적인 유전손실 크기와 비선형적 특성을 종합적으로 고려해야 한다.

그림 5는 고압전동기 고정자 권선에 삼상 일괄로 교류전압을 정격전압까지 인가하면서 흡습 상태와 건조 상태에 따른 커패시턴스의 변화를 측정하였다. 흡습 상태에서 커패시턴스는 0.58 kV에서 46.26 nF으로 측정되고, 정격전압에서는 46.81 nF으로 증가하였다. 반면, 건조 상태는 0.58 kV에서 46.11 nF, 정격전압에서 46.59 nF으로 증가하고, 전체적인 전압영역에 걸쳐 흡습 상태 대비 약 0.15∼0.22 nF 감소한 수치를 나타내었다.

그림 5. 4.0 kV 전동기 고정자 권선의 커패시턴스-전압 특성

Fig. 5. Capacitance–voltage characteristics of 4.0 kV motor stator windings

그림 4와 그림 5에 나타난 바와 같이 고압전동기 고정자 권선의 유전정접과 커패시턴스는 수분 흡습 여부에 따라 교류전압 상승에 대해 뚜렷한 차이를 나타내었다. 특히, 흡습 상태에서 커패시턴스는 1.7 kV, 유전정접(tanδ)은 2.3 kV에서 각각 국부적 피크(Local Peak)를 형성한 후 감소하는 비선형적 현상이 관찰되었다. 이처럼 두 지표의 피크 발생 전압이 상이한 원인은 수막의 변형 과정에서 나타나는 복소 유전율(Complex Permittivity)의 변화 메커니즘으로 설명할 수 있다.

먼저 1.7 kV 부근에서 커패시턴스가 피크를 기록한 것은 물의 높은 비유전율(80)에 기인한다. 전압 상승 초기에는 강한 교류 전계에 의해 권선 표면 물 분자의 배향 분극이 극대화되면서 권선의 복소 유전율 중 실수부(Real Part)가 상승하기 때문이다. 이후 전계가 더욱 강화됨에 따라 누설 전류에 의한 줄열로 수분이 급격히 기화하고 분산되기 시작하면서, 실수부 유전율이 감소하는 물리적 변화가 먼저 발생한 것으로 분석되었다.

반면, tanδ가 커패시턴스보다 높은 2.3 kV에서 피크를 형성하는 이유는 수분 통로의 수축 과정에서 나타나는 저항성 손실전류의 변화 때문이다. 전계에 의해 수분 유전율은 이미 감소하기 시작했으나, 수분 통로가 협소해짐에 따라 국부적인 전류밀도가 극대화되어 복소 유전율의 허수부(Imaginary Part)에 해당하는 저항성 손실전류는 일시적으로 증가한다. 결과적으로 수분 통로를 따라 완전히 증발하여 분산되기 직전까지 손실전류가 극대화되는 시점이 지연되면서, 커패시턴스보다 더 높은 전압 단계에서 tanδ의 피크가 나타난 것으로 분석할 수 있었다.

표 3은 고압전동기 고정자 권선에 삼상 일괄로 교류전압을 인가하면서 흡습 및 건조 상태에 따른 부분방전(PD) 크기를 측정한 결과를 나타내었다. 외부 노이즈는 113∼134 pC 수준이며, PD 크기가 1,000 pC 이상으로 지속해서 검출되는 시점의 전압을 부분방전 개시전압(Partial Discharge Inception Voltage, PDIV)으로 정의하고 있다.

그림 4의 유전정접 특성에서 흡습 상태와 건조 상태의 tanδ가 각각 1.9 kV와 2.8 kV 부근에서 급격히 증가하기 때문에 PDIV 역시 해당 전압영역에서 형성될 것으로 예측할 수 있다. 표 3에 나타낸 바와 같이 실제 측정 결과 흡습 및 건조 상태의 PDIV는 각각 1.9 kV와 2.8 kV로 측정되어 유전정접의 급증점과 거의 일치하였다. 즉, tanδ–전압 특성에서 유전손실이 급격히 증가하는 변곡점은 고정자 권선 내부와 표면에서 PD가 본격적으로 발생하는 시점과 밀접한 상관관계가 있다. 또한, 이 전압은 그림 1의 교류전류-전압 특성에서 나타낸 바와 같이 제1차 전류 급증점인 약 3.0 kV와도 유사한 경향성을 나타내었다. 결과적으로 고압전동기 고정자 권선에 절연열화가 진행되면 유전정접 증가점, 교류전류의 제1차 전류 급증점, 그리고 PDIV가 모두 저전압 방향으로 이동하게 되며, 이는 향후 최종 절연파괴 전압의 저하를 예측할 수 있는 중요한 지표가 될 수 있다^{[9, 10]}.

노후 4.0 kV 전동기는 앞에서 설명한 바와 같이 흡습 상태에서 PDIV는 1.9 kV로 측정됨에 따라 2.31 kV를 인가했을 때 PD 크기는 권선 표면의 흡습 영향으로 인해 2,082 pC을 나타내었다. 반면, 건조 상태에서 PDIV는 2.8 kV이고, 이 전압 이상에서 PD가 발생하기 때문에 2.31 kV에서 PD 크기는 151 pC으로 매우 낮게 측정되었다. 상전압의 1.25배인 2.89 kV에서 흡습 및 건조 상태의 PD 크기는 각각 2,562 pC, 2,775 pC으로 측정되었으며, 정격전압에서는 각각 3,728 pC, 3,880 pC을 나타내었다. 고전압(2.89 kV, 4.0 kV) 영역에서 흡습 상태에 비해 건조 상태에서 PD 크기가 조금 크게 나타난 원인은 전압 상승에 따른 강한 전계와 누설 전류의 줄열로 인해 권선 표면에서 수분 막의 변화와 기화 현상이 부분방전 크기에 영향을 미치기 때문으로 분석되었다. 결과적으로 절연진단 판정 기준의 핵심 전압인 상전압의 1.25배(2.89 kV)에서 두 상태의 PD 크기 모두 관리 기준치인 5,000 pC 이하로 측정되어 전동기의 전반적인 절연상태 자체는 양호한 수준인 것으로 평가되었다^[7].

그림 6은 4.0 kV 전동기의 상전압(2.31 kV), 상전압의 1.25배(2.89 kV), 그리고 정격전압 조건에서 흡습 및 건조 상태에 따른 부분방전(PD) 특성을 위상 분석(PRPD) 패턴과 함께 비교한 결과를 나타내었다. 2.31 kV에서 흡습 상태의 PD 크기는 2,082 pC로 건조 상태의 151 pC보다 높았으나, 2.89 kV와 4.0 kV 고전압 영역에서는 건조 상태의 PD 크기가 오히려 미세하게 높거나 유사한 수준으로 분석되었다. 두 상태 모두 전형적인 내부방전(Internal Discharge)의 특성을 나타내었으며, 저전압 영역의 미세 습분이 방전을 일시적으로 촉진하였으나, 고전압 영역에서 수분 막의 변화와 기화 현상의 영향으로 해석할 수 있었다^{[11, 12]}.

표 3과 그림 4에 나타낸 바와 같이 2.3 kV에서는 흡습 상태의 PD가 높았으나, 2.89∼4.0 kV에서는 건조 상태의 PD가 미세하게 증가한 이유는 수분이 증발하는 과정에서 기포 내부와 불연속적인 경계면은 주변 절연재와의 극심한 유전율 차이로 인해 전계집중이 기하학적으로 극대화되기 때문이다. 따라서 기체 자체의 낮은 절연강도와 열적 이온화 현상이 결합하면서 수분이 증발했음에도 원래의 건조 상태보다 PD가 더 높게 측정되었다.

그림 6 4.0 kV 전동기 부분방전 크기 및 패턴

Fig. 6 PD magnitudes and patterns of a 4.0 kV motor

3.2 6.6 kV 전동기 흡습 및 건조 상태에서 절연특성 평가

표 4는 신규 6.6 kV 전동기 고정자 권선의 건조 상태와 흡습 상태에 따른 절연저항, 성극지수, 교류전류 및 유전정접 시험결과를 나타내었다. 먼저, DC 5 kV를 인가했을 때 절연저항 측정 결과는 건조 상태에서 7.17 GΩ으로 높게 유지하였으나, 흡습 상태에서는 0.81 GΩ으로 급격히 감소하였다. 이와 연계하여 계산된 성극지수는 건조 상태에서는 3.58로 매우 양호한 절연상태를 나타내었으나, 흡습 상태에서는 1.96으로 크게 저하되었다. 흡습 상태에서 성극지수가 감소하는 원인은 권선 표면에 형성된 전도성 수분 경로로 인해 지속적인 표면 누설 전류가 지배적으로 작용하기 때문이다. 즉, 절연물의 고유한 특성인 흡수전류의 감소 경향이 상대적으로 매우 큰 누설 전류 성분에 묻히게 된다. 결과적으로 수분 흡습은 고정자 권선의 단시간 절연저항뿐만 아니라 전반적으로 절연 시스템의 성극지수 특성에도 심각한 변화를 초래함을 정량적으로 확인하였다.

그림 7은 신규 6.6 kV 전동기 고정자 권선에 삼상 일괄로 교류전압을 1.32 kV부터 정격전압(6.6 kV)까지 점진적으로 인가하며 교류전류의 변화를 측정하였다. 교류전류-전압 특성 그래프에서 확인할 수 있듯이, 인가전압 2.5 kV 이상에서 흡습 상태의 교류전류가 건조 상태에 비해 다소 높게 측정되었다. 고정자 권선 표면의 흡습으로 인한 대지 누설 전류 성분이 추가되었기 때문이다. 6.6 kV 전동기의 절연 판정 기준을 적용하기 위해 정격전압에서 측정 데이터를 기반으로 교류전류 증가율(△I)을 산출하였다. 표 4에 나타낸 바와 같이, 6.6 kV에서 흡습 및 건조 상태의 △I는 각각 2.72%, 1.69%를 나타내었다. 6.6 kV 전동기 기준에 따르면 △I가 8.5% 이상일 때 불량으로 판정함에 따라 두 상태 모두 기준치 이하로 측정되어 양호한 절연상태를 유지하고 있는 것으로 평가되었다^[8]. 정량적으로 비교했을 때 수분 흡습으로 인한 교류전류 증가율은 건조 상태 대비 약 1.03% 상승하고 표면 흡습 상태에서도 권선의 전기적 건전성 자체는 안정적으로 확보되었음을 확인하였다.

그림 7. 6.6 kV 전동기 고정자 권선의 교류전류-전압 특성

Fig. 7. AC current–voltage characteristics of 6.6 kV motor stator windings

그림 8은 신규 6.6 kV 전동기 고정자 권선에 삼상 일괄로 교류전압을 정격전압까지 증가시키면서 유전정접(tanδ)의 변화를 측정하여 나타내었다. tanδ–전압 특성 그래프에서 확인할 수 있듯이, 두 상태 모두 인가전압이 상승함에 따라 유전손실이 점진적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 초기 전압인 1.32 kV에서 흡습 상태의 tanδ는 2.28%이며, 정격전압에서는 4.27%로 상승하였다. 이처럼 고압전동기 고정자 권선의 표면이 수분을 흡습하면 유전손실이 전반적으로 증가하게 되는데, 극성 분자인 물 입자가 전계 변화에 대응하여 배향 분극을 일으키기 때문이다. 반면, 건조 상태에서는 1.32 kV에서 0.64%, 정격전압에서 1.85%로 측정되어 전체적인 전압영역에 걸쳐 흡습 상태 대비 유전손실이 크게 감소한 형태를 나타내었다.

그림 8. 6.6 kV 전동기 고정자 권선의 tanδ–전압 특성

Fig. 8. tanδ–voltage characteristics of 6.6 kV motor stator windings

앞에서 설명한 바와 같이 노후 4.0 kV 전동기 고정자 권선의 흡습 상태에서 관찰되었던 국부적 피크와 같이 tanδ의 비선형적 특성이 신규 6.6 kV 전동기에서는 나타나지 않고 비교적 안정적인 증가 추세를 유지하였다. 그 이유는 우수한 절연표면 상태와 내부 습기 침투가 없이 절연상태가 완벽하게 결합되어 있기 때문이다. 그리고 신규 6.6 kV 전동기 고정자 권선의 우수한 절연 표면 상태 덕분에 인위적으로 분사된 수분이 국부적인 수분 통로를 형성하기보다는 표면에 균일하게 잔존하여 전계 집중이나 급격한 수막 파괴 현상을 유발하지 않았기 때문으로 분석되었다. 최종적으로 6.6 kV 전동기의 판정 기준을 적용하여 절연상태를 정량적으로 평가하기 위해 정격전압에서 측정된 데이터를 기반으로 유전정접 증가율(Δtanδ)을 도출하였다^{[7, 8]}.

표 4에 나타낸 바와 같이 정격전압에서 전동기 고정자 권선의 흡습 및 건조 상태에 따른 Δtanδ는 각각 1.99%, 1.21%로 산출되었다. 6.6 kV 전동기 판정 기준에 따르면 Δtanδ가 6.5% 이상일 때 불량으로 판정하는데, 두 상태 모두 기준치 이하로 측정되어 모두 양호한 절연상태를 나타내는 것으로 평가되었다^[8]. 결과적으로 Δtanδ의 지표만을 단독으로 적용할 경우, 수분 흡습 전후의 절연상태에 대한 명확한 변별력을 확보하기는 극히 어렵다. 그러나 그림 7에 나타낸 바와 같이 전압 상승에 따른 tanδ의 연속적인 현상을 분석하면 초기 저전압 단계의 기저값부터 정격전압까지 전체적인 영역에 걸쳐 두 상태 사이에 명확하고 뚜렷한 유전손실 격차가 존재함을 확인할 수 있었다. 고압전동기 고정자 권선의 표면 흡습을 세밀하게 진단하기 위해서는 단일 연산 지표인 Δtanδ 뿐만 아니라 전압 인가에 따른 tanδ의 크기와 특성을 종합적으로 고찰해야 한다.

표 5는 신규 6.6 kV 전동기 고정자 권선의 건조 상태와 흡습 상태에 따른 부분방전(PD) 측정결과를 나타내었다. 시험 당시 주변의 외부 노이즈는 각각 220 pC 및 250 pC 수준으로 측정되었다. 고압전동기의 절연 건전성을 정량적으로 평가하기 위해 6.6 kV 전동기의 상전압(3.81 kV)을 기준으로 설정된 판정 기준을 적용하였다. PD 크기 판정 기준에 따르면 상전압에서 PD 크기가 10,000 pC 이하인 경우 양호, 10,000 pC 초과∼30,000 pC 이하인 경우 요주의 및 30,000 pC를 초과하는 경우 불량으로 평가한다^[8]. 이러한 통계적 판정 기준을 기반으로 수분 흡습 전후의 PD 특성 및 절연상태 변화를 상호 비교하여 분석하였다.

표 5와 그림 9, 10에 나타낸 바와 같이 부분방전 시험결과, PDIV는 건조 상태에서 2.6 kV, 흡습 상태에서 2.5 kV로 측정되었다. 수분 흡습으로 인해 권선 표면의 전계 집중이 유도되면서 PDIV가 미세하게 저하된 것으로 판단된다. 운전 전압별 PD 크기를 비교 분석하면, 상전압(3.81 kV)에서 흡습 상태와 건조 상태의 PD 크기는 각각 6,120 pC, 4,500 pC으로 측정되었다. 또한, 상전압의 1.25배인 4.76 kV에서 흡습 상태는 8,350 pC, 건조 상태는 6,500 pC을 나타내었다. 결과적으로 수분 흡습 상태의 PD 크기가 건조 상태에 비해 3.81 kV에서 1,620 pC, 4.76 kV에서 1,850 pC 만큼 더 높게 측정되어 수분 흡착이 국부적 방전 에너지를 상승시키고 있음을 확인하였다. 다만, 두 상태 모두 상전압(3.81 kV) 기준으로 10,000 pC 이하를 만족하여 절연상태 자체는 양호하게 평가되었다.

그림 9 6.6 kV 전동기 부분방전 크기 및 패턴

Fig. 9 PD magnitudes and patterns of a 6.6 kV motor

그림 10 6.6 kV 전동기 부분방전 크기와 전압 사이의 관계

Fig. 10 Relationship between PD magnitude and voltage of a 6.6 kV motor

한편, 위상 분석 부분방전(PRPD) 패턴을 통해 수분 흡습 전후의 방전 메커니즘 전이 현상을 명확하게 규명하였다. 흡습 상태에서의 PD 패턴은 단말권선(Endwinding) 표면에서 발생하는 전형적인 표면방전(Surface Discharge) 특성을 나타내었다^{[11, 12]}. 반면, 수분이 완전히 제거된 건조 상태에서는 주절연물 내부의 미세 보이드(Micro Voids)에서 기인하는 내부방전 패턴이 지배적으로 관찰되었다^{[11, 12]}. 고압전동기 고정자 권선의 수분 흡습 상태에서 진단하면, 단순히 PD 크기의 정량적 증가뿐만 아니라 PRPD 패턴 상에서 내부방전 패턴이 표면방전 패턴으로 전이되는 경향성을 감지하는 것이 매우 유효한 진단 지표가 될 수 있음을 입증하였다^[11]. 따라서 표면방전의 경우 건조 상태에 비해 흡습 상태일 때 PD 크기가 더 크게 측정되었다.