일반수요가에 적합한 드라이에어 절연방식 24kV 축소형 가스 절연개폐장치 ‘XAE2V’

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 일반수요가에 적합한 드라이에어 절연방식 24kV 축소형 가스 절연개폐장치 ‘XAE2V’ - 세계 최소그룹의 GIS - 최근 IT를 대표하는 컴퓨터사회에 있어 생산설비나 정보기기는 날마다 고도화하고 그 인프라로서 전기에의 의존도는 이전보다 더욱 높아지고 있다. 일반 수요가 공장에서라도 정전은 말할 것도 없이 순시 전압저하조차도 다액의 피해를 입히는 케이스가 있고, 수변전 설비에 추구되는 신속성은 매우 고도화하는 것이다. 한편으로 빌딩용 수변전설비나 구 설비의 갱신 등의 경우 수변전 설비에 요구되는 설치공간은 매우 제한받는 경우가 많고, 종래의 기중절연 개폐장치는 물론 SF6가스나 드라이에어 절연보다 축소화한 가스 절연개폐장치에서도 준비된 공간에 수납되지 않는 케이스가 있다. 여기에서는 당사의 풍부한 GIS 경험에 기초해 고도화한 신속성을 유지하면서 설치 공간을 대폭 축소할 수 있는 일반 수요가에 적합한 드라이에어 절연방식 24kV 축소형 가스 절연개폐장치 ‘XAE2V’를 새롭게 제품화한 것으로 이하에 소개하기로 한다. 개발 CONCEPT 수변전 기기의 콤팩트화는 건물을 포함한 토탈 수변전 설비의 비용절감이 될 뿐만 아니라 라이프사이클 어세스먼트면을 봐도 환경부하 저감에 크게 공헌할 수 있다. 당사의 XAE2V형 GIS는 다음 사양의 획기적 기술을 채용하고 있다. ① 0.5MPa의 고 가스압 드라이에어 절연방식(당사의 종래 GIS : 0.05MPa) ② 새로운 발상의 엷은형 로터리식 3위치 타입의 단로기/접지개폐기 ③ 고체절연모선 ④ 진공차단기, 단로기, 접지개폐기, 피뢰기 등의 주요기기의 고 집적배치 주요정격 <표1>에 주요 정격을 서술했다. 구조 XAE2V형 GIS는 모선부의 기기, 차단부의 기기, 인입부의 기기를 각각의 개별 원통용기에 수납하고, 각 원통용기를 조합해 하나의 회로(유닛)로 구성하고 있다. 하나의 유닛 형태에 조립할 때에는 각 기기를 수납한 원통용기를 아래쪽에서 차례로 여러 겹으로 쌓아서 원통용기끼리는 볼트로 체결하고 주회로 도체는 접촉자로 불리는 도체접속부의 메스측에 오스측을 투입하는 것으로 용이하게 조립해 작업을 할 수 있다. 표준형태의 유닛은 하부가 모선부, 상부가 수전케이블 인입부가 되고 수전케이블은 상측(천정) 인입·하측(마루) 인입 모두 대응가능하다. 또 수전케이블을 전면에서 인출한 것도 가능하고 GIS뒤쪽 벽에 붙여 배치, 또는 GIS의 각 유닛 서로 뒤쪽에 맞춰 배치 등의 레이아웃에도 대응할 수 있다. 대표적인 수전유닛 형태의 내부구조는 <그림1>, 단선 접속도는 <그림2>, 실물사진은 <그림3>에 나타냈다. <그림1>의 예에서는 수전케이블 인입부에 L형 커넥터를 적용하고 있지만, I형 커넥터 등 일본 국내에서 사용되는 케이블 전 종류에 대응 가능하다. 표준유닛 구조는 크게 나눠서 상측부터 인입부, 차단기부, 모선부 3부위로 나눠진다. 인입부에서는 선로측 단로기·선로측 접지 개폐기·차단기 점검용 선로 측접지 개폐기·피뢰기·검전 장치를 수납하고 있다. 그 아래에 부위는 차단기를 수납하고 있어 절연부싱에 따라 다른 용기와 가스로 구분하고 있다. 그 아래 부위는 모선단로기·차단기점검용 모선측 접지개폐기를 수납하고 있다. 구성기기 1. 차단기(VCB) XAE2V형 GIS는 진공차단기를 채용했다. 2. 단로기/접지개폐기 XAE2V형 GIS에서 최대 특징의 하나는 엷은 형의 로터리 식 3위치단로기/접지개폐기에 있고, 구조, 특징에 관해서 다음에 설명한다. <그림4>에 평면구조도를, <그림5>에 동작설명도를 서술했다. 동일 평면에 3상을 배치하고, 고정측 도체는 3상 공통 동일의 절연물에서 지지되고 있다. 그 외측에 있는 구동 톱니바퀴에 고정되어 있는 절연물은 가동측 도체와 통합되어 있어 톱니바퀴 회전에 따라 힌지부 중심으로서 가동측 도체를 회전시킨다. <그림5>에 있어 톱니바퀴가 반시계 방향으로 동작하면 단로기가 ‘가동’, 시계방향으로 동작하면 접지개폐기가 ‘가동’, 정가운데 배치하면 단로기, 접지개폐기 공통으로 ‘멈춤‘이 되어 3개의 상태위치를 1대의 조작기에서 가능하게 하고 있다. 로터리식 3위치단로기/접지개폐기의 형태가 엷은 원주상이 되기 때문에 원통용기 내에 무리 없이 수납이 가능하고 그 결과 종래의 GIS용 3위치단로기/접지개폐기와 비교해 조작기를 제거한 점유용적에서 종래의 15%, 높이방향에서 종래의 50%까지 축소화를 추구할 수 있었다. 조작기와의 접속은 연결 기구를 일절 사용하지 않고, 직결구조로 하고 있기 때문에 조작기의 동작이 확실하게 기기본체에 전달된다. 또 톱니바퀴에 따른 전달방식을 위해 동작 시 오차가 매우 적고, 다수 회전 동작에 대응해서 거터 없이 기구의 신속성 향상을 요구하고 있다. 3. 모선부 종래의 GIS는 가스 모선 타입에 있어 현지에서 유닛의 모선용기끼리 및 유닛사이의 모선도체를 볼트로 접속해 기밀용 파킹을 설치한 용기에서 덮개를 한 후, 진공상태·가스봉입·누출시험을 실시하고 있었다. 그러나 XAE2V형 GIS는 GIS모선용기에 앞서서 설치된 절연부싱에 고체절연모선본체를 끼워 넣어 볼트로 고정한 구조가 되어 모선 접속 시에 가스처리가 필요 없게 된다. 또 모선부 점유용적은 종래의 당사의 GIS의 모선부분에 대해 50% 축소화가 가능했다. 4. LA용 단로기 로터리식 3위치 단로기/접지개폐기의 단로기를 사용해서 현지에서 가스 처리 없이 주회로부터 LA를 풀어주는 구조이다. 5. VCB용 전자조작기 코일투입 스프링 차단방식의 조작기에 있어 저소음으로 동작이 안정적이다. VCB용조작기는 투입동작 최종에서 큰 파워를 필요로 하기 때문에 투입동작에서는 코일을 사용하는 것이 최적이다. 코일은 전자계 해석에서 보다 적고 전류값에서 최대출력이 나오도록 설계되어 있어 전력절감 타입이 되고 있다. 한편으로 차단동작에서는 CB조작용 전원이 어느 쪽도 이유 없게 된 경우에서도 백업용 보조전원 준비가 불필요한 스프링을 채용하고 있다. 차단 동작 시에 중요한 빼내는 구조는 당사에서 충분한 실적이 있는 것을 사용하고 있다. 6. 로터리식 3위치 단로기/접지개폐기용 전동조작기 본 조작기를 적용한 로터리식 3위치 단로기/접지개폐기는 본체를 동작시키는 힘이 적기 때문에 소출력 타입의 모터를 사용하고 있고 전력절감이 가능한 저소음이다. 또 종래의 GIS용 단로기용/접지개폐기에 사용하고 있던 조작기는 각각의 모터를 1개 갖고 있지만 이번 모터 1개에서 단로기/접지개폐기의 3위치 동작을 가능하게 하기 때문에 콤팩트형으로 얇은 형·경량이다. 조작기 내부의 모터력 전달기구는 톱니바퀴를 사용하고 있어 구조가 심플하기 때문에 고장이 적고 고신뢰성을 갖고 있다. 7. 용기 주로 알루미늄 주물용기를 다수 사용하고 있어 대폭 경량화했다. 수전유닛의 경우에서 종래의 당사 GIS에 대응한 중량은 40% 절감했다. 사용하고 있는 주물용기는 3차원 CAD에서의 응력해석, 실제 기기에서의 검증 확인을 실시하고 있어 최적의 형태를 갖고 있다. 6. 특징 XAE2V형 GIS는 다음 특징을 갖고 있다. (1) 공기를 단축 ·고체절연모선의 채용에 따른 현지에서 모선접속이 용이한데다가 가스처리가 필요 없고 대폭 현지공사기간을 단축이 가능하다. ·얇은형 로터리식 3위치 타입의 단로기/접지개폐기의 적용 및 그 외 기기의 고집적배치에 따라 기기 높이를 저감하고 소형·경량화를 추구했기 때문에 엘리베이터를 이용한 실내반입이 가능하고 반입을 위한 중기 등이 필요없다. (2) 설치면적을 대폭감소 ·기기의 설치면적 축소화에 따라 신설변전소 건설 시에 바닥면적의 삭감을 추구할 수 있다. ·이미 건설된 방의 틈새 공간의 유효한 활용이 가능하다. 예를 들어 구 설비의 갱신의 경우 틈새 공간에 신 설비를 설치해 전원을 교환을 한 후에 구 설비를 철거하는 방법으로 무정전 교환 공사가 가능하다. (3) 고품질을 유지 ·충전부는 건조공기(드라이에어)를 충전한 용기 내에 완전 밀봉해 두고 고체절연모선 적용에 따라 현지에서 용기밀봉에 필요가 없기 때문에 고품질을 장기간 유지할 수 있다. (4) 유닛 조합이 자유롭다. 유닛의 안길이가 적기 때문에 유닛의 뒤쪽끼리 맞대어 배치하는 것이 가능하고 종래는 설치 곤란했던 변칙적인 공간 설치가 가능하다. 설치 예 이미지를 <그림6>에 나타냈다. (5)환경부하의 저감 기구의 축소화·경량화에 따른 기기 제작 시 및 기기 운반 시 에너지를 감소해 환경부하저감에 공헌했다. 설비구성 일반적인 상용예비수전 2뱅크 1VCT 구성에서 XAE2V 형 GIS를 적용한 때에 이미지 그림을 <그림7>에 그렸다. 설치면적은 당사 종래 설비와 비교해 50% 축소됐다. 종래와의 비교도를 <그림8>에 표시했다. 설치 적용 장소 XAE2V형 GIS는 바깥쪽 판넬로 덮어 두고 실내 및 실외 설치 어느 쪽도 가능하다. 각 유닛은 단독으로 수송 혹은 수 유닛 접속한 상태에서 수송 등 어느 쪽이라도 가능하고 GIS 반입조건에 맞춘 형태에서 수송이 가능하다. 본고에 소개한 XAE2V형 GIS는 이 전압 그룹에서 세계에서 최초로 0.5MPa의 고압 드라이에어를 적용한 GIS로, 종래 이 전압그룹의 수전설비는 설치 불가능했던 협애한 개소에서도 설치할 수 있는 가능성을 확대한 획기적인 GIS이다. 또 XAE2V형 GIS는 2004년 전설공업전에서 경제산업대신상을 수상했다. 앞으로 넓게 적용되어 가길 기대한다.