25.8kV 친환경절연개폐장치개발및적용 25.8kV 친환경절연개폐장치개발및적용 1. 개황 윤현덕한전송변전건설처차장 최근지구곳곳에서빈번히발생하고있는태풍, 홍수, 폭우, 엘니뇨와같은이상기온현상등지구환경변화에대해전세계가우려를표하고있다. 특히그동안국제사회의지구온난화방지노력에미온적인반응을보였던미국이오는 2030년까지자국화력발전소의이산화탄소배출량을 2005년에비해약 30% 줄이기로최근발표하는등대기중의온실가스감축노력에대한세계적인관심은더욱증가하고있다. 1997년 12월일본교토에서채택된교토의정서에따르면지구온난화에중요한역할을하고있는 6가지온실가스중발전소에서화석연료를사용하면서발생하는이산화탄소 (CO2) 와 2014 July + 59
전력기기의절연매질로사용하고있는육불화황 (SF6) 가스를억제해야할대표적인온실가스로규정하고있다. 현재초고압전력기기에적용하고있는 SF6 가스는절연및소호성능이우수하고회복특성이뛰어나기때문에세계적으로널리초고압전력기기의절연매질로사용되고있다. 일반적으로많이사용되고있는 SF6 가스절연개폐장치 (Gas Insulated Switchgear, GIS) 는전충전부를단상분리형혹은삼상일체형금속용기에내장하고 SF6 가스로주회로를절연시켜기존의공기절연개폐장치의문제점을보완함은물론고신뢰성, 경제성, 안전성을도모하고간편한보수점검과설치면적의축소가가능한점등많은장점을가지고있다. 하지만 SF6 가스의온난화지수는 CO2의약 2만 3,000배로매우높아서대기중으로배출될경우작은양에도온실효과가크기때문에 SF6 가스를억제하기위한신개념의친환경절연개폐장치개발이요구되고있다. 2. 현황가. 친환경절연매질의특성초고압전력기기에사용하고있는 SF6 가스를대용할친환경절연매질은크게건조공기 (Dry Air), N2 가스, 고체절연체로구분할수있다. Dry-Air 는상시운전상태에서 O2, N2, Ar 및기타불순물로이뤄지며가스의성분비및관리기준에대해서는기자재별기기특성을고려납품시제작사에서제시하도록하였고, 불순물에대한기준은 [ 표 2] 와같다. Dry-Air 품질과관련해연간가스누기율은 0.5% 이하, 가스내수분함유량은 2.6ppm 이하, 결로점은 70 이하이어야하며, 내부아크시일시적인 O3 가스발생시에도기기에이상이없어야한다. 고체절연물재료는내트래킹및노화특성이우수한재질로장기간사용시에도절연성능이저하되지않아야하며, 고체절연개폐장치 (Solid Insulated Switchgear, SIS) 의개폐기부및특고압충전부를 [ 표 1] 친환경절연매질별특징 구분 Dry Air 고체절연 (Epoxy) SF6 가스 절연성능 공기의약 1.16배 공기의약 2.5배 공기의약 3배 절연설계 어려움 어려움 비교적쉬움 환경영향 환경친화적 특수폐기물 온난화가스 선택적 선택적 필수 유지보수가스가대기압이어도일정시간 PD 1) 가스가대기압이어도일정시간발생시사고로진전될가능성절연성능발휘절연성능발휘 가격 (kg) 1 배약 5 배약 6.5 배 [ 표 2] Dry-Air 가스내불순물기준 구분 CO CO2 전탄화수소 (THC) 질소산화물 (NOx) 황산화물 (SOx) 함유량 (ppm) 1 1 1 - - 1) Partial Discharge( 부분방전 ) : 전극과전극사이에서일어나지않고한부분에서생기는방전을총칭. 코로나, 연면, 보이드방전등이이에속하며절연물이둔화되어파괴의원인으로작용. 60 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
25.8kV 친환경절연개폐장치개발및적용 지지또는절연하는고체절연물의재료는전기적, 기계적및화학적성능이우수한액상에폭시 (Epoxy) 수지등으로제작되어야한다. N2 가스는상시운전상태에서가스순도가 99.999% 이상이어야하고, 가스수명은기기수명보다동등이상이어야하며, 가스내산소함유량은 2ppm 이하, 수분함유량은 2.6ppm 이하이고, 결로점은 70 이하로규정하고있다. 나. 25.8k 친환경절연개폐장치개발 25.8kV 개폐장치는과거옥외노출형및옥내 MCSG(metal-clad switchgear) 를도입하여설치 운영하였으나, 설비고장및안전사고등여러가지문제점이노출되어 1990년대부터절연성능이우수한 GIS를도입해설치및운영을하고있다. 그러나 2008년 2월 SF6 가스사용량감축을위한 25.8kV 친환경절연개폐장치도입을결정하고구매규격을제정을통하여제작사로하여금기자재개발 을독려하였다. 1) 기기정격기기정격은기존 SF6 가스절연 GIS와동일한정격을갖는다. [ 표 3] 괄호안의숫자는특수한개소에적용하는비표준품의정격이다. 2) 구조및특성구조부분은 GIS와마찬가지로열적, 전기적, 기계적특성이우수한양질의재료를사용하고, 동일정격 동일구조의부품은호환성이있어야하며, 정상운전및보수점검을안전하고용이하게수행할수있는구조로제작하였다. 배전반에는 IEC61850 기반 IED 2) 부착이가능하도록하여변전소자동화 (SA) 기반을구축하고디지털화가가능하도록하였다. 또한과거스프링조작방식의조작부는구성부품수가많아고장빈도가높고동작횟수및사용년수에 향후 1990 이전 현재 GIS(Tank) 친환경개폐장치 ( 고체절연 ) MCSG GIS(Cubicle) 친환경개폐장치 (Dry Air) [ 그림 1] 25.8kV 개폐장치개발추이 2) Intelligent Electronic Device : IEC 61850 에따른감시, 제어, 계측, 보호가가능한의한무접점회로장치 2014 July + 61
[ 표 3] 25.8kV 개폐장치의정격전압, 전류및단시간전류 정격전압 [kv] 25.8 정격단시간전류 [ka,rms] 정격전류 [A, rms] 정격투입전류 [ka,peak 치 ] (12.5) (630) (1,250) 32.5 25 600 1,250 2,000 3,150 65 (40) (2,000) (3,150) 104 정격차단시간 60Hz 기준 5[cycle] [ 표 4] 25.8kV 개폐장치의정격절연강도 정격전압 뇌충격내전압 [kv, 파고치 ] 상용주파내전압 [kv, rms] [kv] 상대지간, 극간 DS 극간 상대지간, 극간 DS 극간 25.8 150 165 60 66 * 상용주파전압치의가압시간은건조 1 분간으로한다. ** 뇌임펄스내전압시험은건조상태에서정 부극성을인가하여실시한다. 25.8V 아날로그 GIS 25.8V 디지털 GIS A-METER PF-METER 경보표시 조작스위치 & 표시등 재폐료 & OCR/OCGR 1) Meter( 계측 ) 2) 경보표시 3) 기기표시 4) 조작스위치 5) 가스압력 ( 감시 ) 6) 인터록회로 가스밀도계 [ 그림 2] IEC61850 기반 IED 적용 따라부품의주기적점검이필요하였으나, 25.8kV 친환경절연개폐장치의경우에는 PMA 3) 조작방식을도입하여조작기구부부품수감소, 개폐수명향상, 안정적인동작특성유지, 주기적인유지보수점검불필 요 (Maintenance Free) 등구조단순화및고장발생요인감소를가능케함으로써신뢰도향상에크게기여하였다. 기존 25.8kV GIS 제작사 ( 총17개사 ) 의배전선로전 3) Permanent Magnetic Actuator : 차단부에영구자석을이용한고신뢰도조작방식 62 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
25.8kV 친환경절연개폐장치개발및적용 력케이블인입부의 Hole 크기및위치가상이함에따른건축시공의어려움및기가재선발주문제를해소하기위해전력케이블 Hol에대한표준화 ( 폭 600mm, 길이 3만3,600 mm ) 를추진하여기자재개발시반영토록하였다. 3) 시험및검사시험은인정시험, 검수시험, 현장시험및참고시험으로구분하며, 항목은구조및외관검사등총 29개항목에대해시행한다. 25.8kV 친환경절연개폐장치 (EGIS 및 SIS) 에사용되는 Epoxy 고체절연물은기계적수명 25년이상을보증하는 Creep시험 4) 및피로시험의신뢰성데이터를제출하여야하며, 비중시험등 8개항목에대한절연물물성시험및수분침투시험을별도로시행한다. 또한완제품에대한추가신뢰성검증을위해제품 1Bay 설치분에대하여한전고창실증시험장및자체공장에서 3개월간실증시 험을시행하도록하였다. 4) 국내 외제작사의친환경개폐장치개발동향세계각국의전력산업분야는 SF6 가스와관련된친환경정책을일찍부터마련하여 Holec( 네델란드 ), Hitachi, Meiden( 이상일본 ) 등이고체 (Epoxy) 절연, AE Power( 일본 ) 등이 Dry-Air 절연 MV급친환경개패장치개발을완료하여이미적용하고있다. 국내의경우고체 (Epoxy) 절연 25.8kV 친환경개폐장치를 LS산전 ( 주 ) 에서최초로개발하여한전에 2010년 4월에유자격등록을완료하였고, 인텍전기전자 ( 주 ) 도동일타입으로 2011년 12월, 효성에서는 Dry-Air 절연 25.8kV 친환경개패장치를 2013년 5월에완료하여현재총 3개회사가등록되어있다. 또한, 현대중공업 ( 고체절연 +Dry Air), 일진전기 (Dry Air), 테크프로 (N2) 등이 25.8kV 친환경절연개폐장치개발을추진하고있으며, 현재인정시험중 전류에작용하는힘의방향 Magnetic actuator 자기장 Static(Close) Dynamic Static(Open) 전류 Capacitor Laminated Steel(core) Controller Lever shaft Coil Sensor Permanent Magnet Plunger Rod 영구자석에의한자로 Coil 에의한자로 Coil 과영구자석에의한 Plunger 가받는 force [ 그림 3] PMA 의구동원리및외형도 4) 재료에일정한응력을가한때생기는변형량의시간적변화 2014 July + 63
[ 그림 4] 25.8kV 고체절연친환경절연개폐장치외형도 EDS 조작기 EDS Unit IED VCB Unit DS 조작기 DS Unit [ 그림 5] 25.8kV Dry Air 친환경절연개폐장치 Module 외형도 에있어올해까지총 6 개회사가등록될예정이다. 다. 25.8kV 친환경절연개폐장치적용기존 25.8kV GIS 제작사와의공청회를통해한전 의친환경절연개폐장치개발추진배경과정책방향을설명하여공감대를형성하고, 개발도면에대한사전검토를통해기술교류및품질향상을도모하였다. 154kV 표선변전소 (2011년 12월준공 ) 에최초로시 64 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
25.8kV 친환경절연개폐장치개발및적용 범사업을시작으로 2013년도까지총 7개변전소에적용을완료하였으며, 현재 5개변전소에설치시공중에있다. 올해준공사업부터는기존 GIS 증설분을제외한신규변전소설치분은 25.8kV 친환경절연개폐장치로전면발주할계획이다. 최초로도입되는변전기자재에대한기술교류및조기정착을위해전력사업관계자를대상으로설치시연회를제작사별로총 3회시행하였으며, 금년하반기에도제작사별로지속적으로시행할예정이다. 3. 전망최근세계적인개폐장치개발동향은친환경, 소형집적화, 지능화, 디지털화등다양한형태로발전하 고있으며, 한전의경우도 170kV 이상 GIS 콤팩트화및 25.8kV 친환경절연개폐장치의적용을통한 SF6 가스 Free 에적극노력하고있다. 실제 25.8kV 급 GIS의 SF6 가스의사용량은초고압에비하여전체적인사용량감소효과측면에서는부족하지만친환경개폐장치용절연매질연구를시행하고꾸준한기기개발노력을통하여초고압친환경개폐장치개발을위한초석이될수있을것으로판단된다. 향후 170kV 이상초고압친환경절연개폐장치개발을통하여 SF6 가스사용량감소를지속적으로추진해나가야할것이며, 제작사는각각의절연매질의특성과신뢰성시험방안마련등상호협력을통한국내전력분야발전에이바지해야할것이다. 2014 July + 65