[전기를 보다 안전하고 편리하게 ④] 전력 설비를 위한 통합형 예방 진단 시스템

현대 사회에서 가장 필수적이며 간편하고 안전한 에너지는 바로 전기다. 주거 · 산업 시설에 없어서는 안 되는 필수 원동력으로, 단 몇 초간의 전기 공급 중단으로 말미암은 손해는 어마어마하다. 따라서 작은 전기 사고라도 간과하면 안 되며 큰 사고로 번질 가능성을 차단하고 방지하려는 노력이 지속적으로 이뤄져야 한다. 최근 산업 사회의 고도화와 더불어 이러한 노력은 더욱 필요한 실정이다. 전력 수요의 급증과 그에 따른 대용량 에너지 공급 요구에 부응하고자, 발전과 전기 설비는 점점 대용량화하고 초고압화하기 때문이다. 또한, 전력 계통 구조는 더욱 복잡해져 전기 설비에서 사고가 발생하면, 그 영향은 광범위하게 미치고 전력공급에 어려움이 커지며 동시에 이를 복구하는 데에 엄청난 경제적 손실이 뒤따른다. 이러한 이유로 전력 설비의 원활한 운용과 안정성 · 신뢰성 확보는 현대 사회에서 중요한 이슈로 떠올랐다. 이러한 사회적 요청에 부응하기 위해 전기 설비의 이상 징후를 예측하고 감시해 유지 보수를 도모하며 전력 공급의 안정성을 확보하는 것이 바로'전력 설비 예방 진단 시스템'이다.
글 강동구 <지멘스코리아 Energy부문 Power Distribution 사업본부 부장>
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예방 진단의 부족 혹은 부재로 말미암아 세계곳곳에서 발생한 전력 설비 사고의 예는 다음과 같다.
2005년 독일에서 송전탑 83대가 무너졌다. 전력사용의 증가와 밀집화로 말미암아 송전탑이 30, 40년 이상 노화돼 발생한 사건으로, 25만 명 이상이 정전 피해를 입었다(<사진 1).
2004년 미국에서 발생한 변압기 폭발 사고는 전력 설비 노후화에 따른 대표적인 예다(<사진 2,3>). 현대 산업 사회의 발달로 미국에서 변압기 폭발 사고는 기하급수적으로 증가하고 있다(<표 1>참조).
그 대부분은 사전 점검과 보수가 미흡했기에 발생한 인재로, 전력 설비 예방 진단의 필요성을 여실히 보여준다.

전력 설비 예방 진단 운용 범위

전력 설비의 예방 진단은 그 운용 범위가 넓다. 여기에서 중요 전력 설비에 대한 예방 진단법을 소개한다.

GIS<가스 절연 개폐 장치>

GIS는 사고발생 시, 사고범위가 광범위해 미세한 결함까지도 예측하고 방지하려는 노력이 중요하다. 여러 연구에서 절연파괴를 대다수 GIS 사고의 원인으로 꼽았다. 절연 파괴가 사고로 발전하기 전에 펄스 형태의 부분 방전이 발생한다. 이 부분 방전을 감지해 GIS의 문제점을 예측 · 방지 · 보수할 수 있다. 부분 방전은 주로 UHF와 초음파 법으로 측정한다. 또한, 부분 방전 시 발생하는 SF6 가스의 분해 생성물을 검출하는 방법도 사용한다. SF6의 분해 생성물 검출법으로 농도 검출, 성분 분리 · 분석, 아황산 함유량 측정의 세 가지 방법을 개발해 운용한다.

변압기

변압기는 중요한 전력 설비로 안정적으로 운영해야 한다. 현재 변압기 진단을 위한 많은 온라인 진단 기술을 개발해 운용한다. 온라인 유중 가스 분석은 가장 일반적인 기술로 변압기에서 채취한 기름을 센서로 정량 분석해 이상 징후를 진단하는 방법이다. 부분 방전 측정도 변압기 설비 사고를 방지하는 데에 이용한다. 이는 절연 파괴를 직접적으로 측정하므로 이상 발생을 즉시 검출할 수 있다. 변압기 사고는 전력 공급에 큰 영향을 미치며 수리와 교환에 많은 시간과 비용이 들므로, 변압기 온라인 진단 기술의 중요도는 갈수록 높아지는 추세다.

차단기

차단기의 역할은 송전선로의 사고 부분을 전력 계통에서 차단해 분리하는 것이다. 대표적인 차단기 진단법은 부분방전과 VCB공진도 상시 감지다. 부분 방전 진단은 차단기 및 스위치 기어를 대상으로 절연 노화 여부를 확인하는 방식이다. VCB 공진도 상시 감지는 진공 차단기의 진공이 부족할 때 발생하는 펄스 형태의 전자파를 측정해 진단하는 방식이다. 이 방전으로 생기는 전자파를 안테나로 측정해 진공도 저하를 검출한다. 이 밖에 SF6가스 밀도와 유압 측정 등을 통한 온라인 진단법도 이용한다.

케이블

O F ( O i l Filled) 케이블은 절연유로 꽉 채워진 밀폐 구조이기에 노화가 잘 발생하지 않는다. 반면, CV 케이블(Crosslinked polyethylene Vinyl sheath Cable)은 노화가 비교적 많이 발생하는 것으로 보고됐다. 이러한 노화는 케이블 화재 사고의 주 원인이다. OF 케이블은 대개 유중 가스 분석으로 진단한다. 케이블 접속 부분에 발생하는 부분 방전을 측정하는 방법도 사용한다. 최근 케이블 노화 진단뿐 아니라 케이블 선로 준공 시 건전성 확인 등에도 부분 방전 측정법을 활용한다.

지멘스 ISCM

앞에서 설명한 기존 개별 설비 예방 진단 시스템과 차별화한 통합형 예방 진단 시스템인 지멘스 사의 ISCM(Integrated Substation Condition Monitoring)을 소개한다.
지멘스 ISCM은 GIS, 변압기, 송전선로, 케이블 등과 같은 전력 설비의 유지보수를 위한 고품질, 고능률 온라인 예방 진단 시스템이다. 정기적으로 진단 장비를 들고 현장을 일일이 방문하지 않고도, 마치 곳곳에 설치된 감시 카메라로 사고 현장을 확인하듯 보다 간편하고 신속 · 정확하게 설비를 진단하는 시스템이다. 즉, ISCM 시스템으로 여러 전력 설비의 문제점을 한 곳에서 진단할 수 있다. 또한, 개별 전력 기기를 별도로 진단할 때보다 비용과 효율면에서 사용자에게 많은 이점을 제공한다.

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ISCM은 송배전 전력 설비의 모듈화된 모니터링 시스템을 하나의 플랫폼으로 통합한 시스템이다. 지멘스 ISCM은 전력 계통 내 공유된 IT 플랫폼에서 수집 · 분석한 데이터를 SCADA시스템을 통해 전송 받으며, 이 시스템은 어느 변전소에서나 폭넓게 적용 · 운용할 수 있다.

모든 전력 설비의 운전 시스템을 하나의 네트워크로 통합해 최적의 운영 환경을 조성하고, 이를 통해 신뢰도 높은 전력 설비를 운용하기위해 지멘스 ISCM은 <그림 1>에서 보여준 바와 같이 GIS · 변압기 · 차단기 · 송전선로 · 케이블 · 피뢰기 등에 대한 예방 진단 포트폴리오를 갖췄다.
<그림 2>는 전력 설비 진단 프로그램의 구성을 확인하는 시스템 계통도다. 와 같이 사용자<그림 3,4>는 변압기 및 GIS 예방 진단용 측정값을 그래프와 수치 등의 다양한 포맷으로 확인할 수 있다.
<그림 5>는 브라질 변전소의 적용예다. 변압기, GIS, 피뢰기, 송전선로의 데이터를 연결한 하나의 네트워크를 통해 ISCM 중앙 처리 시스템으로 수집한다.
변전소 또는 컨트롤 센터에서 유기적으로 관리하는 모듈을 통해 기록한 진단 데이터를 통합적으로 평가 · 분석한다는 점은 ISCM 시스템의 주목할 만한 특징이다. 이를 통해 전력 설비를 보다 정확하게 파악하며, 운전자와 설비 관리자들은 최소 경비로 효율적인 업무를 수행한다. 개별 설비만 진단하는 기존 예방 진단 시스템과 달리 ISCM은 변전소의 주요 설비를 통합적으로 분석한다.

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모든 정보를 일관된 형식으로 변환 · 관리해 한 전력 계통 내 모든 설비를 효율적으로 운용한다. ISCM 시스템 인터페이스는 사용자가 편리하게 조작하도록 설계했다. 수치, 바, 곡선 그래프, 표 등 다양한 방법으로 측정값을 확인한다. 또한, 진단 리포트의 기록 · 관리가 용이하다.

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매년 여름철이면 빈발하는 태풍과 장마 · 낙뢰 등으로 말미암은 자연 재해 그리고 무더위로 급증하는 주거 · 산업 시설의 전력 수요, 이로 말미암아 선로 과부하와 같은 전력 설비 사고가 발생할 가능성이 높다. 올해도 정부와 관련 기관은 여름철 예방가능한 사고로 말미암은 피해를 방지하고자 전력 공급 설비, 대용량 전력 설비 특별 점검 등 우기 대비 지중 설비와 취약 설비를 집중적으로 점검 · 정비하고 있다.
오늘날 전력 사용의 급증으로 부하가 대용량화하고, 이에 따라 전기 설비 규모도 점차 대규모화하고 복잡한 구조를 띤다. 따라서 노후 설비를 위한 진단 · 보수 기술의 중요성과 필요성은 더욱 두드러질 것이다. 전력 설비의 성능을 최적으로 유지하기 위해, 전력 설비의 정확한 잔여 수명 파악과 이상 징후에 대한 적합한 보수 기술 시행을 위해 보다 효율적인 온라인 진단 기술의 개발과 운용이 필요하다.