절연열화 예측시스템 수배전반

㈜태성계전_차영두 대표 (061)724-3837~8 / www.tsie.co.kr 개요 과학문명의 발달로 전기를 에너지로 사용하는 물품들이 늘고 다양한 기능이 추가되면서 소비되는 전력이 계속 증가하고 있으며, 이를 충족시키기 위해 전기실의 용량이 대형화되고 있다. 또한 과다한 전기사용으로 특고압 및 저압배전반 내 각종 시설물이 절연열화되어 전기적 사고가 늘고 있는 추세다. 예기치 못한 불시 정전으로 경제적인 손실은 물론 일시적 업무마비 현상이 발생하여, 모든 작업을 컴퓨터로 수행하는 현 세대에 있어서는 데이터 손실로 인해 막대한 피해를 입을 수 있다. 절연열화 예측시스템은 특고압, 저압 배전반에 적용하여 절연열화를 원인으로 하는 전기적 사고를 미연에 예방할 수 있고 화재발생 시 5초 이내에 화재를 초기 진압하는 기능을 갖추고 있는 수배전반이다. 또한 전력 계통을 한눈에 감시 및 제어할 수 있으며 각종 차단기 및 부스바, 전기 시설물의 절연열화 상태를 상시 감시하여 운전자에게 통보하므로 특정 상황에 대한 조치 및 조작을 신속히 수행한다. 이로써 전력 계통에 대한 불시 정전을 예방함과 동시에 효율적 관리, 에너지 절약, 화재 및 고장예방, 설비의 유지 관리, 인건비 절약에 크게 기여하는 시스템이다. 기술 개발 배경 1. 절연열화 발생 요인 MCSG 패널의 절연기기(에폭시 몰드형 CT, PT, 부싱, MOF)는 여러 가지 전기적, 기계적, 환경적 또는 제작 시 문제점으로 인해 부분방전, 코로나(Corona), 플래시 오버(Flash Over) 등의 절연 파괴 사고를 발생시킬 수 있다. 2. 기존 전력제어와 절연열화 예측 수배전반 시스템 비교 ⒧ 기능성 단순한 감시제어 기능이었던 기존 시스템에 비해 절연열화 예측시스템은 감시제어 기능은 물론 전기설비의 열화 상태를 감시하는 기능과 개별적인 자동제어 기능이 있다. ⑵ 경제성 기존 전력제어 시스템을 구축하기 위해서는 MICRO RTU를 설치하거나 PLC를 이용한 수배전반 외 별도의 제어 패널이 설치되므로 시설비용이 발생했다. 하지만 절연열화 예측 수배전반은 별도의 제어반이 없이 디지털 계전기만으로 최첨단 신기술 제어시스템을 구축할 수 있어 시설비를 절감할 뿐 아니라 디멘드 컨트롤 제어기능을 이용하여 최대 수요전력을 관리 전기요금을 절감한다. ⑶ 호환성 기존 시스템은 연동 통합 시스템 구축이 불가능하지만, 절연열화 예측시스템은 전 시스템 조명제어 및 냉난방제어를 포함한 통합제어가 가능하다. ⑷ 안전성 절연열화 예측시스템은 고장 구간의 개별적인 개폐가 가능하고, 패널 내 화재발생 시에는 자동으로 소화됨으로써 화재를 미연에 방지할 수 있는 안전성이 있다. 절연열화 예측시스템 절연열화 예측시스템은 비접촉식 적외선 온도센서로 기기 표면온도를 측정하고 측정된 온도를 컴퓨터로 전송하여, 온도상승 변화 값을 화면에 표시한 후 컴퓨터 자체에 프로그래밍 표준 모델 값과 측정된 온도 값을 비교 분석한다. 비교 분석을 통한 전기 시설물의 열화 상태를 주의, 경고, 위험 상태로 화면에 표시하고 경보를 발생하여 운전자에게 통보한다. 절연열화 예측시스템은 이처럼 전력시스템의 현 상황을 예측하여 관리자에게 통보함으로써 관리자로 하여금 유지 보수 계획을 수립, 적절한 조치를 사전에 취하게 하여 절연열화에 의한 전기적 사고를 미연에 예방하도록 한다. 또한 자동소화 기능을 갖추고 있어 화재발생 시 인적, 물적, 재산상의 손실을 최소화한다. 1. 주요 기능 ⑴ 감시 기능(Monitoring) 각종 차단기(VCB, ACB) 및 계전기(OCR, OCGR, OVR, OVGR 등)의 현 상태 및 동작상태 감시, 각 기기의 표면온도 값, 상별 전압, 상별 전류, 전력, 전력량, 역률, 주파수 등을 자세히 화면상에 표시한다. ⑵ 제어 기능(Controlling) ① 원격 제어 원거리에 설치된 차단기의 투입이나 차단기 현장 패널 조작 시 감시실에 설치된 컴퓨터에서 원격으로 제어한다. ② 디멘드 제어 사용 전력량의 최대 수요 전력량이 초과하지 않도록 피크치를 설정하여 사용 부하 초과 예상 시 부하의 중요도에 따라 자동 조절함으로써 피크치 초과에 따른 전기요금 추가부담을 해소하고 에너지를 절약한다. ③ 정·복전 제어 미리 작성된 정·복전 시나리오에 따라 정전 시 순차적으로 부하를 개폐 투입함으로써 동시 투입에 따른 사고와 기기적인 충격 및 사고 파급을 방지한다. ⑶ 보고서 기능(Reporting) ① 수배전 일지 수배전 상태 및 절연열화 상태를 실시간으로 특정 양식에 따라 관리자가 지정한 시간에 일보·주보·월보 등이 자동으로 출력한다. ② 보안 기능 기능별 중요도에 따라 사용자별 보안 등급을 설정하여 실무자 외 외부인의 임의적인 시스템 접근 및 조작을 방지한다. ⑷ 자동소화 기능 화재발생 시 자동으로 소화가스를 이용하여 5초 이내에 화재를 진압한다. 2. 구성 ⑴ 수배전반 기기의 구성 요소

[그림 1] 절연열화 예측시스템 구성도

① 특고압반 절연열화 예측(화재 및 고장 예방형) 특고압 수전반(한국전기 시험 연구원 : IEC 62271-200 형식승인 획득) - 정격전압 : 24㎸ - 정격전류 : 12.5㎄, 630A - 정격주파수 : 60㎐ - 정격제어전압 : DC 110V - 보호등급 : IP 3X

[그림 2] 특고압 수전반

② 고압용 디지털 계전기 특고압반과 고압반에 꼭 필요한 보호 계전 시스템 - 신뢰도와 안정성 보장 (IEC 60255-22 EMS 테스트, IEC 61010기준 통과)RS 485 MODBUS 통신 제공

[그림 3] 고압용 디지털 계전기

③ 저압 배전반 절연열화 예측(화재 및 고장예방형) 저압 배전반(한국전기 시험 연구원 : IEC 60439-1 형식승인 획득) - 정격전압 : 380㎸ - 정격전류 : 35㎄, 2000A - 정격주파수 : 60㎐ - 정격제어전압 : AC 220V - 보호등급 : IP 3X

[그림 4] 저압 배전반

④ 저압용 디지털 계전기 - 디지털 입력 8점 이상, 디지털 출력 2점 이상을 동시 제공 - 아날로그 입력 모듈 무선 장착 가능 - RS 485 MODBUS 통신제공 (통신 속도 : 1200~57600bps) - 계측 기능 : 상전압, 선간전압, 상전류, 전력, 전력량, 역률, 디멘드, Peak 디멘드 최대/최소 표시 등

[그림 5] 저압용 디지털 계전기

⑵ 비접촉식 온도 센서 비접촉식 적외선 온도 센서는 충전부간 이격거리를 확보하고 온도 변화에 민감하다. 40㎝ 거리 20Φ 감지 반경을 가지며 온도센서 자체에서 4~20㎃ 신호를 출력하고 외부 노이즈에 강하다.

[그림 6] 비접촉식 온도 센서

⑶ MOS(Main Operator Station) : Main Processor - CPU - Monitor

[그림 7] Rack 전용 산업용 컴퓨터

⑷ 자동소화장치 수신기가 불필요한 직접 경보 방식으로 패널 화재 발생 시 0.5초 내로 자동으로 소화가스를 분출하여 초기에 화재를 진압한다.

[그림 8] 자동소화장치

⑸ 운영 프로그램 MMI(Man-Machine Interface)는 컨트롤 그룹(Control Group), 그래픽(Graphic), 트랜드(Trand), 과거 메시지(Historical Message), 리포트(Report), 엔지니어링 기능, 감시 및 제어 기능, 데이터베이스 구축 기능, 안전 기능 등을 통해 보다 나은 운전자 편의 기능을 제공한다.

[그림 9] 컨트롤 그룹 화면

도입 효과 1. 사고 방지 절연열화 상태를 상시 감시하여 관리자에게 통보함으로써 특정 상황 발생 시 사전에 적절한 조치를 취하여 사고를 미연에 방지할 뿐 아니라, 정전에서 복전 시까지의 조치사항을 미리 프로그램에 입력시켜 처리함으로써 사고 방지효과를 기할 수 있다. 2. 절연열화 상태 및 전력 감시체계 구축 전력 계통의 모든 상태를 컴퓨터가 관리·운용·제어함으로써 절연열화 상태 및 전력 감시의 효율성을 기한다. 3. 단계별 안전성 확보 ⒧ 1단계 절연열화 상태에 의한 단계적 경보 발생시킴으로써 사전에 조치를 취해 사고를 미연에 방지한다. ⑵ 2단계 사고 구간별 개폐기능으로 사고 파급을 방지한다. ⑶ 3단계 화재발생 시 자동소화 기능으로 화재로 인한 2차 사고를 방지한다. 4. 에너지 절감 전력 계통 설비의 디멘드(Demand) 제어, 역률 제어 등의 기능을 통해 최적으로 기동·정지 제어하여 에너지 절감 효과를 높일 수 있다. 5. 효율적인 전기 시설물 관리 수집된 데이터로 수배전 일지 등의 관련 보고서를 특정 양식에 맞추어 자동으로 작성하고 관리자가 지정한 시간에 자동으로 출력시킴으로써 업무 간소화와 효율성 및 사고발생 시 사고원인의 파악이 용이하여 빠르게 조치할 수 있다. 6. 유지 관리 용이 전력기기의 모든 상태를 24시간 감시하여 이상 시 경보 발생 및 기록 운전자의 조작 이력을 상세히 기록하고 보존함으로써 관리자가 사고 발생 지점을 정확히 판단하여 신속히 조치하도록 하며, 기기별 유지 및 보수를 신속히 처리하도록 한다. 시장 규모 1. 국내 시장 ⒧ 국내 시장 현황 국내 수배전반 및 자동제어 기술 보유한 업체들은 다수지만, 절연열화 예측시스템 내장형 수배전반은 국내외 최초로 개발된 기술이다. ⑵ 전기산업 中 배전 및 자동제어기 시장 규모 2. 해외 시장 ⒧ 해외 시장 현황 수배전반 및 자동제어 기술은 독일 및 일본이 세계 최고지만, 현재 동남아시아 및 중국, 중동 시장도 각각 21%, 35%, 21%로 빠르게 성장하고 있다. 따라서 해외 업체들의 우수한 기술을 받아들이기보다는 차별화된 독자의 기술을 보유하는 것이 시급한 실정이다. ⑵ 전기산업 中 배전 및 자동제어기 시장 규모 마무리 절연열화 예측시스템 내장형 수배전반을 사용함으로써 수배전반의 내부 설치기기에 복수의 측정지점을 복수의 비접촉식 적외선 온도센서로 측정하고, 컴퓨터 프로그램에 지정된 표준 모델 값과 비교하여 주의·경고·위험을 단계적으로 화면상에 표시함으로써 컴퓨터를 통해 통합적으로 관리할 수 있다. 이에 따라 실시간 연중무휴 감시가 가능하고, 유사시 경보를 화면 상태로 알려주거나 단문 메시지를 통해 관리자에게 직접 알려주며 부품별 사용 한계온도 도달 시 자동으로 차단하여 절연열화를 원인으로 하는 전기 사고를 예방할 수 있다. 또한 절연열화 상태를 예측 및 인지한 관리자로 하여금 유지 보수 계획을 세워 적절한 조치를 취하게 함으로써 양질의 무정전 전력을 공급하고, 정전사고를 미연에 방지한다. 수배전반 내에 화재발생 시 자동으로 화재를 소화하는 기능을 내장하고 있어 화재로 인한 2차 사고를 방지하며 인적, 물적, 재산상의 손해를 최소화할 수 있다. 차영두(車永斗) 1951년생. 1972년 광주 조대 공업전문대학교 졸업. 1993년 연세대학교 산업대학원 수료. 현재 ㈜태성계전 대표이사 열화(Deterioration) 부품이나 재료의 품질이나 특성이 나빠지는 것을 말한다. 열화 고장(Gradual Failure) 특성이 점차 열화하여 사전에 검사 또는 감시를 함으로써 미리 예측할 수 있는 고장 경년열화 현상 시간이 경과함에 따라 부품이나 재료의 품질이나 특성이 나빠지는 현상을 말한다. 절연열화(Insulation Aging) 전기설비의 절연물은 인가된 전압과 열의 발생, 빛, 산소, 수분과의 접촉 등에 의해 절연성능이 변화하며, 사용에 따른 경년열화는 절연물 저항성분의 감소에 따라 손실전류가 증가하여 절연물의 손실전력을 증가시킨다. 절연물 손실전력은 정상적인 손실과 오염 성분, 열화 성분에 의한 것의 합으로 생각할 수 있다. 오염 성분은 수분, 탄소, 먼지, 이물질 등에 의한 것이고 열화 성분은 탄화, 코로나, 방전 등에 의해 발생한 것으로 볼 수 있다. 이러한 열화에 의해 절연물은 내전압, 체적저항률 등이 감소하고 산가, 점도, 불순물 입자의 수 등이 증가하게 된다.