[해외 신기술 ①] 6㎸ 릴레이 일체형 큐비클 연구 개발

번역·정리 유미희 기자

연구 개발 배경

배전용 변전소로부터 6㎸ 배전선에 전력을 발송하는 설비는 주로 전력의 개폐, 제어, 보호를 목적으로 한 장치인 큐비클(차단기, 단로기, 계기용 변성기, 모선 등을 수납한 실내 설비)과 보호 제어 릴레이 반으로 구성됐다.

큐비클의 금속 상자는 사람이 외부에서 쉽게 고전압부에 접촉되지 않도록 금속판으로 피복한 것이며 일반적으로 기기의 반출입이나 보수 점검을 위해 문이 설치되어 있다. 또한 큐비클은 그 목적보다 사용되는 환경의 안정된 운전의 지속과 신뢰성이 높은 전력을 공급할 수 있어야 한다.

보호 제어 릴레이는 낙뢰 등에 의해 배전 선로의 고장이 발생하면 정확하게 고장을 감지하여 검출해 큐비클에 해당하는 배전선용의 차단기를 제어하고 고장 개소를 판정해 분리하는 기능을 갖고 있다.

큐비클 사용 상태

큐비클은 일반적으로 주위 온도가 옥내형은 -5~40℃, 옥외형은 -20도~40℃, 해발 1000m 이하의 상규 사용 상태에서 사용하는 것으로 정해졌으며 다음과 같은 특수한 조건하에서 사용시에는 미리 사용자와 제조자의 협의가 필요하다.


Ⅰ. 바닷 바람을 심하게 받는 장소

Ⅱ. 습기가 많은 장소

Ⅲ. 과도한 수증기 또는 기름의 증기가 있는 장소

Ⅳ. 폭발성이나 가연성 또는 그밖에 유해 가스가

있는 장소

Ⅴ. 지나치게 먼지가 많은 장소

이러한 장소는 부식이 비교적 잘 발생하기 쉬운 장소로 설치방식에 관한 고려가 있어야 한다.

큐비클 보호 구조

큐비클은 일반용 옥내형과 옥외형 및 특수 환경에서 사용하는 것으로 방식형과 내식형 등의 보호 구조가 규정되어 있으며 부식이 쉽게 일어날 수 있는 환경하에서는 내식형이 주로 사용됐다. 그러나 내식형의 경우에도 큐비클의 내부에 차단기와 모선 등과 같은 발열체가 있으면 발생 열을 처리하지 않으면 안된다.

즉, 큐비클의 주회로에 통전할 수 있는 전류는 도전부의 온도에 의해 제한되므로 큐비클 내부의 공기 온도 상승을 저감시키고 도전부의 온도를 규정 값 이하로 억제할 필요가 있다. 이에 냉각 방식으로써 외기를 도입하고 대류 작용에 의해 냉각하는 자연 환기 방식을 갖는 것이 다른 장치와의 차이점이다.

큐비클 형태와 기술 변천

큐비클은 고도 성장기의 설비 증대에 대한 표준화의 흐름 속에서 신뢰도 향상, 유지 보수의 용이성, 소형화 및 경제성 등을 고려해 개발되어 1970년대에 도입됐다.
이후 큐비클에 수납되는 차단기를 기술 변천시키면서 보수 간소화와 신뢰성 향상을 도모해왔다.

보호 제어 릴레이 형태와 기술 변천

보호 제어 릴레이는 큐비클과는 별도로 반형태식으로 설치하는 방식이 적용됐다. 이후 트랜지스터형에서 디지털형으로 각 시대의 전력 계통의 니즈에 응해 진화하면서 전자 형태로 약했던 내진동 성능이나 초기 디지털 형태로 열약했던 차폐 기술(내서지 보호·내노이즈 성능)을 향상시켜 소형화에따른 회선 단위로 유닛화 등을 도모했다. 특히 1980년대 디지털 릴레이의 실현으로 PCM(펄스 부호 변조, Pulse-Code Modulation) 전류 차동 방식에 의한 다단자 보호 등 보호 성능의 고도화를 도모하며 다단자 계통, 대전력 장거리 송전 등의 설비 형성 실현에 공헌했다.

또한 최근 제2세대 디지털 릴레이는 고정도 A/I(Analog Input)에 의한 주主보호·후비 보호 일체화, 고기능 HMI, 원격운용 유지 보수 기능 등으로 장치의 코스트 삭감, 운용 유지 보수 기능 향상 등을 도모하고 있는 실정이다.

아울러 계통 탈조, 주파수 이상 상승·저하 방지, 전압 이상 상승·저하 방지, 과부하 방지 등 계통의 니즈에 따라 각종 시스템을 개발해 실용화됐다. 계통 탈조, 사고파급 방지 릴레이 시스템의 하나로써 사후연산형(리얼타임연산형)으로 과도 영역에서 중간영역(N파 탈조)까지 고도 처리하는 탈조 미연 방지 릴레이 시스템도 실용화 됐다.

수용가계통용 릴레이는 디지털 기술을 활용한 복합 기능화로 콤팩트화, 고신뢰도화를 실현하고 있다. 이와 같이 전력 회사 계통용 및 수용가 계통용 릴레이 계통으로부터 고기능화·고성능화·고신뢰화 등의 니즈에 응해 진화됐다. 그러나 전력 시스템의 토털 코스트 삭감을 도모함에 있어 보호·제어 시스템이 수행하는 역할은 더욱 중요하게 됐다.

현재의 설비 형태 과제

향후 기기의 대부분은 열화 현상으로 말미암아 교체 시기가 필요하다. 그러나 현재 별치 형태의 큐비클과 릴레이 교체 공사는 큐비클과 릴레이를 연결하는 제어 케이블 부설 및 연결 작업, 확인 시험 등 많은 노력과 시간이 필요하다. 이에 향후 공사량 증대를 삭감하기 위해 한층 더 효율화된 시스템 개발이 중요한 과제로 떠올랐다. 따라서 현재 설비 형태가 확립된 기술적 배경과 그 기술 변천을 감안해 큐비클과 릴레이를 통합한 릴레이 일체형 큐비클을 개발했다.

릴레이 일체형 큐비클 개요

릴레이 일체형 큐비클을 교체 공사에 적용할 시 현재표준품을기반으로시공성및유지보수, 기존설비와의 호환성, 안전성 등을 고려해 구성했다. 또한 삼단자三段積 큐비클(1유닛에 차단기를 삼단 배치한 고집적 큐비클)을 문 부분에 가공하고, 디지털 배전반은 제2세대 디지털 릴레이 유닛을 회선마다 통합해 일체화했다(<사진 1> 참조).

릴레이 일체형 큐비클 구조의 특징

①시공성

·설치 기반, 케이블 위치 등을 기존 제품에 맞춰 제작해 교체 공사에서 건물을 보수하지 않고 적용 가능하도록 해 작업의 효율을 높였다.

·큐비클 내부 배선 중 필히 공사를 통해 연결 작업이 필요한 일부를 제외한 배선마다 커넥터화로 바꾸는 것으로 연결·확인 작업의 용이함을 도모했다.

②유지 보수

·외관 치수는 유지 보수 및 고장 대응에 필요한 공간을 확보할 수 있도록 구성했다.

·문의 구조나 여는 각도, 충전부 노출 방지, 차단기 및 릴레이 점검 등을 고려해 동시 작업이 가능하도록 제작했다.

③기존 큐비클과 호환성

·기존 삼단자 큐비클의 문 부분만 교체하는 것으로 릴레이 일체형 개조가 가능한 구조로 설계했다.

검증 시험

고집적 구조 삼단자 큐비클에 디지털 릴레이를 통합하는 것은 처음으로 특히 릴레이 등의 전자 기기에 6㎸ 회로를 매우 가까운 거리에 배치했다. 이에 검증 시험은 그 적용 가능성을 확인하기 위한 검증과 실기 시험 제작기의 성능 검증을 2단계로 실시해 신뢰성과 안전성에 만전을 기했다. 주요 검증 시험 항목 및 결과는 <표 1>과 같다.

적용성 검증

큐비클과 릴레이를 일체화한 적용성을 검증하기 위해 공시기供試器를 제작해 차단기 개폐 동작 시 발생하는 노이즈나 큐비클 주회로 측에서의 유도 서지 등이 릴레이에 어떠한 영향을 끼치는지에 대해 시험을 실시했다. 그 결과, 릴레이 회로에서 발생하는 서지·노이즈 등의 수준이 적게 나타났으며 릴레이 동작 특성에 전혀 영향을 주지 않는 것을 확인했다. 이에 큐비클과 릴레이를 통합한 적용성은 양호하다고 판단했다. 또한 릴레이 유닛 본체에는 서지 대책 등의 특별한 대책이 필요 없는 것으로 판별됐다.

시작 검증

시제품을 이용해 큐비클과 릴레이 개별 규격 시험뿐 아니라 실제 사용에서 예상되는 가혹한 조건(hard terms)을 모의한 조합 검증을 실시했다. 그 결과, 어느 시험에서도 결과는 양호하게 나타나 충분한 신뢰성과 안전성을 확인했다. 특히 내진 시험은 한신·아와지 대지진 및 동일본 대지진의 실제 지진 파형을 바탕으로 실가진으로 검증했다(<사진 2> 참조).

또한 수송 시험은 산간 지역의 비포장도로를 포함해 300㎞의 실제 주행에 의한 검증을 실시했다(<사진 3> 참조). 이러한 가혹한 조건에서도 충분히 내진·내충격에 견디는 성능을 확인했다.

성과 및 향후 계획

릴레이 일체형 큐비클은 공장 제조 단계에서 큐비클과 릴레이의 연결·확인이 이루어지므로 교체 공사 시 기존의 시설 형태(큐비클과 릴레이 반을 별도 설치)에서 필요했던 제어 케이블 부설·연결·확인 작업 시간을 크게 줄일 수 있다. 따라서 공사 기간 단축 및 공사비 절감이 가능해 매우 용이하다. 현재 2012년 말부터 제품화 한 릴레이 일체형 큐비클을 교체 공사에 채용 중이다.