관심 영역(Area of Interest) 및 우려 수준(Levels of Concern) 확인

아킹은 EMI 분석과 관련된 매우 파괴적인 현상입니다. 이는 비교적 고에너지의 전류 방전이며, 종종 갭 방전이나 코로나와 같은 저에너지 방전 유형과 조합된 형태로 관찰됩니다. 주요 특징은 고에너지 방전으로, 밑부분이 넓게 펴진 형태의 파형이 나타나며 폭이 좁고 날카로운 피크 형태로는 나타나지 않습니다.

아킹은 대부분 도체 간 갭에서 발생하기 때문에, 갭 방전으로 오해받기도 합니다. 그러나 아킹은 순수한 갭 방전 신호 특성보다 더 불규칙하고 에너지 함량이 높습니다. 시스템이 열화됨에 따라, 아킹 패턴은 서로 매우 가까워질 수 있습니다.

이러한 신호 특성은 고주파 대역에서 자주 관찰되고, 발전기 출력 모선(상분리 모선, 분할형 모선, 비분할형 모선, 케이블 모선) 문제와 연관되며, 모선 전이 영역(플렉스 링크, 볼트 연결)의 연결 불량이 원인일 수 있습니다.

저주파에서 아킹 신호 특성이 관찰되면, 전력 정류 회로 및 여자기 연결부의 느슨한 연결이 원인일 가능성이 있습니다.

중간 주파수에서 아킹 신호 특성이 관찰되면, 권선 균열, 브레이즈 접합부 불량, 내부 상 연결부 불량이 원인일 수 있습니다. 중간 주파수에서 이러한 신호 특성이 관찰되는 경우는 드물며, 관찰된다면 발전기 내부 상태에 심각한 우려 사항이 발생했을 가능성이 있습니다.

코로나는 발전기 권선단부와 관련된 공기 공간 또는 수소 공간 내 방전으로 발생합니다. 수소 발전기에서는 코로나가 드물게 관찰되며, 이는 권선 표면의 오염이나 고전압 권선 간격이 부적절함을 의미합니다. 이 경우 60Hz 사인파 패턴 위에 랜덤 노이즈가 겹쳐진 형태로 나타납니다.

이러한 파형은 중간 주파수 대역에서 관찰되며, 권선단부 구조 또는 코어 끝단 근처에서 나타나는 경향이 있습니다. 권선이 코어 구조를 벗어나는 부분에 그라디언트 페인트(Gradient Paint) 또는 테이프 권취 불량이 있을 경우, 이러한 신호 특성이 나타날 수 있습니다.

이는 사실상 아주 파괴적이지는 않습니다. 육안 검사 시 흰색 분말(오존 침적물, 오일이 있는 경우 검은색)이 발견될 수 있으며, 발견할 경우 이를 청소하고 해당 부위 아래의 절연 구조를 점검하여 코로나로 인해 절연체가 열화되고 있는지, 코로나 방전에서 발생한 오존 침적물로 인해 부식되고 있는지 확인해야 합니다.

과거에는 코로나 현상을 방지하기 위해 그라디언트 구조를 수리하고, 문제가 되는 에어 갭을 에폭시 수지로 채우는 방식을 사용하기도 했지만, 대부분은 권선에서 코로나 흔적이 발견되더라도 장기간 고장 없이 운전하기도 합니다. 열화된 절연체를 수리하는 것도 필요하지만, 보통 이것으로는 코로나 발생을 방지할 수 없습니다. 하지만 절연 구조의 수명을 연장할 수는 있습니다.

과거에는 코로나 현상을 방지하기 위해 그라디언트 구조를 수리하고, 문제가 되는 에어 갭을 에폭시 수지로 채우는 방식을 사용하기도 했지만, 대부분은 권선에서 코로나 흔적이 발견되더라도 장기간 고장 없이 운전하기도 합니다. 열화된 절연체를 수리하는 것도 필요하지만, 보통 이것으로는 코로나 발생을 방지할 수 없습니다. 하지만 절연 구조의 수명을 연장할 수는 있습니다.

갭 방전 또는 PD는 절연체 내 공극이나 연결 지점의 에어 갭 사이에서 발생하는 방전 현상입니다. 운모 절연체는 PD에 대해 매우 강하지만, 가교 폴리에틸렌(Cross-Link Polyethylene) 구조(케이블 절연 등)는 매우 예민하여 PD 현상 자체만으로 추가 손상을 입기 쉽습니다. 연결 지점의 부식 영역에 걸쳐 발생하는 방전은, 시간이 지날수록 방전 현상에 따라 연결 지점이 열화되면 아킹 패턴으로 확대될 수 있습니다.

해당 신호 특성이 관찰된 주파수 대역이 저주파(여자기) 영역이라면, 이는 정상적인 다이오드 발진 패턴일 수 있습니다(사인파 주기마다 스파이크 개수에 따라 결정). 이러한 다이오드 발진 패턴은 일반적으로 ‘톤’ 패턴으로 분류되며, 스파이크는 전압 조절기 제어 패턴에 따라 변조됩니다.

반면, (위 신호 특성이) 고주파 대역에서 발생한 신호 특성이라면, 세라믹 절연체 구조 내 갭(볼트 갭, 절연체 균열, 도체와 절연체 사이 공간 등)에 의해 발생했을 가능성이 있습니다.

이는 또한 연결 문제의 초기 신호일 수도 있습니다. 이러한 패턴은 시간 경과에 따라 추적하여, 다중 갭 방전 패턴이나 아킹 패턴으로 열화되는지 관찰해야 합니다.

관찰된 방전은 안정적이거나 불규칙적 방전, 단일 또는 다중 방전일 수 있습니다.

안정적인 단일 방전은 가벼운 부식 또는 단일 공극이 발생했음을 나타냅니다. 안정적인 다중 방전은 다중 부식 또는 다중 공극이 발생했지만 여전히 안정적임을 나타냅니다. 이러한 상태를 시간 경과에 따라 모니터링하여, 강력한 다중 방전 패턴이나 불안정한 신호로 열화되는지 관찰해야 합니다.

불안정한 방전은 느슨한 연결, 느슨한 볼트, 절연체 갭 이동 등, 갭 구조 크기를 변형시키는 상태를 나타냅니다.

위 사례에서 모터의 연결 갭 방전은 아주 낮은 수준에서 시작하고 있습니다. 관심 주파수 수준이 100uV 미만이므로 별도의 조치는 하지 않았습니다. 그러나 이는 시간 경과에 따른 간섭 에너지 증가 여부를 모니터링해야 하는 유형의 신호였습니다.

마이크로 스파크는 아래에서 관찰한 톤과 유사한 패턴으로 나타나지만, 이는 전압과 관련됩니다. 파형은 스파이크가 연속적(Burst)으로 발생하며 사이에 갭이 있는 형태로 나타납니다.

이러한 이상 현상은 일반적으로 전도 경로의 미세한 갭, 즉 연결부 부식이나 서리(Frosting) 등으로 인해 발생합니다. 경우에 따라 이 이상 현상은 더욱 심각한 손상을 일으키는 상태(아킹)로 열화될 수 있습니다.

이러한 상태는 자주 관찰되지는 않지만, EMI 값이 높은 경우에는 주의해야 합니다. 따라서 신호를 발생시키는 결함 위치를 가능한 한 신속히 찾아 점검하고 수리해야 합니다.

이 신호는 오디오로 들었을 때 으르렁거리는 소리처럼 들리기도 합니다.

무선 신호는 대개 매우 독특한 형태로 나타나므로 (전문적으로 설명하면 복잡하지만) 쉽게 알아챌 수 있습니다. 신호는 랜덤 노이즈, 신호 버스트(Burst), 엔벨로프(Envelope)형 신호 순서로 나타납니다.

한 번만 보고 들어도 비교적 쉽게 신호를 식별할 수 있게 됩니다.

이러한 신호는 무선 내용에 간섭하는 다른 관심 신호를 모니터링하는 데 사용합니다. 만약 무선 신호가 간섭 노이즈 신호에 잠식된다면, 이는 일반적으로 결함이 점점 심해지고 있다는 신호입니다.

무선 신호는 주파수 대역이 매우 좁으며, 일반적으로 AM 및 FM 라디오 주파수 대역에서 스펙트럼 내 스파이크로 확인할 수 있습니다. 다이오드 패턴과 같은 다른 톤은 주파수 대역이 이 정도로 좁지는 않지만, 일부 인공 통신 신호는 매우 좁은 대역폭으로 나타나기도 합니다.

일반적으로 랜덤 노이즈는 어떤 형태의 오염으로 인해 발생합니다.

그 예로, 모터에서는 권선이 소금에 오염되어 랜덤 노이즈가 발생했고, 발전기에서는 물 또는 조류에 오염되어 발생했습니다. 해당 모터는 중간의 두 개 주파수 대역만 영향을 받았습니다. 모터의 조사 데이터는 최대 10MHz까지만 수집되었습니다. 해당 발전기는 오염이 심각하여 모든 주파수 대역이 영향을 받았습니다.

랜덤 노이즈 이벤트는 일반적으로 넓은 관심 영역을 차지합니다.

이는 일반적으로 전압 의존성이 없습니다(즉, 코로나와 같은 사인파 패턴을 따르지 않음).

경우에 따라 여자 주파수 대역에서는 여자기 SCR/사이리스터(Thyristor) 스파이크 사이에 나타나는 랜덤 노이즈 현상에 주의해야 합니다. 전압 조정기 또는 여자기 다이오드 영역에 먼지와 오염이 축적되면, 다이오드 펄스 사이의 랜덤 노이즈 수준이 증가합니다. 이는 다음 가동 정지 기간에 여자기 영역을 청소해야 함을 나타냅니다.

또한, 액위(Liquid Level) 감지기 사용을 모니터링하여 해당 신호가 부품으로 물이 누수되면서 발생한 것인지 확인해야 합니다.

이 상태는 겉으로는 평온해 보일 수 있으나, 오염은 절연체 열화를 일으킬 수 있으며, 결과적으로 절연체가 완전히 파손될 수 있습니다.

대부분의 경우, 톤은 인공 신호입니다. 여자 시스템을 청취하면 톤 특성을 가진 소리를 들을 수 있습니다. 오염이 축적되면, 때때로 톤을 간섭하는 정적 노이즈가 들릴 수 있습니다.

톤 패턴은 펄스 열로, 전압 의존성이 없으며 전체 수집 시간에 걸쳐 일정하게 유지됩니다.

톤은 신호가 전송선 통신 시스템, 가변 주파수 드라이브(Variable Frequency Drive, VFD) 등에서 발생했음을 나타냅니다. 이는 모니터링 대상 구조물의 안테나 효과를 통해 수집됩니다.

톤은 시간에 따른 추세를 나타내는 지표로서 매우 유용할 수 있습니다. 만약 톤이 랜덤 노이즈나 다른 파형 프로세스에 잠식되기 시작하면, 이는 인공 신호보다 강한 신호를 발생시키는 결함이 발생하였음을 의미합니다.

이 톤 패턴은 정상적인 여자기/전압 조정기 패턴에서도 자주 관찰됩니다. 펄스 높이는 전압 조정기 제어에 따라 변조되며, 사이리스터 펄스 사이에는 노이즈 패턴이 나타나지 않습니다.

다음 예시에서는 깔끔한 다이오드 펄스 열이 나타나지만, 펄스 패턴 사이에 일부 랜덤 노이즈 현상이 시작되는 모습도 함께 나타납니다. 이를 오디오로 들으면 톤 소리와 함께 탁탁 튀는 소리나 정적이 들릴 수 있습니다.

이 경우, 큰 펄스들은 결함이 아니라 인공적으로 필요한 구성 요소입니다. 이러한 패턴과 관련한 문제를 해결할 때는 신호 기준선에서 감지되는 노이즈 수준을 바탕으로 합니다. 깨끗한 기준선은 시스템이 유지보수가 필요 없는 정상 상태임을 나타냅니다. 기준선이 스파이크로 튀거나 노이즈가 심해지면, 이는 다이오드 팩의 오염이나 기타 결함이 발생했음을 나타냅니다.

펄스 열에서 ‘펄스’가 하나 빠져 있다면, 이는 다이오드/사이리스터의 발진 실패(misfiring)를 나타냅니다.

모든 신호는 서로 조합된 상태로 관찰될 수 있기 때문에, 정확히 어떤 결함이나 신호 유형을 다루고 있는지 판단하기 어려울 수 있습니다. 현장에서도 여러 결함이나 이상 현상이 동시에 발생할 수 있습니다. 만약 신호가 매우 강하고 여러 패턴이 조합된 경우(특히 아킹 패턴이 나타나는 경우), 조금 더 주의를 기울여 관찰해야 합니다.

이 복조 파형은 고주파수에서 얻은 것으로, 일부 갭 방전과 함께 매우 뚜렷한 코로나 패턴을 보여줍니다. 갭 방전이 일정하지 않게 나타나면, 갭 자체가 일정하지 않을 가능성이 있습니다(예: 느슨한 연결).

앞서 톤에 관해 설명하며 정상적인 다이오드 패턴과 추가 랜덤 노이즈가 포함된 다이오드 패턴을 확인했습니다. 해당 사례에서는 다음 가동 정지 기간에 정적 여자 시스템 전력 정류기를 청소할 것을 권고했습니다. 해당 설비는 석탄 발전기입니다. 다이오드 뱅크는 석탄 분진으로 오염되어 있습니다. 정류기에는 필터가 있지만, 일부 오염물질은 필터를 통과합니다.