용존가스해석

용해 가스 분석(DGA)은 전기 변압기 오일 오염물질의 검사다.^[1] 전기 장비 내의 절연 물질은 시간이 지남에 따라 서서히 분해되면서 가스를 방출한다. 이러한 용해 가스의 구성과 분포는 열분해나 부분방출과 같은 열화의 영향을 나타내는 지표로, 가스발생률은 심각도를 나타낸다.^[2] DGA는 예방 정비 프로그램에 유익하다.

석유 절연 변압기의 기체 수집 및 분석은 1928년^{[citation needed]} 초에 논의되었다. 2018년을^[update] 기점으로 다년간의 실증적, 이론적 연구가 변압기 단층기체 분석에 들어갔다.

DGA는 보통 오일을 시료 채취하여 시료를 실험실로 보내 분석하는 것으로 구성된다. 이동식 DGA 장치도 현장에서 수송 및 사용할 수 있으며, 일부 장치는 변압기에 직접 연결할 수 있다. 전기장비의 온라인 모니터링은 스마트 그리드의 필수적인 부분이다.

기름

대형 전력 변압기는 변압기 권선을 냉각시키고 절연시키는 기름으로 채워진다. 미네랄 오일은 옥외 변압기에서 가장 흔한 유형이다; 내화성 유체는 또한 폴리염소화 비페닐과 실리콘을 포함한다. ^[3]

절연 액체는 내부 부품과 접촉한다. 변압기 내부의 정상적, 비정상적 사건에 의해 형성된 기체는 기름에 용해된다. 용해된 가스의 부피, 종류, 비율, 생산률을 분석함으로써 많은 진단 정보를 수집할 수 있다. 이 가스들은 변압기의 결함을 드러낼 수 있기 때문에 "결함 가스"라고 알려져 있다. 가스는 산화, 기화, 절연 분해, 오일 분해 및 전해 작용에 의해 생성된다.

샘플링

오일 샘플 튜브

오일 샘플 튜브는 모든 고장 가스가 용해된 변압기 내부와 동일한 조건에서 변압기 오일 샘플을 끌어다 보관하고 운반하는 데 사용된다.

150ml 또는 250ml 용량의 가스가 꽉 찬 붕소실산염 유리관으로 양쪽 끝에 2개의 밀폐 테플론 밸브가 있다. 이들 밸브의 출구는 변압기에서 샘플을 끌어내는 동안 합성 튜브의 편리한 연결에 도움이 되는 나사산이 제공되었다. 또한 이 조항은 대기에 노출되지 않고 다중 가스 추출기의 샘플 오일 뷰렛에 오일을 전달하여 용해되고 진화된 모든 고장 가스 함량을 유지하는데 유용하다.

튜브 한쪽에는 수분 함량을 테스트하기 위해 샘플 오일을 그릴 수 있는 중격 배열을 갖추고 있다.

써모 폼 박스는 위의 오일 샘플 튜브를 햇빛에 노출되지 않고 운반하는 데 사용된다.

유리 주사기

기름 주사기는 변압기에서 기름 샘플을 얻는 또 다른 수단이다. 주사기의 부피는 범위가 넓지만 일반적으로 50ml 범위에서 찾을 수 있다. 주사기는 분석 전에 검체의 무결성을 유지하기 때문에 품질과 청결도가 중요하다.

추출

DGA 기법은 기름에서 가스를 추출하거나 떼어내 가스 크로마토그래프(GC)에 주입하는 것으로 가스 농도의 검출은 보통 불꽃이온화 검출기(FID)와 열전도도 검출기(TCD)를 사용한다. 대부분의 시스템은 또한 메탄화제를 사용하는데, 메탄가닉은 매우 민감한 센서인 FID에서 연소되어 검출될 수 있도록 존재하는 일산화탄소와 이산화탄소를 메탄으로 변환한다.^[4]

"랙" 방법

원래의 방법인 현재 ASTM D3612A는 기름에서 대부분의 가스를 제거하기 위해 정교한 유리 밀봉 시스템에서 고진공을 해야 했다. 그리고 나서 이 가스는 수은 피스톤으로 진공을 깨뜨려 등급이 매겨진 튜브로 측정되었다. 이 가스는 기체밀착 주사기가 달린 중격막을 통해 졸업된 컬럼에서 떼어낸 뒤 곧바로 GC에 주입됐다.

멀티 스테이지 가스 추출기

Multi Stage Gas Extractor는 변압기 오일을 샘플링하는 장치다. 2004년 인도 방갈로르 중앙전력연구소는 추출된 기체의 부피가 증가하지 않을 때까지 동일한 샘플의 변압기 오일을 주위 온도에서 진공에 여러 번 노출시킬 수 있는 새로운 방법을 도입했다. 이 방법은 닭신연구소 방갈로르가 트랜스포머 오일 멀티 스테이지 가스 추출기를 제공하기 위해 추가로 개발했다. 이 방법은 ASTM D 3612A를 즉석에서 개조한 것으로, 단일 추출 대신 다중 추출이 가능하며, 토플러 원리에 기초한다.

이 기구에서 샘플 오일의 고정 부피는 샘플 튜브에서 진공 상태에서 탈가스를 배출하는 용기로 직접 흡입된다. 이러한 기체는 수은 피스톤을 사용하여 대기압에서 부피를 측정하고 이후 기체밀착 주사기를 사용하여 기체 크로마토그래프로 전달하기 위해 격리된다.

시드니(호주)에서 30년 이상 동안 진공 펌프와 토플러 펌프를 사용하여 원칙적으로 매우 유사한 설계와 다중 가스 추출 기능을 제공하는 기구가 사용되어 왔다. 이 시스템은 케이블 오일뿐만 아니라 전력 및 계기 변압기에 사용되고 있다.

머리 공간 추출

머리 공간 추출은 ASTM D 3612-C에 설명되어 있다. 가스의 추출은 가스를 밀폐된 바이알의 '머리 공간'으로 배출하기 위해 기름을 가열하고 가열함으로써 달성된다. 일단 기체를 추출한 후 기체 크로마토그래프로 보내진다.

HSSE(Headspace Sorptive 추출) 또는 SBSE(Stirbar Sorptive 추출)와 같은 전문 기술이 존재한다.^[5]

분석

변압기에서 가스가 발생하면 몇 개의 가스가 생성된다. 충분한 유용한 정보는 9개의 기체로부터 도출될 수 있기 때문에 추가 기체는 보통 조사되지 않는다. 검사된 9개 기체는 다음과 같다.

• 대기 가스: 질소와 산소
• 탄소의 산화물: 일산화탄소와 이산화탄소
• 탄화수소: 아세틸렌, 에틸렌, 메탄 및 에탄
• 수소의

샘플 오일에서 추출한 가스는 기둥이 가스를 분리하는 기체 크로마토그래프에 주입된다. 기체는 크로마토그래프로 주입되어 기둥을 통해 운반된다. 이 열은 샘플 가스를 선택적으로 억제하며 샘플 가스는 다른 시간에 검출기를 지나갈 때 식별된다. 검출기 신호 대 시간의 플롯을 크로마토그램이라고 한다.

분리된 기체는 대기 가스의 열전도도 검출기, 탄화수소 및 탄소의 산화물에 대한 불꽃 이온화 검출기에 의해 검출된다. 메탄화기는 탄소의 산화물들이 매우 낮은 농도에 있을 때 그것들을 메탄으로 감소시킴으로써 그것들을 감지하기 위해 사용된다.

고장 유형

고체 절연 분해의 부산물 유무에 의해 열적 결함을 감지한다. 고체 단열재는 일반적으로 셀룰로오스 물질로 구성된다. 고체 단열재는 자연 분해되지만 단열재 온도가 올라가면 속도가 높아진다. 전기적 결함이 발생하면 절연 유체의 화학적 결합을 파괴하는 에너지를 방출한다. 일단 결합이 깨지면 이러한 요소들은 신속하게 단층 가스를 개혁한다. 가스가 형성되는 에너지와 속도는 가스 데이터를 검사하여 전기 장비 내에서 발생하는 고장 활동의 종류를 결정할 수 있도록 하는 각 기체에 대해 다르다.

• 과열된 권선은 일반적으로 셀룰로오스 절연체의 열분해를 초래한다. 이 경우 DGA 결과는 높은 농도의 탄소 산화물을 보여준다. 극단적인 경우에는 메탄과 에틸렌이 더 높은 수준에서 검출된다.
• 기름과열은 열에 의한 액체의 분해와 메탄, 에탄, 에틸렌의 형성을 초래한다.
• 코로나는 부분 방전이며 DGA에서 수소 상승에 의해 검출된다.
• 아크는 변압기에서 가장 심각한 상태며 아세틸렌의 낮은 수준으로 표시된다.

적용

특정 변압기에 대해 얻은 결과를 해석하려면 장치의 연령, 적재 주기, 오일 필터링 등 주요 유지 보수 일자에 대한 지식이 필요하다. IEC 표준 60599와 ANSI IEEE 표준 C57.104는 존재하는 가스의 양과 가스 쌍의 부피 비율에 기초하여 장비 상태를 평가하기 위한 지침을 제공한다.^[6]

샘플을 채취해 분석한 후 DGA 결과를 평가하기 위한 첫 번째 단계는 각 키 가스의 농도 수준(ppm 단위)을 고려하는 것이다. 다양한 가스 농도의 변화율을 평가할 수 있도록 시간 경과에 따라 각 기체 값을 기록한다. 키 가스 농도의 급격한 증가는 변압기 내부의 잠재적 문제를 나타낸다.^[7]

진단 기법으로서의 용해 가스 분석에는 몇 가지 한계가 있다. 그것은 결함을 정확히 국소화할 수 없다. 변압기에 신선한 오일을 주입한 경우 결과는 고장을 나타내지 않는다.^[6]

참조