[해외] 과전류 잠금형 고압 교류 기중 부하 개폐기(지중선용 · VT 설치) V · UAS 개발

일상생활에서 흔히 사용하는 전기는 전력회사가 주로 6.6㎸ 고압으로 배전해 변압기에서 100V/200V로 강압한 후 사용한다. 공장이나 사무실, 병원, 학교, 빌딩 등 일정 이상의 전기 수요가 있는 수요가의 경우엔 6.6㎸ 고압 상태로 수요가 구내에 인입돼 강압되는 고압 수전이다. 도쿄전력은 이러한 고압 수요가의 인입점에 PAS(Pole mounted Air Switch)나 UGS(Underground Gas Switch) 등으로 알려진 과전류 잠금형 고압 교류 부하 개폐기(SOG 설치 개폐기) 설치를 권장하고 있다.
도시를 중심으로 지중 배전선의 고압 수요가 인입점의 경우 지상에 설치한 고압 캐비닛 안에 UGS설치를 이전부터 권장해 왔으며, 수 년 전부터 같은 용도로 V · UAS도 새롭게 등장했다. 본고는 V · UAS(이하 UAS)에 대해 소개한다.

UAS란

고압 캐비닛 안에 설치해 온 UGS는 내부에 절연가스로 고성능을 지닌 SF6(육불화유황) 가스를 봉입한 가스 개폐기였다.
여기서 소개할 UAS는 SF6 가스를 사용하지 않고 UGS와 같은 성능을 확보한 동시에, 고압 캐비닛 안에 설치 가능한 소형화를 이룬 기중 개폐기다. 주요 기능으로 UGS와 같이, 수요가 구내에서 지락사고가 발생했을 때 변전소 차단기보다 먼저 사고점을 분리해 다른 수요가의 정전을 막는 '트립 기능', 개폐기의 차단 성능보다 큰 대전류가 흐르는 단락 사고의 경우엔 동작을 멈추고(Lock) 변전소 차단기 동작에 따른 정전을 기다렸다가 사고점을 분리해 송전 재개 시 일어날 수 있는 재정전을 방지하는 '과전류 축열 트립 기능'이 있다. 즉, 수요가 구내에서 발생한 사고가 전력회사의 배전 계통으로 영향을 미치는 것을 방지하기 위한 개폐기다.

UAS 개발 배경

교토의정서 체결 | 1997년 일본 교토에서 열린 지구온난화 방지 회의에서 '교토의정서'가 의결되면서 이산화탄소를 비롯한 온실 가스가 배출 억제 대상 가스로 지정됐다(<표 1> 참조).
UGS 등과 같은 가스 개폐기에서 사용하는 SF6가스는 고성능의 절연 가스인 동시에 대표적인 온실 가스다. SF6 가스는 다른 온실 가스에 비해 사용량 자체는 소량이긴 하나, 대기 중에서 자연 분해되려면 3200년이 필요하며 GWP(Global Warming Potential, 지구온난화 지수)가 이산화탄소의 2만 3900배나 된다. 이 때문에 교토의정서에서 배출 억제 대상 가스 중 하나로 지정됐다.

전력회사 동향 | 지중선용 SOG 설치 개폐기는 전력 회사 기기와 함께 설치하기에 전력회사의 동향과도 밀접한 관계가 있다.
① 전력 자유화 : 전력 자유화의 흐름 속에서 신규 전력 사업자의 참여, 자가 발전 시스템과 연료전지시스템 도입 등으로 전력 시장의 경쟁은 한층 치열해졌으며, 전력회사 역시 비용 절감을 위해 신규로 개발하는 배전 기재의 비용을 줄이려고 한다.
② 온실 가스 배출량 산정 · 보고 · 공표 제도 : 일본은 2006년 4월부터 '지구온난화 대책 추진에 관한 법률'(온난화 대책법)에 따라 온실 가스를 많이 배출하는 자(특정 배출자)에게 온실 가스 배출량을 산정해 국가에 보고하는 것을 의무화했으며, 보고된 정보를 국가가 집계 · 공표하는 '온실 가스 산정 · 보고 · 공표 제도'를 도입했다. 이 제도로 전력회사도 특정 배출자 대상에 속하며, SF6 가스 역시 배출량 관리 대상이 됐다.
환경 부하 물질의 삭감은 전력회사의 기업 명제기도 하며, 또한 막대한 수에 이르는 배전 계통 개폐기의 가스 누출량 관리는 많은 노력과 비용이 필요한 일이다.
이러한 배경으로 말미암아 각 전력회사마다 대응은 다르겠지만, 온난화 대책법을 시행한 수년 전부터 대체가 어려운 특별 고압 계통 등을 제외한 배전 계통용에 SF6 가스 개폐기의 신규 개발과 채용을 삼가는 경향을 보인다.
③ 저비용 기중 개폐기 개발 : 각 전력회사는 저비용의 배전 기재와 SF6 가스 사용 저감을 연구 · 개발 중이며, 도쿄전력의 경우 2003년에 지중선 기기용 기중 개폐기를 개발 · 설계했다. 이 개폐기는 고압 캐비닛의 전력회사 측 회로에 설치하는 것으로, 기기 자체가 저비용인 것 외에도 함께 사용하는 모선 역시 비용이 저렴한 동대銅帶모선이어서 구성 기재 전체 비용을 낮췄다. 또한 기중화로 SF6 가스를 사용하지 않는 기기다.
한편, 동대 모선은 예전부터 필러 단로기용으로 사용해 온 물건으로, 단자 구조가 나사 고정식 직사각형이며, 플러그인형 단자인 UGS 접속에는 맞지 않는 모선이다. 이 때문에 지중선 기기용 기중 개폐기를 적용한 고압 캐비닛에서 UGS를 그대로 접속할 수 없다(도쿄전력은 그 후 임시 대책으로 변환모선을 개발해 적용을 가능케 했다).

SOG 설치 개폐기 보급의 장해 | 일본 간토전기공사협회와 도쿄전력은 수요가 구내 사고가 배전 계통에 영향을 미치는 것을 막고자 고압 수요가에 인입점에 SOG 설치 개폐기 설치를 권장 · 추진해 왔다.
그러나 지중선용인 UGS는 주상용인 PAS 만큼 보급되지 못한 것이 사실이다. 그 이유 중 하나가 UGS는 접속에 몰드 모선이 필요하기 때문이다. 몰드 모선을 사용하는 구성이 아닌 수요가에서 UGS를 설치할 경우, 전력회사에 전력 기재 교체 요청을 해야 했다. 전력 기재 교체는 수요가 부담은 아니었으나 번거롭고 공사를 기다려야 했기에 UGS 설치에 장해가 됐다.
또한, 앞서 언급한 지중선 기기용 기중 개폐기를 적용하면 동대 모선을 사용한 캐비닛이 증가해 SOG 설치 개폐기 보급에 역풍이 될 것으로 보인다.

동대 모선 접속이 가능한 단자 형상의 UGS급 개폐기가 존재한다면, 전력 기재가 필러 단로기나 지중선 기기용 기중 개폐기인 경우에도 전력 기재 · 모선 교체 공사가 필요 없이 정전 작업만으로 순조롭게 설치가 가능하다.

UAS 개발 | 이러한 배경을 토대로, 동대 모선 접속이 가능한 동시에 지구온난화 방지 측면에서 SF6가스를 사용하지 않는 UGS급 개폐기로 동대 모선 접속용 UAS(PDS 모선용 UAS)를 개발했다. 또한, 지금까지 UGS가 맡아 온 몰드 모선 접속용에 대해서도 SF6 가스 저감 측면에서 몰드 모선용 UAS(MDS 모선용 UAS)를 개발했다.

설계 콘셉트

V · UAS는 <표 2>의 네 가지 관점을 콘셉트로 개발 · 설계했다.

SF6 배출 억제에 대응 | 온난화 방지를 위해 개폐기는 SF6을 전혀 사용하지 않든가, 충진 상태로 관리를 철저히 해 SF6을 사용하든가 둘 중 하나를 택해야 한다. 누출 관리가 필요 없고 환경에 영향을 미치지 않는 데 주안점을 두고 UAS는 기중 절연 방식을 채용해 SF6을 사용하지 않는 무無가스화를 시도했다.

신뢰성 향상 | 수배전 설비에서 일어나는 중대한 사고 중 하나로 단락 사고를 꼽을 수 있다. UAS는 신뢰성을 한층 높이고자 지락 우선 구조를 채용했다.
또한, 가스 개폐기에서 극히 드문 일이지만 SF6 가스압 저하(누출)로 안전 장치가 동작해 개폐기 조작이 잠길 가능성이 있으나 개폐기 기중화로 그러한 가스압 저하 문제에서도 벗어났다.

동대 모선 · 몰드 모선에 대응 | 전력 기기에 지중선 기기용 기중 개폐기나 필러 단로기를 설치한 고압 캐비닛에 대응하기 위해 동대 모선의 직사각형 단자에 접속 가능한 단자부 형상 기종을 개발했다(PDS 모선용). 또한, 지금까지 UGS가 대응해 온 몰드 모선 접속용에 대해서도 SF6 가스를 사용하지 않는 몰드 모선 대응 기종을 개발했다(MDS 모선용).

설치 작업 용이화(PDS 모선용에 해당) | 동대 모선(PDS 모선)용 UAS는 접속 구조가 달라서 UGS의 '윈치 방식'을 택할 필요가 없기에 새로운 설치 공법인 '행거 방식'을 채용해 용이한 설치 작업과 작업 시간 단축을 꾀했다.

기기 특징

개폐기 본체 수지 케이스를 사용한 소형화｜SF6 가스는 공기보다 절연 성능이 3배, 소호 능력이 100배 뛰어난 성능이 있으며, 개폐기 소형화에 크게 기여했다. 다시 말해 이것은 가스 개폐기를 단순하게 기중 절연화할 경우 절연 이격 확보를 위해 사이즈가 3배 대형화되는 것을 뜻한다. 따라서 USA는 고압 캐비닛 안에 설치 가능한 소형화가 필요하다. 그래서 부싱과 절연 배리어, 광체筐體구조재의 기능을 겸비한 일체형 수지 케이스에 접점부를 담아 본체 케이스로 제작함으로써 이러한 과제를 해결했다.

삼상 분리 구조에 따른 지락 우선 구조｜본체 수지 케이스는 각 상마다 단상 케이스며, UAS는 독립한 3개의 단상 개폐기부 유닛을 접지된 금속제 기구부에 설치하는 구조를 택했다(<그림 4> 참조). 만일한 상 지락이 발생해도 이 구조상 지락 경로에 다른 상이 끼어들지 않으므로 단락으로 이어지지 않는, 지락 우선 구조가 가능하다.

설치 공법｜PDS 모선용 UAS는 새로운 설치 공법인 '행거 방식'을 채용했다. 또한, MDS 모선용 UAS의 경우엔 모선과 감합 구조가 공통인 UGS의 설치 공법인 '윈치 방식'을 채용해 공구와 작업 방법을 통일시켰다.

● MDS 모선용 UAS 및 UGS 설치 공법 '윈치 방식'

[설치 방법]
① 개폐기 설치 금구를 설치한다.
② 개폐기 설치 금구와 개폐기에 전용 공구인 윈치 와이어를 통과시킨다.
③ 윈치의 레버 두 개를 번갈아 움직여 개폐기를 매달아 올린다.
④ 모선에 삽입, 감합할 때 개폐기 위치를 조정한다.
⑤ 모선과 접속을 확인하고 눌러서 금구를 설치하면 완료.

[포인트]
· 개폐기와 모선 접속부의 절연을 확보하기 위해 모선 접속 시 부싱을 압입 · 감합한다. 압입은 사람 힘으로 어려워 전용 공구인 윈치가 필요하다.
· 개폐기를 매달아 올릴 때 위치 조정과 도움이 필요하기에 2인 작업이 원칙이다.
· UGS와 같은 공구와 방법으로 작업하며, 실적이 있는 공법이다.

● PDS 모선용 UAS 새로운 설치 공법 '행거 방식'
[설치 방법]
① 설치 금구(행거)를 설치한다.
② 개폐기를 인력으로 들어 올려 우선 행거 윗부분의 고리(Hook) 부분에 걸어 가설치 상태로 둔다.
③ 가설치 상태의 개폐기 정면 아랫부분을 눌러 행거에 맞춘 후 나사로 고정시킨다.
④ 단자 볼트를 조여 모선과 개폐기를 접속한다.
⑤ 행거에 있는 VT를 개폐기에 접속한다.

[포인트]
· 개폐기를 가설치 상태에서 고정 위치로 누르면 개폐기가 원호 운동하고 단자가 동대 모선과의 접속 적정 위치로 이동하기에 조정이 필요 없다.
· VT를 개폐기에서 분리한 덕분에 개폐기 중량이 30㎏ 이하며, 1인 작업으로 설치가 가능하다.
· 가설치 구조 채용으로 작업자가 개폐기를 들어 올리는 시간이 상당히 짧다.
· 압입 작업이 없어 중량물인 윈치 공구가 필요 없다. 필요한 공구로 맞변 13㎜ 소켓과 토크 렌치만 있으면 된다.
· 행거 방식은 윈치 방식에 비해 설치 작업 시간이 60% 줄어든다. 1인 작업이라서 공수工겤는 80% 감소한다.

대응하는 모선 · 케이블 단말 | PAS 모선용 UAS의 경우, 필러 단로기용으로 사용해 온 동대 모선에 접속이 가능하다. 또한, 개폐기 상하 치수가 UGS에 비해 커서 다음과 같은 종단 접속부와 단자, 단자커버로 구성한 콤팩트한 옥내 종단 접속부가 대응한다.

[종단 접속부] JCAA K 1301(6600V 가교 폴리에틸렌 절연 전력 케이블용 접속부 성능 기준) 인증의 옥내 종단 접속부와 스트레스콘 길이가 70㎜인 것(미니 스트레스콘 타입)
[단자] JCAA K 1001 인증 필러 단로기용 압축 단자
[단자 커버] PDS 모선용 UAS 부속 단자 커버

MDS 모선용 UAS가 대응하는 모선은 UGS와 공통이며, 도쿄전력에서 몰드 단로기용으로 사용해 온 몰드 모선에 대응한다. 케이블 단말 역시 UGS 접속용으로 사용해 온 JCAA S 001(통칭 UGS용 단말)에 그대로 접속 가능하다.

부싱 위치 · 형상 | <그림 11>과 같이 PDS 모선용 UAS의 부싱은 동대 모선 접속에 대응하므로 직사각형 단자를 설치한 형상이다. 또한, 동대 모선의 단자 위치에 맞춰 개폐기 전체의 설치 위치를 UGS보다 아래로 한다.
MDS 모선용 USA는 UGS와 같은 모선, 같은 케이블 단말에 대응하므로 부싱을 동일한 형상으로 했다. 또한, 위아래를 소형으로 해 부싱부의 위아래 값을 UGS와 같은 것으로 했다. 이로써 내부가 좁은 벽걸이형 캐비닛에서도 케이블 단말에 필요한 공간을 확보하고, 이미 설치한 UGS 기기 교체 시 기존 설치 케이블의 재접속이 무조정으로 가능하다.

UGS와 비교

사양 | 최근 전력회사용 개폐기의 사용 빈도 실태를 조사한 결과에 따르면, 과잉 설계와 과잉 성능을 경감한 사양으로 개발하는 추세다. UAS도 UGS의 사양을 바탕으로 전력회사의 사용 빈도 자료를 참고해 검토했으며 부하 전류 개폐, 무전압 개폐, 과부하 차단 성능을 경감시켰다. 한편, 이때 UGS의 사양도 재검토해 현재 UAS와 공통의 요구 성능을 갖췄다. 사양에 관해 UGS와 UAS의 주요 항목 비교는 <표 3>과 같다.

* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

모선 · 케이블 단말 | 앞서 설명한 UGS, PDS 모선용 UAS, MDS 모선용 UAS에 대응하는 모선, 케이블 단말을 정리하면 <표 4>와 같다.

기기 크기 · 부싱 위치 | <그림 13>은 왼쪽부터 UGS, MDS 모선용 UAS, PDS 모선용 UAS의 측면 그림을 나타낸 것이다. UGS가 가장 소형이나, MDS 모선용 UAS는 부싱 높이를 UGS와 같이 하고 실용 성능도 같다. PDS 모선용 UAS는 조금 크지만 지중선 기기용 기중 개폐기의 적용 대상에 모든 대응이 가능한 크기를 갖췄다.

향후 전망

ISO14001을 취득한 기업 등은 환경 문제에 적극적인 자세를 보인다. 이러한 기업에서 가스 개폐기의 기중화를 요구하는 목소리가 나오고 있으며, 무SF6 가스화는 이미 하나의 흐름이 됐다. 일반 수요가에서도 환경 의식 고양과 더불어 가스압 감시가 불필요하다는 점 등 무 SF6 가스화가 지닌 장점을 인식해 감에 따라 UAS 보급도 점차 확대되리라 예상한다.

*

종종 잊는 중요한 사실 중 하나는 개폐기나 그 안의 제어기, 케이블 등과 같은 전기 설비는 영구 설비가 아니라는 점이다. 차이는 있지만 경년 열화는 조금씩, 그러나 확실히 일어나고 있다. 일찍 도입한 UGS는 이미 십여 년의 시간이 경과했고 경년 열화의 위험이 예상되는 권장 교체 시기에 이르렀다. 지금 당장 고장이 나거나 사고가 일어날 위험은 낮겠지만, SOG 설치 개폐기를 설치하는 의미를 되새겨 봤을 때 이들 기기가 원인으로 사고가 일어난다면 본말전도의 격일 것이다.

정리 전화영 기자