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㈜효성 중공업연구소(www.hyosung.co.kr)
차단기 연구팀_정동훈 선임 연구원
(031)428-1000 / jdh0330@hyosung.com
개요
본 연구는 SF6 가스를 적용한 GIB 공장시험을 온실가스 저감을 위해 Dry Air 가스로 대체한 GIB의 공장시험 절차 간소화 및 공정개선에 적용하고자 한국전력공사의 품질검사소 TDR팀의 입회하에 실험을 진행한 것이다.
연구 배경
세계적으로 전력기기 산업은 1940년대부터 미국과 유럽을 중심으로 발전하기 시작해 현재 유럽의 ABB, Siemens 등 거대기업들과 일본의 Japan AE Power Systems Corp. 및 TM T&D 등이 기술 개발을 선도하고 있다.
해외 선진업체들은 초고압 및 대용량화, 낮은 비용과 높은 신뢰도 등을 목표로 새로운 제품을 개발해 시장 선점 및 기술경쟁력을 강화하고 있다. 뿐만아니라 후발국의 시장 잠식 견제를 위해 안전성 및 신뢰성에 관한 국제 기술규격 및 시험기준을 강화함으로써, 에너지 및 환경 라운드에 대비한 전력기기 기술 개발에 집중 투자하고 있다.
교토의정서에 따르면 온실가스로 포함되어 있는 이산화탄소(CO₂), 아산화질소(N₂O), 메탄(CH₄), 불화탄소(PFCs), 수소불화탄소(HFCs), 불화유황(SF6) 등 6종류에 대해 38개국 선진국은 2008년부터 2012년까지 그 배출량을 1990년 대비 평균 5.2% 줄이고, 우리나라가 포함되어 있는 개발도상국은 2013년부터 2017년까지 감축해야 한다.
이러한 국제 규제 강화에 대응해 Toshiba, Japan AE Power 등의 선진사에서는 SF6 가스를 대체할 새로운 가스로, SF6 가스와 혼합가스에 대한 기기의 적용 가능성에 관한 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 또한 N₂가스와의 혼합 및 CO₂가스의 적용 등도 연구하고 있다. 현재 CO₂가스를 사용한 차단기의 연구도 발표되고 있으며, 혼합가스(SF6+N
₂)를 사용한 경우에는 재활용 할 때 혼합한 개개의 가스를 분리해 회수하는 기술도 연구하고 있다.
일본의 NISSIN사는 Dry Air와 고체절연을 혼합적용해 복합절연타입으로, JAEPS사는 Dry Air 혹은 N₂를 적용하고 있으며, TOSHIBA사는 고체절연을 적용해 개발했다. 국내의 경우 고체절연과 Dry Air를 적용해 개발했다. 이와 같이 Medium Voltage급에서는 여러 방법으로 적용되고 있는 반면, High Voltage급에서는 SF6 가스를 대체할 수 있는 차단 및 소호능력을 가진 절연매질 연구가 이루어지고 있으나 아직까지 기초연구만 진행되고 있는 실정이다.
㈜효성은 SF6 가스 저감을 위해 2종의 피시품 공장시험을 Dry Air 가스를 적용해 시험전압을 산출했다.
Dry Air 절연 특성
SF6 가스를 전혀 사용하지 않은 GIS 개발은 SF6가스 대체기술의 핵심이다. 현재까지는 대체절연가스로 주목 받고 있는 것은 질소(N₂)와 건조공기(Dry Air)이다.
압력은 운동하는 분자가 벽에 충돌할 때의 운동량의 변화에 바탕으로 한 힘으로 포착할 수 있다. 공기는 분자 상호 간의 힘이 약하므로 체적은 압력, 온도에 따라 쉽게 변화하는 압축성 유체다.
Dry Air는 수증기를 전혀 함유하지 않는 건조한 공기를 말하며, 실제로는 존재하지 않는다. 온도가 너무 높지 않은 Dry Air는 완전가스에 아주 가까운 성질을 갖고 있으므로 완전가스로 간주해 계산할 수 있다. Dry Air는 질소, 산소, 탄산가스, 아르곤 등의 혼합기체다. 본 연구에 적용된 Dry Air 가스성분은 <표 1>과 같다.
 통상적으로 N₂가스와 Dry Air의 절연 성능은 SF6 가스의 1/3 정도로 알려져 있다. 3가지 절연가스에 대해 절연내력을 비교하면 SF6 가스를 100이라 했을 때, N₂가스가 약 39, Dry Air가 37 정도이다. Dry Air의 구성 물질은 N₂/O₂로 되어 있고 O₂배합을 변화시키는 것으로 공기보다도 절연성이 우수한 가스를 만들 수 있으며 실제 절연물에 대한 연면전계는 SF6 가스보다 높다.
시험전압 도출
1. 파괴전압 도출 Process
도출된 모든 파괴전압 기준은 절연파괴 통계이론과 신뢰성 분석 Flow에 의한 Process이다.
전기 절연파괴를 비롯한 각종 파괴현상에서는 계내의 파괴강도가 가장 낮은 부분(약점부)의 특성에 의해 계전체의 특성이 지배되며, 이와 같은 파괴를 약점파괴라 한다. 이와 같은 계에 대한 해석 수단으로 Weibull 분포를 이용한 통계적 수법이 널리 이용되고 있다.
시험의 신뢰 수준 결정을 위해 시험 데이터의 신뢰 수준을 95% 결정하고 하한값을 적용해 50% 절연파괴전압을 도출했다.
2. 해석 및 파괴 시험
2종류의 피시품 구간에 대해서 해석을 통해 절연파괴 지점을 예상하고 AC 내전압 시험을 통해 예상파괴전압을 80%까지 인가한다. 1분간 유지 후 Step별(5%)로 전압상승을 통해 파괴전압을 확인하고 이를 반복해서 시험을 실시했다. <그림 1, 2>는 해석 및 시험 과정을 나타낸 것이다.
<그림 3>은 절연시험을 통한 파괴전압을 도출한 결과를 재해석을 통해 시험결과의 정합성을 검증하고 최종적인 시험전압을 도출한 것이다.
  기대 효과
기후변화협약에 따라 온실가스 감축이 국가의 절대 의무가 되고 있는 가운데 SF6 가스의 사용량을 줄이고 지구온난화 현상에 영향이 없는 Dry Air 가스로 대체하고 제품에 적용해 공장시험을 진행한다면 국제 탄소배출권 거래시장에서 우위를 가질 수 있을 것으로 기대된다.
향후 전개
친환경 전력기기의 개발은 세계적인 추세이며 온실가스을 줄이고 없애는 문제뿐만 아니라 제품의 성능확보가 필요하다. 그러기 위해서는 절연 및 소호에 강한 가스가 필요하며 여러 가지 상황에 대한 연구가 이루어져야 한다. ㈜효성은 친환경 전력기기의 상용화를 목표로 혼합가스(SF6+N₂), Dry Air 가스를 적용한 전력기기의 연구와 개발을 진행중이다.
기후변화협약
지구온난화 방지를 위해 모든 온실가스의 인위적 방출을 규제하기 위한 협약으로 정식 명칭은 '기후변화에 관한 기본 협약'이다. 지구온난화를 일으키는 온실가스에는 탄산가스, 메탄, 이산화질소, 염화불화탄소 등 여러 가지 물질이 있는데, 이중 인위적 요인에 의해 배출량이 가장 많은 물질이 탄산가스이기 때문에 주로 탄산가스 배출량 규제에 초점이 맞춰져 있다. 기후변화협약은 생물다양성 협약과 마찬가지로 1992년 6월 리우회담에서 채택됐고, 1994년 3월 21일 발효됐다. 전문과 26개 조항으로 구성되어 있는 이 협약은 주요 내용으로 가입국의 의무사항, 재정 지원, 기술 이전, 조직 등이 있다. 의무사항은 개발도상국과 선진국 모두에게 공통적으로 적용되는 일반 의무사항과 선진국에만 적용되는 특별 의무사항으로 구분된다. |
<Energy News>
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