들어가며

제철소는 중후 장대한 장치산업이며, 철을 다루는 막대한 토크를 필요로 하여 많은 전력과 동력을 사용한다. 특히 광양제철소는 641만 평의 면적에 연간 2,140만 톤을 생산하는 일관 제철소로 철광석이 고로(용광로)에 들어가 제품으로 나오는 과정이 하나의 프로세스로 구성되어 쉼 없이 가동된다

생산설비가 고장으로 멈추면 그 피해가 크기 때문에 설비에 On Line으로 상태를 감시하고, 결과를 분석하여 수리 계획을 수립하거나 개체 계획을 수립하는데 활용하는 예방 정비와 최근에는 누적된 On·Off-Line 설비 Big Data에 인공지능을 적용하는 스마트 팩토리 활동으로 작업자의 전문 지식이 없어도 Downtime을 줄이고, 연속적인 생산이 가능한 완전 자동화 공장으로 발전해 가고 있다

이번에 제철소에서 사용하는 고압 회전기(전동기, 발전기)의 고장 사례와 이를 예방하기 위한 스마트 진단 장치의 개발 적용한 Monitoring과 시험 진단 그리고 Over haul 체계를 설명하고자 한다. 또 광양제철소의 고압 회전기 설치 현황을 살펴보면 [표 1]과 같으며, 일부 직류기가 사용되고 있으나 아래 표에서는 제외한다.

주요 이상 사례 및 개선

제철소 고압 회전기의 노후 교체 기준은 30년으로 운영하되, 진단 결과 이상이 있을 경우 교체 계획을 수립하고 있다. 제철소 특성상 Belt Conveyor, 수처리 Pump 등 빈번하게 기동 정지를 반복하는 전동기가 많으며, 특히 이런 종류의 회전기는 회전자(Rotor Bar) 고장이 빈번하게 발생하고 있다. 주요 이상 사례는 [표 2] 고압 회전기 이상 발생 현황(최근 5년 발생 현황)을 참조하기 바란다.

1) 11kV 유도 Motor 고정자 권선 부분방전 이상 발생을 절연 건전성 진단 및 적기 투자로 장애 예방한 사례
<Motor 사양 및 Off Line 절연 건전성 진단 시 부분방전 추이>
① 사양 및 수리 이력
10MW, 11kV, 599A, 1,793RPM, 유도 전동기, F종, 지멘스(1997년 제작)
•재권선 : 2013.5(현대중공업)
•절연 보강 : 2016.6(현대중공업)
② 수리 내용
고정자 Coil End Winding 측 상하층 Coil 반도전층 코로나 방지 Tape가 손상되어 2회에 걸쳐 코로나 방지 Paint 보강 후

진공 함침 수리로 부분방전 발생 개소의 국부적인 수리를 하였으나, 제철소에서 관리하는 기준값 30,000Pc(사용품)을 초과하고 있고, Trend 상 증가하는 경향이 확인되었다. 부하의 중요도와 Motor 권선 수리에 소요되는 공기 동안 설비의 가동을 멈출 수 없어 신품을 구매하기로 결정하였고, 외산 Motor의 국산화 개발 교체로 공기를 대폭 단축하고, 대형 장애를 예방할 수 있었다.

이상이 발생되면 즉시 수리, 교체를 검토하기보다는 진단 주기를 단축하거나, Portable On Line 진단 장비를 설치해 경향 관리를 통해 보다 경제적이고 공정의 Down time을 최소화하기 위한 적기 수리, 투자를 병행해 나가는 것이 필요하다. 제철 설비관리를 수행하면서 많은 Motor의 진단, 장애 사례 등을 검토하였고, 경제적이며 정비 효율성 향상을 위해 국내 Motor 진단 전문가의 자문을 받아 절연 건전성 진단 판정 방법을 다음과 같이 개선하였다.
또한 고압 Motor 절연 건전성 진단 판정 방법을 개선하였다.
특히 부분방전 진단의 경우 기존에는 진단하는 동안 발생되는 최대 방전 값을 사용하여 정비 여부 결정의 판단 근거로 사용하였으나, 진단 분석 기술의 발달 및 각종 Reference의 도움으로 절연물 표면에서 발생되는 비주기적 방전 값도 참고하고 있지만, 부분방전 패턴을 주의를 가지면서 주기적으로 발생되는, 특히 Motor 슬롯 안쪽 절연물에서 발생되는 부분방전 패턴에 좀 더 관심을 기울이면서 진단의 정확도를 높혀가고 있다. 

[기존] 부분방전 진단시 최대 방전값 사용 
[개선] 부분방전 패턴 및 최대 방전 값을 분리하여 판정에는 주기적으로 발생되는 패턴치 활용, 비주기적인 최대 방전 값은 참고치로 활용

2) 고압 유도 Motor Rotor Bar 이상을 운전전류 및 기동전류 Rotor Bar 진단(Side Band Frequency)으로 발견한 사례
Off Line Rotor Bar 진단(절연 건전성 진단 결과 : 정상) Motor 사양은 다음과 같다.
•260kW, 6.6kV, 26.6A, 1,785RPM, 유도전동기, F종, 현대중공업(09년 제작)
•알루미늄 다이캐스팅 회전자
    Motor 권선온도가 상승 경향을 확인하여 Off Line에서 정밀 진단을 실시하였으며, 회전자 과열로 용손을 아래 사진과 같이 발견하였다. 참고로 진단은 Off Line Rotor Bar 진단 장비로 진단하여 회전자를 분해 점검한 결과 용손부를 발견할 수 있었다.  
알루미늄 다이캐스팅 회전자 문제점은 다음과 같다.
•알루미늄 다이캐스팅 회전자의 경우 On Line Rotor Bar 진단 방법으로는 진단 오류로 인해 정확한 진단이 쉽지 않으므로 반드시 기동전류 또는 Off Line Rotor Bar 진단으로 검증하여야 한다.
•문제는 Rotor Bar 형태의 회전자인 경우 진단을 통해 결함을 발견하면 Crack 부위를 육안으로 확인이 가능하고, 용접 등을 통해 부분 수리가 가능한 반면, 알루미늄 다이캐스팅 회전자는 이상을 검출하더라도 정확한 고장 부위 확인이 쉽지 않고 부분 수리가 곤란하다
제철소 대책으로 ‘고압 3상 유도전동기 자재규격서’를 개정하였다.
•회전자는 진단이 쉽고 이상이 발생하더라도 부분 수리가 가능하도록 동 재질의 Rotor Bar Type으로 하는 것으로 정하였고, 제작상의 문제로 알루미늄 다이캐스팅의 회전자 Type으로 도입 시는 사용 부서와 전문 부서 협의하에 결정토록 개정하였다.

3) 고압 유도 Motor 수리품 내전압 시험 시 절연 이상을 발견한 사례로, 내전압 시험 시 절연 파괴로 현장 설치 전에 결함을 발견할 수 있음
Motor 사양은 다음과 같다.
•2,450kW, 6.6kV, 248A, 2극, F종, 미쓰비시전기(1995년 제작), 수리 : OO중공업(2021년)

장기 사용한 Pump Motor의 재권선 수리품(총 4대)에 대한 내압시험 중 1대 소손되어 Motor 취부 전 결함을 발견하였다.
•장기 사용한 Pump Motor의 재권선 수리품
(총 4대)에 대한 내압시험 중 3대는 정상이었고, 1대는 시험 과정에서 전압을 상승시키는 단계에서 소손되었음
 •수리품의 내전압 Test(14.2kV, 2E+1,000V)를 위해  단계적 전압을 높이는 과정에서 9.6kV 인가하는 순간 소손이 발생하였음
 •절연저항 측정 시 0.7KΩ, 권선부 절연 파괴를 확인할 수 있었음
•내압시험을 위해 단계적 전압을 높이는 과정의 내전압 기준전압(14.2kV)의 67.6%인 9.6kV에서 소손된 점을 미루어 수리를 위한 재권선 과정의
품질 결함이 있다고 판단됨
•수리품 Motor는 다시 재권선하여 정상적으로 사용하고 있다. 고압 Motor의 경우 설치 및 분해하는 비용이 막대하고, 가동 중 장애가 발생되면 Downtime으로 인해 기회 손실비용이 커지므로 수리품에 대해서는 설치 전에 건전성을 재확인하는 것이 바람직함

4) 압연기 Main Motor 반생애 도래 시 현장 Overhaul 실시로 수명 연장
고압 회전기 중에서 가장 중요한 압연기 Motor로 Motor Maker에서는 주기적인 Overhaul을 하도록 권장하고 있으나, 수리 작업의 경제성 측면, 장기간 소요로 제철소에서는 AC 압연기 Motor 수명을 30년으로 설정하고, 반생애 15년 사용 시 현장 Overhaul을 실시하고, 절연을 보강하여 권장 수명대로 사용하고 있다.
다음은 Overhaul 작업의 순서와 방법에 대해 나열하였다.
• Air Duct 클리닝, 절연 보강, 누유부 수리 작업을 통한 Motor 잔존 수명 연장
[분해, 조립] Motor Cover 및 기타 조립물 취외/취부 수행 및 세척을 위한 고정자의 Jack-Up/Jack- Down 수행
[정밀 진단] 고정자, 회전자 절연 진단 및 Wedge, Core 건전성 시험(수리 전후 정밀 진단을 수행한다)
[세척, 건조] 고온, 고압수 세척(90℃, 0.9bar)을 통한 Dust와 유분을 제거하고, 흡습 방지를 위한 열풍 간접 건조(110℃) 실시
(이 단계가 Overhaul 과정에서 가장 중요하며, 충분하게 수분을 제거해야 함)
[절연 보강] Epoxy 수지 처리 및 사상 바니 시 처리
[베어링 수리] 베어링 연삭 과정을 통한 표면 개선 및 베어링 교체(필요 시)
[Slip-ring 교체] 내외경 가공 및 Slip Ring 취부 수행
(필요 시)
[시운전] 기계 직결 Test
 

5) 원료공장 Belt Conveyor Motor 기동 전류 활용 Rotor Bar 진단으로 적기에 고압 유도 전동기 교체
Belt Conveyor 기동 시마다 기동전류를 진단하고, Side Band Frequency 전류 크기의 경향 관리로 Rotor 이상을 판단하고 있다.
 •진단 장비 : On Line Motor Dirgnosis System
                          (약칭 : OMDS, 국산 제품)
  *2017.3부터 제철소 설치 운영 및 확대 설치 중
•진단 장비 Fault Level : -45dB 이상인 경우
•경향 관리하여 주의 Level 이상이 되면 Rotor분해 점검을 통해 이상 부위를 발견하고 있음
특히 Belt Conveyor Motor에 적용하여 단시간에 장기 사용한 Motor 12대에서 결함을 발견하여 대형 장애 예방과 최소한의 수리 비용으로 정비비도 절감하였다.

다음은 Belt Conveyor Motor Rotor 결함 검출 사례를 소개한다.
다음 페이지 위의 그림은 Portable 진단 장비와 거치형 진단 장비를 통해 Belt Conveyor Motor 회전자 결함을 발견한 진단 사례이다. 

Portable 장비인 Explorer II를 활용, 전동기의 On Line 부하 운전 전류를 실시간 분석하여 상태를 판정하는 방법이며, 진단 결과 Side Band Frequency 전류의 크기는 주의 수치인 -39.0dB였다.
거치형 진단 장비인 OMDS는 Motor의 전류가 가장 크게 기동하는 시간 동안 연속적으로 Side Band Frequency 전류를 확인하는 장비이고, 결함이 있다면 상단의 우측 그림과 같이 Side Band Frequency 전류가 V자 모양의 패턴으로 나타난다.
OMDS를 활용(동일)한 전동기가 기동하는 동안 Side Band Frequency 전류를 확인할 수 있었고, 그 크기는 -33.4dB로 이상이 있다고 판단할 수 있었다. 

6) On Line Motor Diagnosis System의 개발과 현장 적용
OMDS 장비는 주로 고압 농형 유도전동기에 적용하고 있으며, Belt Conveyor, Air Compressor, Pump 등 120대에 설치 및 운영 중에 있다.
• 장치의 개발
Motor의 결함을 진단할 수 있는 장비는 사용이 제한되어 있고, 특히 Belt Conveyor Motor처럼 부하 변동이 큰 경우는 여러 가지 장비를 활용하여 진단하였으나 문제점을 찾기가 쉽지 않았다. Motor의 전류가 가장 큰 기동 시간 동안 연속적으로 Side Band Frequency 전류가 나타나고, 이를 확인한다면 가장 유효한 방법이 될 것 같다는 고려대 EECSL(Electrical Energy Conversuin Lab) 연구소의 연구 결과를 바탕으로 국내 중소기업인 엠앤디테크놀로지㈜와 OMDS 장치를 개발하였다. OMDS 장비를 활용하여 많은 진단을 실시하였고, 이상이 조기 검출된 Motor에 대해서는 다시 조건에 맞춘 Test를 반복하여 판정 기준은 제철소 진단 부서에서 검증하였다. OMDS 장치는 2017년 개발이 완료되어 초도 설치, 효과 검증 후 지속 확대 적용하고 있다. 2023년에는 Rotor Bar 절손을 On Line 상태로 진단하여 중요 설비 2대의 예방정비를 통해 그 효용성을 인정받고 있다.
특히 본 기술의 개발 및 실증 결과는 IEEE Industrial Electronics Magazine(Volume : 16, Issue: 4, December 2022)의 “The Commercialization of Medium-Voltage Induction Motor Rotor Diagnostics Equipment: Helping Prevent In-Service Failures of Induction Motors and Processes” Paper 게재되어 있으니 참조하기 바란다.

• 개발 적용
기존 진단 장비의 오류(Motor 부하의 심한 변동, 경부하 시 발생되는 Rotor Bar 진단 오류)를 방지하기 위해 기동전류(부하전류는 기동전류로 크고, Slip의 변화는 1에서 0으로 변화하는 구간)를 계측하여 시변 주파수로 분해하는 Wavelet 분석 및 Rotor Bar 결함 시 발생되는 연속되는 Sideband 주파수 [60·(1-2s)]의 전류값으로 이상을 정확하게 판단할 수 있었다.
• 기계적 결함 진단 : 진단 범위의 확대
OMDS 장치는 부하전압, 전류를 계측하므로 추가적으로 부하전류의 FFT 분석 등을 통해 부하전류 Un balance, 얼라인먼트 이상, 베어링(볼, 슬리브) 이상, 모터 베이스 고정 상태 이상 여부를 진단할 수 있도록 개선을 진행하고 있다.
• 장치의 구성

• 업무시스템(그룹웨어)에서 종합 상태 확인

맺음말

설명한 자료 이외에도 여러 종류의 Monitoring System을 활용하여 장애를 예방하는 활동을 하고 있으며, 이 보다 중요한 것은 공장에 입고되는 신품, 수리품에 대해 특성 시험을 실시하여 품질을 확보하는 것이다. 이를 통해 초기 고장을 예방할 수 있으며, 가동 중인 Motor는 주기적인 Off Line 진단 및 Overhaul을 통한 절연 보강으로 수명을 연장할 수가 있다.

특히 제철소 공정에 직결되는 핵심 Motor는 Down Time을 최소화하기 위해 On Line 진단 장비를 운영하고 있고, 경향 관리를 통해 적기에 수리, 교체하고 있다. 현재는 누적된 Motor Data를 바탕으로 진단하면서 축적된 Domain 지식과 AI 신기술을 결합하여 고장 예지 시스템 구축을 진행하고 있다.

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