[해외기술특집] 차단기·GIS 온라인 진단 기술

▶ 개요
차단기는 전력 계통 이상 시에는 단락, 지락 등의 고장 전류를 신속하게 차단하고 계통 정상화를 도모하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 또 차단기 외에 단로기, 접지 개폐기, 모선 등으로 구성된 가스개폐장치(GIS : Gas Insulated Switchgear)는 소형으로 고신뢰성인 데다 유지 보수도 들지 않는다는 특징에 의해, 많은 전력 네트워크에 폭넓게 사용
되고 있다.
이런 차단기, GIS는 접촉자 및 개폐기기를 가지기 때문에 기계적 노화가 발생하지만, 밀폐형 구조가 많아 상세한 점검을 행하기 위해서는 코스트와 시간이 걸리는 개방 점검을 행할 필요가 있다.
여기에서는 차단기·GIS 노화 현상과 개방 점검 등의 실시 시기 적정화에 기여할 수 있는 온라인 진단 기술에 관한 조사 결과의 개요와 향후 과제에 대해 설명한다.


▶ 온라인 진단 기술

1. 차단기 온라인 진단 기술
⑴ 스위치기어 부분방전 측정
차단기를 포함하는 스위치기어를 대상으로 하여 부분방전 측정으로 절연 노화 진단을 행하는 가반식 부분방전 검출 장치가 실용화되고 있다.(<그림 1> 참조)


CT로 접지선에의 누설전류를 측정하고 AE 센서로 음향 신호를 검출하여 종합적으로 진단한다. 측정 신호에 포함되는 노이즈 성분과 부분방전 성분을 분리하기 위해서는 웨이브렛 변환으로 시간 주파수 해석을 이용하고, 미리 측정한 기기·형식마다 마스터 커브에 기초하여 신호 강도에서 방전 전하량을 추정한다.

⑵ VCB 공진도 상시 감시
만약 진공차단기의 진동 인터랩터 진공도가 저하되면 계통 전압에서 진공 인터랩터 내 도전부와 실드 간 등으로 펄스 형상 방전이 발생한다. 이 방전에 의해 발생하는 전자파를 안테나로 측정하여 진공도 저하를 검출하는 장치가 개발되고 있다.(<그림 2> 참조)

⑶ 가스차단기(GCB) 차단 전류 평가 시스템
GCB의 커넥터 소모량을 누적 차단 전류·아크 시간의 측정 결과에 기초하여 추정한 GCB 차단 전류 평가 시스템이 개발되고 있다.(<그림 3> 참조)
차단 전류는 계측용 CT의 2차 회로에 설치된 보조 CT에서, 차단 시간은 보조 접점의 동작 신호에서 입력되어 평가된다.

2. GIS 온라인 진단 기술 - 전자파 측정법
⑴ UHF법
부분방전이 방사하는 전자파(UHF대)를 탱크 내부(핸드홀부) 또는 탱크 외부에 설치한 센서로 측정하는 방법이다.
<그림 4>에 내부형 센서, 외부형 센서의 외관을 나타냈다. 내부형은 감도가 좋고 주파수 분석으로 GIS 내부인지 외부의 부분방전인지를 쉽게 식별할 수 있고, 외부형에서는 혼 안테나에 의한 측정법이 효과적이다. 절연 스페이서에서 흐르는 전자파를 저노이즈로 검출할 수 있어 내부형과 동등한 고감도 측정이 가능하다. 또 절연 스페이서에서 누설되
는 부분방전 전자파는 절연 스페이서 형상에 영향을 받아 일정 방향에 편파되는 성질이 확인됐으며, 이 편파 특성을 이용하여 측정한 신호가 GIS 내부에서의 신호인지 외부 노이즈인지를 식별하는 것도 가능하다. <그림 5>는 부분 방전 검출 예를 나타낸 것이다.


모든 센서 대역은 외부 노이즈의 주파수 대역을 훨씬 상회하는 신호 영역(200㎒~2㎓)이기 때문에, 내부형 센서에서 0.1pC, 외부형 센서에서 0.7pC의 미소한 부분방전을 검출할 수 있는 능력이 인정된다.

⑵ 절연 스페이서법
GIS 내 전계를 완화하기 위해 절연 스페이서에 금속 링이 매입된 장소가 있다. 그 링(매입 센서)을 이용하여 <그림 6>과 같이 정전용량 분압의 원리로 부분방전 펄스를 검출하는 방법이다.


측정은 외부 노이즈가 적은 주파수로 행해져 보통 60~70㎒이 선택된다. 측정된 펄스는 증폭기, 핸드패스 필터 등을 거쳐 출력된다. 측정 예를 <그림 7>로 나타냈다. 이 방법으로 10pC의 부분방전 검출을 확인할 수 있다. 더욱이 최근에는 UHF 센서와 매입 센서의 조합 사용에 의해 결핍 종류를 식별하는 방법도 연구되고 있다.

⑶ 음향적 측정법
음향적 측정법은 부분방전에 따라 발생하여 SF6가스 속을 전반한 후 탱크를 여진하는 압력파 및 GIS 속에 혼입한 이물이 정전력에 의해 부상하고 상하 운동하여 발생한 탱크로의 충돌 진동을, GIS 탱크 외벽에 마그네트 홀더 등으로 설치한 피에조 효과 소자(PZT)를 이용한 AE(Acoustic Emission) 센서로 측정하는 방법이다.
AE 센서는 공진 주파수가 수십 ㎑의 역대역이 사용되어 증폭기와 핸드 패스 필터를 통해, 고감도화와 SN비 개선이 행해진다. 측정 장치의 외관 예를 <그림 8>, 측정 예를 <그림 9>로 나타냈다. 부분방전 검출 감도는 2~5pC를 얻었다.

⑷ 분해가스 측정
부분방전 발생 및 콘택트 접촉 불량에 의한 국부 과열 때문에 SF6 가스가 분해되어(<그림 10> 참조) 여러 종류의 분해가스가 생성된다. 이 분해가스를 <그림 11>과 같이 고체 전해질(불화 랜턴)을 이용한 분해가스 센서로 분해가스 속 불소 이온을 선택적으로 검출하여 0.2vol ppm의 측정 감도를 실현한다.


센서는 <그림 12>와 같이 가스 보급구 등을 이용해 설치한 구조기 때문에, 분해가스의 온라인 진단이 가능하다. 또 기존 검지관 방식(검지 소자의 변색 길이에서 분해가스량을 추측하는 방법)과 달리 출력을 전기적으로 얻을 수 있기 때문에 정량 평가 및 트렌드 감시에 효과적인 방법이다.


▶ 마무리
여기에서는 차단기·GIS의 노화 현상과 온라인 진단 기술에 대해서 설명했다. 각종 차단기 및 GIS에 공통된 진단 기술로는 부분방전 측정이 폭넓게 이용되고 부분방전의 현지 측정에서는 설비 운전 상태에서 측정 가능한 전자파 측정법 및 음향 측정법이 이용되고 있지만, 측정 신호가 미약하기 때문에 노이즈 대책이 큰 과제다. 그 때문에 각각의 측정 방법에서 노이즈 대책을 행할 뿐 아니라 복수의 측정 방법을 병용·측정하고, 그 결과를 비교 검토하여 노이즈 저감을 도모하는 방법도 이용되고 있다.
또한 복수의 센서, 측정 방법을 조합한 부분방전원의 위치 표정법 및 결핍 종류의 식별법도 개발되고 있다. 또 가스차단기·GIS에 공통되는 진단 기술로는 가스압 측정 및 SF6 분해가스 검출 등이 있고 센서를 이용한 온라인 진단도 실용화되고 있다.
온라인 진단 기술 중에는 상시 감시를 행하는 시스템도 개발되고 있는데 향후 노이즈 대책, 진단 장치·센서의 장수명화, 도입 코스트의 저감과 같은 과제의 해결과 함께 측정 데이터, 측정 시스템의 호환성에 대한 배려가 기대된다.