기존 가공 송전선로의 고장 발생점의 조기 발견 및 복구를 위해 사용하는 지락점 표시장치(GF: Ground Fault Finder)는 그동안 154㎸ 이하 송전 철탑의 경우에만 적용할 수 있다는 한계점을 가져왔다. 이에 275㎸ 이상의 초고압 송전선로에 적용 가능한 새로운 사양 및 구성의 지락점 표시기의 개발이 필요한 상황이다.
번역·정리유미희 기자
일본 전력기술연구소는 가상 송전선로에 있어서 고장 발생 개소의 조기 발견 및 복구의 신속화를 위해 154㎸ 이하의 송전 철탑에 지락점 표시기(GF)를 설치해 왔다. 그러나, 275㎸ 이상 초고압 송전선은 154㎸ 이하의 송전선과 고장 발생 위치나 고장 케이스에 따라 가공 지선의 고장 전류가 달라 기존 지락점 표시기를 사용할 수 없다는 난점을 가져왔다.이에 현재 초고압 송전선로에 고장이 발생했을 경우, 고장점 표정 장치(FL)*나 낙뢰 위치 표정시스템(LLS: Lightning Location Systm)의 정보를 바탕으로 고장 순시를 실시하고 있으나 장치의 표정오차標定誤差가 큰 경우 고장 철탑을 특별히 지정하는데 많은 노력이 필요해 275㎸ 이상 초고압 송전선로 고장 지점을 식별하는 장치의 개발이 요구되고 있었다.
*고장점 표정 장치(FL): 통신 선로의 고장 발생점을 선로 단에서 검출하기 위한 측정 장치이다. 선로의 정전 용량 측정, 직류 브리지를 사용해 임피던스를 측정하는 방법, 펄스를 송신해 그 반사 펄스를 측정하는 방법 등이 있다.
지락점 표시기(GF) 개요
<그림 1>에 GF 동작 원리를 나타냈다. 가공 송전선에 전기 고장이 발생했을 경우, 가공 지선에 장착된 2개의 검출 코일이 고장 전류를 검지한다. GF는 각 검출코일의 출력 전압 파형 위상을 비교하여 고장 전류가 흐르는 방향을 판별해 고장 철탑만 표시(작동)시키는 장치이다. 또한 검출된 고장 전류로부터 표시부를 동작시키는 에너지를 얻기 위해 전원이 불필요하며 교환 정도의 보수로 장기간 사용할 수 있다.
154㎸ 이하 지락점 표시기(GF)
지락점 표시기는 번개에 의한 고장뿐 아니라 새나 짐승으로부터 입는 재해인 조수해 등의 지락 고장도 감지한다. 또한 고장 전류로 동작하기에 전원을 필요로 하지 않고 고장 철탑만 표시함으로써 지락 철탑의 조기 발견에 절대적인 효과를 발휘한다.
①지락점 표시기의 특징
·154㎸ 다음 송전선에 설치 가능 다회선도 가능
·지락 전류의 위상 고장을 검출G15)
·무전원 고장 전류로 동작
·활선 중에도 설치·교체가능
·지상에서작동확인가능
·동작후는 표시부만 교체
·점검 조정 필요
②동작 원리(G15형)
철탑을 사이에 두고 가공 지선에 설치한 검출 코일이 지락 전류를 감지한다. 지락 고장이 발생할 경우 가상 지선에서 고장 전류를 분류해 위상 차이를 감지하는 것으로 고장 철탑만 표시한다. 일반적으로 위상 감지는 IC 회로와 전원이 필요하지만, 무전원을 실현함으로써 유지 보수가 필요 없다. 가공 지선이 없는 선로에는 G3HC·G3HS·G0형으로 대응한다(<사진1> 참조).
초고압송전선용지락점표시기GF)의개발
(1)고장 전류의 파악
지락점 표시기(GF)는 가공 지선에 흐르는 전류를 검출하는 것으로 고장 철탑을 판별하고 있다. 이에 장비의 사양 결정에 있어 초고압 송전선로의 고장 전류를 파악할 필요가 있다. 그러나 초고압 송전선로는 고장 전류가 최대 수십 ㎄(154㎸ 이하 송전선의 수십 배)가 되는 한편, 고장 위치·고장 양상에 의해 고장 전류가 크게 다르다. 또한 가공 지선은 2조 또는 3조로 설치되어 있어 고장 전류가 흐르는 방법이 복잡하다. 따라서 <표1>에 설비 구성이나 고장 사례 등의 계산 조건에서 가공 지선으로 분류하는 고장 전류를 계산해 나타냈다.
(2)고장 전류 계산 결과
①가공 지선의 다조화(2조·3조)에 따른 고장 전류의 편향은 적고 철탑 1기당 1대의 GF 설치로 고장점의 특정이 가능하다.
②가공 지선 1조에 흐르는 최소 전류치는 중간 부근의 철탑에서 1.0㎄정도였다. 275㎸송전선의 고장 전류 계산 결과 사례를 <그림2>에 나타냈다.
③단락 고장 발생 시 고장점 이외 철탑의 가공 지선에 흐르는 전류가 GF를 오동작 시키는 방향으로 흐르는 경우가 있는 것을 확인했으며 이때 전류값은 최대 100A였다.
초고압 송전선용 GF 사양
고장 전류 계산 결과를 기초로 동작·비동작 수준의 검토를 실시해 <표 2>와 같이 초고압 송전선용 GF 사양을 결정했다. GF 동작 전류값은 다른 선로와의 적용을 고려해 산출한 최소 전류값에 대해 유도를 갖게 한 설정으로, 비동작 전류값은 단락 고장 시 유도 전류에 의해 오동작이 발생하지 않는 레벨로 설정했다.
초고압 송전선용 GF 구성
GF는 고장 발생 시 가공 지선에 전류가 흐르면 철심 내부에 발생한 자속을 검출 코일이 포착함으로써 전압을 발생해 표시부를 작동시킨다. 그러나 가공 지선에 과도한 전류가 흐를 경우 철심 내부에 생기는 자속이 포화해 GF를 작동시키기 위한 출력 전압을 얻을 수 없다.
이에 <그림 3>과 같이 검출 코일부의 간격 길이(가공 지선 사이의 철심 간격)를 확대하는 것과 동시에 검출 코일과 철심의 사이에 공극을 마련하여 센서를 적용했다. 따라서 철심과 공심 2개의 자기 특성을 겸비해 광범위한 전류에 대응할 수 있도록 했다. GF의 외관은 <그림 4>와 같다.
동작 검증 시험
사양·구성 검토를 기본으로 대전류의 통전이 가능한 초고압 송전선용 GF를 일반 재단법인 전력중앙연구소 대전력 시험장(요코스카)에서 통전 시험을 실시했다. 시험 제품의 설치 패턴을 <표 3>, 시험상황을 <그림 5>로 나타냈다. 통전 시험 결과 동작 범위 및 비작동 범위의 전류에서 작동하는 것을 확인했다. 또한 최대 50㎄까지 통전 시험에서도 정상적으로 작동했으며 회로부, 본체 케이스, 케이블 등에 손상이 없는 것을 확인했다.
향후 예정
이번 275㎸ 이상 초고압 송전 선로의 고장 전류 파악을 위해 사양·구성을 결정해 시제품 실험에서 양호한 시험 결과를 얻을 수 있어 초고압 송전선용 GF의 실용화 목표를 갖게 됐다.
본 개발품은 275㎸ 죠에츠 화력선 중 겨울철 고장점 탐색이 어려운 철탑 No.28~No.104(77개)에 적용했다. 이에 본 표시기의 적용으로 고장점의 조기 특정에 크게 기여할 것이다. 향후 275㎸ 죠에츠 화력선의 고장 데이터와 현지에 설치한 GF 동작 상황을 조합해 실필드에서의 평가를 실시할 예정이다.
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