변압기 권선의 핫스폿 온도는 국부 온도이며 상부 유온이나 권선 평균 온도와 다릅니다. 열 모델은 부하, 유온, 주변 온도와 열 파라미터를 사용해 추정합니다. 광섬유 프로브는 권선 안에 설치된 특정 위치의 온도를 측정합니다.
- 모델은 입력 데이터로 열 상태를 계산하고, 프로브는 설치 지점의 온도를 측정합니다.
- 프로브 한 개는 정의된 한 지점을 측정합니다. 독립된 여러 지점을 측정하려면 프로브도 여러 개 필요합니다.
- 측정값의 의미는 설치 위치에 따라 달라집니다. 프로브가 알 수 없는 최고 온도점을 자동으로 찾지는 않습니다.
- 실측 데이터로 모델을 검증·보정할 수 있고, 모델은 프로브가 설치되지 않은 영역의 열 상태를 추정합니다.
핫스폿 온도의 의미
핫스폿은 권선 안에서 가장 뜨거운 영역이며 종이 절연의 열화에 영향을 줍니다. 상부 유온은 지정 위치의 오일 온도이고, 권선 평균 온도는 국부 피크를 반영하지 못할 수 있습니다. 계산 결과가 유효한지는 모델 파라미터와 운전 조건이 해당 변압기를 얼마나 잘 나타내는지에 달려 있습니다.
| 항목 | 설명 | 산출 방법 | 해석 |
|---|---|---|---|
| 상부유 온도 | 정해진 상부 위치의 절연유 | 유중 센서 또는 지시계 | 도체 온도가 아니며 핫스폿과의 차이는 달라집니다. |
| 평균 권선 온도 | 도체 평균 온도 | 시험 중 저항법 | 국부 피크를 평활화합니다. |
| 계산 핫스폿 | 모델링된 권선 최고 열 상태 | 부하, 유온, 주변 온도, 파라미터 기반 모델 | 입력값이 대상 변압기를 나타낼 때 유효합니다. |
| 프로브 측정값 | 설치 지점의 온도 | 권선 내부 형광식 프로브 | 적절한 위치에 설치된 경우에만 최고점을 나타냅니다. |
열 모델의 온도 추정 방식
계산에는 주변 온도, 상부 유온 상승, 권선 핫스폿 온도 구배가 사용됩니다. 시정수, 지수, 정격 온도 상승은 시험값이나 표준값을 바탕으로 하며 냉각 단계가 바뀌면 적용 파라미터도 달라집니다. 필요한 입력이 있으면 내장 프로브가 없는 변압기에서도 연속 추정값을 낼 수 있습니다. 다만 부하나 냉각 상태가 모델 가정과 달라지면 잔차 오차가 커질 수 있습니다.
내장 광섬유 프로브가 측정하는 값
형광 프로브는 센싱 팁 위치의 온도를 측정합니다. 여기광이 형광체에 도달하고 계측기가 신호 감쇠 시간을 온도로 변환합니다. 광 경로는 전기적으로 비전도성입니다. INNO 방식은 지점 측정이며 광섬유 전체 길이를 따라 측정하는 분포형 방식이 아닙니다. 측정 위치는 권선의 설계 및 제조 단계에서 정합니다.
직접 측정과 모델 추정 비교
| 항목 | 열 모델 | 내장 광섬유 프로브 |
|---|---|---|
| 기준 | 부하, 유온, 주변 조건, 파라미터 계산 | 물리적 위치에서 광학 측정 |
| 결과 | 추정 열 상태 | 설치 지점의 측정 온도 |
| 범위 | 모델이 나타내는 거동 | 프로브당 정의된 한 지점 |
| 주요 한계 | 가정과 입력값에 좌우됨 | 위치와 프로브 수에 좌우됨 |
프로브 설치 위치가 중요한 이유
권선 형상, 냉각 덕트와 오일 흐름이 온도 분포를 결정합니다. 열 설계에서 확인한 위치에 프로브를 배치해야 합니다. 비교할 때 프로브는 특정 도체 위치를 측정하고, 모델은 등가 핫스폿 상태를 표현할 수 있다는 차이를 고려합니다.
현장 근거: 열 모델과 광섬유 기준값
2026년 Discover Artificial Intelligence에 발표된 연구는 100 MVA, 220 kV ONAF 승압 변압기를 여름철에 평가했습니다. 평가 5일 동안 기본 동적 모델의 MAE는 8.35 °C, 고조파 손실을 반영한 물리 모델은 4.18 °C, 잔차 보정 하이브리드 모델은 1.87 °C였습니다(RMSE 2.34 °C, R² 0.972). 기준은 사용 가능한 광섬유 채널 중 유효한 최고 측정값이었습니다. 이 결과는 해당 설비와 조건에 한정되며 IEC 모델 전체의 성능을 뜻하지 않습니다.
| 방법 | MAE (°C) | RMSE (°C) | R² |
|---|---|---|---|
| IEC 동적 열 모델(연구진 기준선) | 8.35 | 9.87 | – |
| 스펙트럼 반영 물리 모델 | 4.18 | – | – |
| 물리-데이터 하이브리드 모델 | 1.87 | 2.34 | 0.972 |
수치가 보여주는 내용
평가 기간 광섬유 기준값 평균은 76.69 °C, IEC 기준선은 85.16 °C로 8.47 °C 높았습니다. 98 °C 경보 임계값에서 하이브리드 모델은 광섬유 기록 13건 중 12건의 초과를 감지했습니다 [2].
이 결과만으로 알 수 없는 내용
이 결과는 한 대의 변압기와 한 차례 여름철 평가에 한정되며 태양광 부하 변동과 큰 전류 왜곡이 있었습니다. 프로브 위치와 교정 정보가 공개되지 않아 설치 위치의 영향을 분리할 수 없습니다. 하이브리드 모델도 광섬유 측정값으로 파라미터를 갱신했습니다.
실측과 모델을 함께 활용하기
열 설계로 센서 위치를 정하고, 온도 상승 시험에서 초기 비교를 수행한 뒤 실제 운전 부하에서 측정점과 모델 출력을 비교합니다. 차이가 지속되면 파라미터, 냉각 상태, 고조파 또는 프로브 위치를 검토합니다. 내장 프로브가 없으면 모델이 추정 수단이 됩니다. 프로브가 있으면 실측값은 계측 지점을 나타내고 모델은 그 사이의 열 상태를 보완합니다.
권선 직접 측정을 위한 INNO 구성
공개 사양에 따르면 유입 변압기용 프로브는 −40~+260 °C 범위, 0.1 °C 분해능, ±1 °C 정확도입니다. 실제 사양은 선택한 프로브와 계측기 구성에 따릅니다. IF-C 다채널 계측기는 1~64채널, 1초 미만 취득, RS485/Modbus, 옵션 아날로그 출력과 알람 릴레이 2개를 지원합니다. 유입 변압기용 시스템은 1~18채널로 구성할 수 있습니다. 선택 제품의 사양서를 확인하세요.
검토를 위해 변압기 형식과 용량, 권선 구조, 예상 핫스폿, 측정점 수, 광섬유 경로와 길이, Modbus·아날로그·릴레이 요구사항을 준비하세요. 변압기 온도 모니터링 페이지도 참고할 수 있습니다.
참고 자료
- IEC 60076-7:2018, Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers.
- Cao, S. (2026). Online power-transformer hot-spot estimation via spectrum-aware physics-data hybrid learning. Discover Artificial Intelligence, 6, 1673. DOI: 10.1007/s44163-026-02632-y.
- Abdali et al. (2023), Novel hotspot temperature prediction of oil-immersed distribution transformers: An experimental case study. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 70(7), 7310–7322. DOI: 10.1109/TIE.2022.3206690.
- Abdali, A., Abedi, A., Masoumkhani, H., Mazlumi, K., Rabiee, A., & Guerrero, J. M. (2023). Magnetic-thermal analysis of distribution transformer: Validation via optical fiber sensors and thermography. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 153, 109346. DOI: 10.1016/j.ijepes.2023.109346.
- González-Cagigal, M. A., Rosendo-Macías, J. A., & Gómez-Expósito, A. (2023). Parameter estimation for hot-spot thermal model of power transformers using unscented Kalman filters. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 11(2), 634–642. DOI: 10.35833/MPCE.2022.000439.