한국전기연구원(www.keri.re.kr) 산업전기연구본부_김광화 박사 (055)280-1570 / khkim124@keri.re.kr
개요
산업 발전에 따른 우리나라의 전력 수요는 1970년대의 중화학 공업의 발전과 아울러 급속한 신장세를 보였으며, 최근에는 공장 자동화와 맞물려 전력 수요의 증대와 전력 공급의 고신뢰성 및 전력 품질의 제고가 요구되고 있다. 그러나 전력 설비의 증대에 따른 용지를 확보하기가 어려워 전력 설비의 신 · 증설이 쉽지 않으며, 증설에 드는 막대한 비용도 간과할 수 없다. 또한 많은 변전소 및 발전소의 보수 유지 관리에 소요되는 비용이 점차 증가하고 있어 고신뢰성을 유지하는 동시에 효율적인 관리가 필요한 실정이다. 더구나 이미 오랜 사회문제로 대두된 힘들고 어려운 일을 기피하는 3D 현상은 전문인력 양성에 어려움을 주고 있다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안 중 하나가 바로 전력기기 진단 기술이며, 진단 기술은 전력기기의 유지 및 보수 관리에 가장 중요한 기술로 인정받고 있다. 유지 및 보수 기술의 변천 과정을 <그림 1>에서 보면 초기의 시간 기반 유지 보수 기술(TBM)에서 상태 기반 유지 보수 기술(CBM)로 점차 확대됐음을 알 수 있다. 상태 기반 유지 보수 기술에서 핵심적인 기술이 바로 진단 기술이며, 경제성 차원에서 사후보수 기술(CM)이 적절히 사용되고 있다. 본고에서는 초고압 변전소에서는 많이 보유하고 있는 가스차단기와 배전급에서 널리 사용되는 진공차단기에 대해서 기술하고자 한다.
차단기의 열화 특성
차단기는 전력계통에 있어서 전기설비와 직접 접속되어 차단 작용, 개폐 작용 및 통전작용으로 사용되므로 차단기의 고장은 전기 설비의 제어 불능 및 정지를 의미한다. 또한 전기 설비의 고장 시에는 고장 범위를 차단하여 전력계통에서 고장 파급을 막아주는 역할을 한다. 차단기는 구조 및 동작 원리에 따라 많은 종류가 있지만, 사용되는 소호 방식 및 소호 매체에 따라 대별하고 있다. 현재 이용되는 차단기에는 SF6 가스차단기(GCB), 공기차단기(ABB), 유입차단기(OCB), 진공차단기(VCB), 자기차단기(MBB) 등이 있지만, 국내의 경우 154㎸급 이상에는 가스차단기가 주류를 이루며, 22.9㎸급의 배전급에서는 진공차단기가 주로 사용되고 있다. 여기서는 가스차단기 및 진공차단기의 열화 형태와 수명과 관련된 진단 방법에 대하여 살펴보자.
1. 가스차단기의 열화 특성 가스차단기의 고장 실태를 조사한 결과(일본 전기협동연구, 제42권, 제3호)에 의하면, 차단기 고장의 약 60%가 조작 기구에 집중되어 있다. 투입 불량, 개방 불량, 개폐 부조합 등의 동작 불량이 주원인으로 나타났으며, 다음으로 애관, 외부, 차단부, 기타의 순서로 그 뒤를 이었다. 차단기의 열화 요인은 차단기나 그 구성품 등이 다른 전기기기들과 같이 전기적, 열적, 기계적 스트레스 및 환경적 요인의 영향을 복합적으로 받아 화학적 혹은 물리적 성질의 변화에 의해 차단기 특성 및 성능이 저하하는 것으로, 그 중 전기적 요인에 의한 고장 피해가 가장 많다. 차단기의 열화는 크게 절연 성능 및 통전 성능 등의 전기적 열화와 동작 특성 등의 기계적 열화로 나눌 수 있으며, 이들 열화에 의해 차단기에서는 절연파괴, 과열, 차단 불능 및 동작 불능 등의 사고가 발생한다. 가스차단기의 열화현상과 지표는 <그림 2>에 나타냈다.
2. 진공차단기의 열화 특성 진공개폐기기의 열화 특성은 진공밸브의 열화와 윤활제의 열화에 의해 크게 지배되므로 이들 열화에 대해서 설명하기로 한다.
⑴ 진공밸브의 열화 진공밸브의 열화는 차단 전류에 의한 접점 소모와 진공도 저하에 따른 열화로 대별된다. 진공밸브에서 접점은 고진공 중에 있기 때문에 산화 등의 화학현상에 의한 열화는 없으며, 섭동에 의한 접점의 마모도 없지만, 접점 소모는 전류 차단 시의 아크에 의한 소모만 나타나는 것으로 알려져 있다. 진공차단기는 아크전압이 극히 낮고, 또한 아크시간이 짧아 다른 차단기와 비교해 아크 에너지가 제일 작으므로 소모량이 작은 편이다. 진공밸브에서 나타나는 경년에 의한 진공도의 열화 요인에는 가스 투과에 의한 진공도의 열화와 재료의 방출가스에 의한 진공도의 열화 2가지가 있다. <그림 3>에는 이 2가지 요인에 의한 진공도 열화경향을 표시했다. 진공도의 열화를 진공밸브 내부압력의 변화에서 판단한 경우 <그림 3>에 표시한 것과 같이, 가스 투과에 의한 것은 경년에 비례하고 재료의 방출가스에 의한 것은 어느 일정 기간에서 포화상태에 도달하고 변화는 정지한다. 따라서 진공도의 경년 열화는 그림 중 ⑴과 ⑵를 중첩한 ⑶의 것으로 된다.
⑵ 윤활제의 열화 기기의 조작기 부분에는 윤활제로 그리스가 많이 사용되고 있다. 개폐기기의 동작 장애에는 이 그리스 열화가 관계하는 경우가 많다. 통상, 섭동부의 마모, 변형, 붙음, 발청 등이 생기면 기기의 고착과 갉아먹는 것이 발생하기 쉽다. 특히 차단기와 같이 장기간 정지한 후에 구동시키는 경우는 시동 마모가 크게 된다. 접합 간의 미시적인 요철의 맞춰짐과 화학적인 결합 혹은 섭동면의 유막 끊어짐과 그리스의 고화 등이 마모의 원인이 된다. 그리스의 고화는 기유(基油)의 분리, 산화, 증발 등에 의해서 발생한다. 따라서 이러한 발생을 막기 위해서는 개재물의혼입을 피하면서 동시에 정기적인 유의 보충(주유)과 닦아낸 후에 그리스 충전이 중요하다.
차단기에서의 진단 기술
1. GIS 진단 기술 GIS는 가스차단기를 포함하여 구성된 밀폐형 개폐장치로, 이에 대한 진단 기술로는 절연상태, 통전상태, 동작상태 등이 있다. 중요한 진단 기술은 절연과 관계되는 부분방전 측정 기술과 통전과 관계되는 접촉저항 측정과 진동 가속도 측정이며 이에 대해서 다음에서 상세히 기술한다.
⑴ 부분방전 진단 기술 ① UHF 대역에서 GIS 부분방전 측정과 진단GIS에 있어서의 부분방전을 현장에서 측정하기 위해서는 잡음을 피해야 한다. 따라서 잡음이 상대적으로 적은 UHF 대역(0.3~3㎓)에서 부분방전측정을 하고 있다. GIS 내부에서 부분방전이 발생하면 SF6 가스 중에서 매우 빠른 방전시간으로 UHF 대역까지의 전자파를 발생시킨다. 이 전자파는 TE(Transverse Electric) 모드와 TM(Transverse Magnetic) 모드로 여자되어 GIS 내부에서 전파하며 스페이서에 설치된 외부 센서나 탱크 내부에 설치된 내부 전극형 센서를 통하여 검출, 이를 광대역 증폭기(0.5~1.5㎓, 60㏈)를 사용하여 측정한다. UHF 대역에서 부분방전의 감도는 센서와 결함 사이의 거리에 의존하고, 공진과 감쇄가 크게 일어난다. 특히 주파수가 높을수록 감쇄가 크게 일어나는 것으로 알려져 있다. <그림 4>에서는 GIS에서 펄스 주입점과 거리에 따른 주파수 스펙트럼 특성을 보여주고 있으며, 펄스 주입점과 가장 거리가 먼 No.1의 스펙트럼에서 고주파 영역이 가장 많이 감쇄된 것을 볼 수 있다. 그러므로 GIS에서는 센서를 일정간격으로 여러 개 설치하여 부분방전 신호의 측정감도를 높이고 위치점 측정을 하여 감시와 진단을 행한다.
이와 같이 측정된 부분방전의 결과로부터 진단을 하기 위해서 방전이 발생하는 원인 분류를 부분방전 신호 형태를 사용하는 방법과 전원위상을 기준으로 발생 형태를 사용하는 방법으로 크게 나누어 살펴볼 수 있다. 최근 측정 기술의 발전으로 수백㎒ 이상의 주파수 대역폭을 가진 측정 방식이 가능해짐에 따라 결함의 종류나 열화 과정에 따라 특이한 신호 형태를 출력하게 되는 부분방전 신호의 특성을 토대로 방전원을 분류할 수 있는 방안들이 많은 관심을 끌고 있다. 그러나 이 방법은 신호처리에 넓은 주파수 대역이 사용되기 때문에 부분방전 신호의 전송 과정에서 발생하는 왜형과 감쇄 등이 적용에 큰 문제가 되고 있다. 더욱이 실험실에서 사용되는 전극시료가 아닌 실 기기에서는 방전 발생원과 검출부 사이의 거리가 더욱 멀어지기 때문에 이 문제는 더 크게 부각되어 작용한다. 그래서 방전원의 분류 방법으로 실적용 측면에서 기존의 측정 방식에 의해 얻어지는 전원위상을 기준으로 한 방전신호의 발생 형태를 사용하는 방안이 주로 사용되고 있다. 이 방법은 전원위상의 한 주기를 일정한 수의 위상각 창으로 분할하고 각 위상각 창 내에서 발생되는 부분방전의 최대 및 평균 크기와 발생 빈도 등으로 부분방전을 형상화하는 것을 보여준다. 이 과정에서 측정되는 결과는 설정된 측정 사이클만큼의 측정이 반복되어 각 위상각 창에 최대치, 평균치 또는 누적치 등으로 나타나며, <그림 5>는 이의 한 예를 표시한 것이다. 그리고 신호형태에 분석법을 가미하여 좀 더 발전된 양상을 보여주는 이중대역의 부분방전 측정법은 대역 간 측정된 값의 크기를 비값으로 나타냄으로써 방전원의 종류와 상태까지 진단이 가능하다. 일례를 <그림 6>에 나타냈으며, 침전극 방전에서 가스압에 따라 패턴은 같지만 비값은 다르다.
이와같은측정에서방전원을진단하기위해서는여러 가지 통계적 연산자를 사용하여 형상화된 부분방전 발생 분포 특징을 표현하는 과정에서 어떤 연산자가 방전원에 따른 분포를 인식하는 데 가장 효과적인가를 결정하는 것이 선행돼야 한다. 이 분야에서 일반적으로 사용되어지는 연산자는 스큐니스(Skewness : Sk), 커토시스(Kurtosis : Ku), 상관성 정도(Cross Correlation : CC), 비대칭성(Asymmetry), 첨두치 개수(Number of Peak : Pe) 그리고 방전 발생 전압의 위상각 비(Phase Factor) 등이 있다. ② GIS에서 초음파 진단 기술 GIS에서 발생하는 초음파는 부분방전이나 이물의 진동에 의해 일어나는 충격파에 기인한다. 이와 같은 진동은 GIS 탱크 외부에 초음파 센서를 부착하여 측정하는 것이 가능하다. 이 방법은 현장의 전기적 잡음 영향을 피할 수 있어 매우 유용한 현장 측정법으로 알려져 있다. 금속입자의 충돌에 의해서 발생하는 진동에 포함된 주파수 성분은 50k㎐에서 수백 k㎐까지의 범위이고 금속입자의 형태와는 관계가 없다. 초음파 센서로 정격전압에서 GIS 내부에 있는 수 ㎜ 길이의 금속입자를 검출하는 것이 가능하다. 현장시험에서는 인가전압을 높게 하지 못하고 주변 잡음도 크므로, 수십 pC 이하의 부분방전을 측정하기 위해서는 초음파 측정기를 사용하는 편이 낫다. 5~6㎸/㎝의 전계강도에서도 알루미늄은 부상하므로 거의 운전 전계강도에서 진단이 가능하다. <그림 7>은 알루미늄과 구리의 이물이 있는 GIS에서 초음파 측정을 한 것이다. 전압이 인가되어 이물을 여기한 전압이 구리가 210㎸일 때 알루미늄은 145㎸로 매우 낮음을 알 수 있으며 알루미늄의 이물에서 저주파 성분이 강한 것으로 분석된다.
⑵ 가속도 센서에 의한 통전 진단 기술 국부 과열에 관한 진단은 온도 측정에 의해 행할 수 있지만 이상의 초기 단계 검출에는 한계가 있으므로, 국부 과열에 의해 발생하는 진동을 이용한 진단이 유효한 것으로 되고 있다. <그림 8>은 국부 과열에 의해 진동 발생 메커니즘을 표시한 것이다. 이 진동은 통전에 의해 마이크로적인 접점의 온도 변화가 발생한다고 여겨진다. 통전전류 I가 흐르면 접촉부의 저항에 의해 접점부에는 전압 E에 변화가 생긴다. 이 때 전압변화는 인가전압의 주파수에 의존한다. 이 전압과 전류에 의해 접점부에서는 주울 열이 발생하고, 상용주파 2배의 기본 주파수를 갖는 온도 변화 △T를 반복하는 것이다. 온도 변화 △T에 의해 접점부는 팽창, 수축을 반복하고 이것이 진동원이 되어 탱크에 전해진다.
<그림 9>는 통전전류에 의한 가속도 센서의 출력을 FFT 분석한 경우로, 120㎐, 240㎐의 성분을 살펴보면 통전전류가 큰 <그림 9>의 ⒜가 <그림 9>의 ⒝에 비해 신호의 크기가 큰 것을 알 수 있다. 따라서 이들 신호의 주파수 스펙트럼 감시를 통해 경미한 단계에서 이상을 검출하는 것이 가능하다.
2. 진공차단기 진단 기술
⑴ 진공도 측정 진공압력 상승의 상태를 파악하기 위해서는 진공밸브 내부의 진공압력을 정확히 측정하는 것이 불가결하다. 진공압력의 측정에는 여러 가지 방법이 있지만, 여기서는 내전압 시험법, 중간전극 전위 검출법에 대해서 기술하고자 한다. ① 내전압 시험법 진공밸브의 진공도가 어떤 원인으로 저하한 경우, 진공밸브 전극 간의 섬락 전압치는 파센의 법칙에 의해 약 13~133Pa(10-1~1Torr)에서 최저 섬락전압치를 나타낸다. 이 현상을 이용하여 내전압 시험을 행한다. 진공차단기를 개극하여 1상의 동상극 간에 교류 또는 직류 고전압을 인가하고 누설전류를 계측하여 합부를 판정한다. 이 방법은 간단히 행할 수 있기 때문에 일정기간 사용한 것에 시험을 실시하고 진공밸브 내부 압력의 양부를 판정하는 것으로 보수 점검 시 넓게 채용되고 있다. ② 중간전극 전위 검출법 진공밸브의 중간전극의 전위는 진공도가 정상인 경우에는 전극부와 고압, 접지 전위 간의 용량분압에 의한 전위가 측정되지만, 진공도가 저하한 경우는 고전압부와 중간전극에서 방전이 발생하여 중간전극의 전위는 방전에 따라 변동한다. 이 때 중간전극 전위 변화에서 진공도의 저하를 검출한다. 이 경우 중간전극의 전위 계측은 직접 측정이 곤란하기 때문에 고절연 성능의 포켈스 효과를 응용한 광전계 센서 또는 대향전극을 사용하여 중간전극 전위변화를 검출하는 방법이 있다. 이 방법은 검출부와 대향전극을 처음부터 설치하는 것이 필요하며 극주구조가 약간 복잡하게 되지만, 상시 감시가 가능하기 때문에 예측 보전을 위한 상태 감시에 이용된다.
⑵ 접촉자 소모량 측정 진공차단기에서는 접점의 소모가 생긴 경우 접점에 일정 접촉압을 가하는 압접 용수철의 압접 치수가 감소하므로 통상의 압접 치수에 의해서 전극 소모량의 관리를 간단히 행한다. 압접 치수를 관리하는 방법으로는 와이프(Wipe) 게이지로 측정하는 방법과 압접부에 목측선을 넣어서 확인하는 방법이 있다. <그림 10>은 일례로서 와이프부의 목측선에 의한 접점 소모량의 측정 방법을 표시한 것이다.
⑶ 접촉저항 측정 접촉자의 양 극부에서 10~100A 정도의 직류전류를 통전하고 그 회로의 전압강하에서 옴의 법칙을 이용하여 접촉저항을 계산하여 구한다. 양부판정은 제작자 기준치에 의한다. 참고로 규격에서 정하는 전류치는 JEC-2300, JIS C 4603에서는 10A 이상, IEC 60056은 50A 이상 정격전류로 하고 있다.
마무리
이상과 같이 차단기 진단 기술에 대하여 한정적인 지면 관계로 중요한 부분에 대해서만 간단히 소개를 했다. 전력 공급의 신뢰성 향상을 위해서 전력기기의 진단은 앞으로 매우 중요한 요소로 부각될 것이며, 이 기술 개발은 미래 전력기술인 스마트 그리드의 기술 개발에도 기여할 것이다.
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