66-154kV 계통용 혼형 송전용 피뢰장치

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 66-154kV 계통용 혼형 송전용 피뢰장치 송전선의 신뢰도 향상에 기여하는 피뢰기 개발 고도 정보화 사회의 발달과 더불어 컴퓨터 등의 하이테크 기기에 의존하는 비율이 증가하고 있다. 컴퓨터는 수십 밀리에서 수백 밀리 초라는 순시정전이 발생하면 재기동돼 그 시점에서 보존되지 않는 데이터는 소멸되기 때문에 반도체나 자동차 등의 생산, 즉 컴퓨터 의존도가 높은 수요가에게 있어 순시정전대책은 중요하다. 컴퓨터의 고성능화에 수반해 십수 밀리 초 레벨의 순시정전마저도 허용되지 않고 있는 오늘날, 특히 순시정전대책의 중요성이 높아지고 있다. 순시정전이 되는 대개의 원인은 가공송전선의 낙뢰로 인한 것이다. 일본의 전력회사 각 사는 수요가에 대한 전력의 품질향상을 목적으로 이제까지 순시정전방지 대책에 힘을 쏟아 왔다. 가공송전선의 우뢰사고 저감 대책으로는 탑 다리 접지저항의 저감, 가공지선의 다조화, 불평형 절연화 등을 실시해 효과를 올려왔는데 이것은 플래시 오버의 저감 대책이지, 순시정전방지의 근본적 대책은 되지 않았다. 뇌사고 방지의 근본적 대책으로 산화아연소자를 이용한 피뢰기를 송전선에 적용한 송전용 피뢰장치가 개발돼 1980년 중반부터 실제 선로에 도입했다. 송전용 피뢰장치는 발변전소에 설치되는 전력용 피뢰기와는 다르며 만일 피뢰기가 처리능력을 웃도는 책무를 받아 파괴되고 단락상태가 된 후라도 재 송전을 가능케 하기 위해 피뢰기와 직렬로 기중 갭(직렬 갭)을 갖고 있다는 점이 큰 특징이다. 도입된 지 약 20년이 경과했고 뇌격으로 인한 순시정전 저감에 공헌해 왔다. 송전선의 신뢰도 향상을 위해 송전용 피뢰장치의 설치는 현재도 계속되고 있는데 경제적인 관점에서 최근 콤팩트한 피뢰장치를 지향해 그 때문에 종래 피뢰장치에 요구되고 있던 사양의 재검토 움직임이 있다. 그 움직임을 받아 세계에서 처음으로 당사가 개발한 고내압 산화아연소자(이하, 고내압소자로 약기) 적용으로 콤팩트한 송전용 피뢰장치를 제품화 했다. 여기서는 고내압소자를 적용해 대폭적인 콤팩트화에 따라 아크혼 한 쪽을 피뢰장치로 바꿔 놓음으로서 구성가능해진 송전용 피뢰장치 (혼형 송전용 피뢰장치)의 개요에 관해 소개한다. 고내압소자 고내압소자란 단위 두께 당 제한전압을 종래의 약 2배로 높인 소자이다 <그림1>. <그림2>에 종래 소자와 고내압소자의 미세구조를 나타낸다. 종래소자의 산화아연 (ZnO) 입자 직경이 약 10~20㎛인데 반해 고내압소자의 ZnO 입자 직경은 약 반이다. 산화아연소자의 V-I 특성은 ZnO 입자간의 입계 수에 의존하기 때문에 ZnO 입자의 입경을 약 1/2로 하고, 단위 길이 당 ZnO 입계층의 수를 약 2배로 증가시킴으로서 제한전압을 종래의 소자보다 약 2배로 높일 수 있었다. 소자의 고내압화는 첨가물의 배합비를 바꾸고 ZnO 입자의 입성장을 억제함으로써 달성했다. 고내압소자의 특징은 단위 두께 당 제한 전압을 약 2배 높임으로써 소자매수가 반감하고 내부요소를 대폭 간소화 할 수 있다는 점이다. 그 결과 피뢰기의 소형화·경량화가 가능해지기 때문에 소형화의 필요성이 강한 GIS 용 피뢰기나 유중내장 피뢰기를 중심으로 적용되고 있다. 1997년 첫 제품납입 이래 당사의 주류 소자로 배전계통에서 800㎸ 계통까지 광범위하게 사용되고 있다. 콤팩트 송전용 피뢰장치의 개발사양, 특징 소자매수 반감으로 소형·경량화의 장점을 살리고 당사에서는 콤팩트화의 요구가 높아진 송전용 피뢰 장치에 고내압소자를 적용하는 검토를 2002년부터 개시했다. 그리고 전후해서 유저 측에도 송전용 피뢰장치 사양 재검토의 움직임이 본격화됐다. 송전용 피뢰장치 사양은 차폐 실패를 상정해 최대 방전전류를 규정하고 그 전류 값으로 산화아연소자 및 피뢰장치의 골격이 정해졌다. 최대 방전전류는 종래 형태에서는 45㎄ (2/20㎲) 상당이 요구됐는데 이제까지의 운전실적을 답습해 송전선로의 합리적 형성면에서 사양을 저감했지만 필요성이 높아졌다. 보통 여름철 우뢰를 대상으로 한 것으로 10㎄, 겨울철 우뢰까지를 대상으로 한 것으로 25㎄의 니즈가 있으며, 당사는 양방을 겸용하는 것으로 25㎄의 성능을 만족하는 것을 제품화하고 있다. 이 사양에 기초하면 보다 작은 체적의 산화아연소자를 적용할 수 있고 피뢰장치 본체의 크기를 대폭 줄일 수 있다. 특히 송전용 피뢰장치인 경우 피뢰기 전장의 단축이 장주의 간소화로 연결되기 때문에 고내압소자의 적용이 유효해 진다. 이번 당사가 개발한 66/77/110/154㎸ 계통용 송전용 피뢰장치와 종래형의 사양을 병기한 것을 <표1>에, 66㎸ 계통용 외형도 비교를 <그림3>에 나타낸다. 신형(혼형)으로는 피뢰기 전장의 단축화 (종래비 약 50%)와 경량화 (종래비 약 25%)를 실현했다.

<표1>에는 종래형태의 대표예로서 66㎸ 계통용 2종류와 154㎸ 계통용을 나타냈다. 66㎸계통용의 2종류는 외피재료의 차이에 따른 것이다. 에폭시 용기 타입은 애자형 피뢰기의 자기외관을 에폭시 용기로 바꿔 놓음으로써 경량화를 도모하고, 실리콘 고무 타입과 비교해 크게 비틀린 모멘트를 갖고 있는 것이 특징이다. 한편 실리콘 고무 타입은 산화아연소자에 직접 실리콘 고무를 몰드한 것으로 에폭시 용기 타입과 비교해 소정의 뒤틀린 모멘트를 확보하면서 경량화를 꾀하고 있는 것이 특징이다. 책무경감과 더불어 이번 개발한 혼형 피뢰장치에서는 철저한 경량화를 목표로 실리콘 고무 타입을 지향했다. 외피로 채용한 실리콘 고무는 종래형의 송전용 피뢰장치 또는 변전용으로 사용되고 있는 실리콘 고무와 동일 재료를 사용하고 있다. 폴리머외관의 내후성 평가방법을 유일하게 규정하고 있는 IEC 61109에 준거해 실리콘 고무의 평가를 실시했다. IEC 61109에서는 가속열화모의를 위해 시험 한편에 습도, 열, 염무, 자외선을 5000시간 동안 주기적으로 부여하고 누전류의 증가나 섬락 등의 이상유무 확인을 규정하고 있다 (5000시간 시험이라 불린다). 도입에 앞서 5000시간 시험을 실시하고 실리콘 고무의 내후성에 문제가 없음을 확인했다. 당사에서는 2001년부터 송전용, 2002년부터 변전용으로 각각 실리콘 고무 타입의 피뢰기 납입을 개시해 송전용·변전용 더불어 양호한 운전을 보이고 있다. 또한 번갈아서 주름 갓의 채용과 실리콘 고무의 발수성을 살려 초중오손지역 (등가염분 부착 밀도가 0.35㎎/㎠ 지역)에서도 사용가능하게 했다. 혼형 피뢰장치에서는 종래의 피뢰장치와 비교해 부품점수 삭감과 설치의 간략화가 가능해지기 때문에 경제적인 향상을 기대할 수 있다. <그림4>에 66/77㎸ 계통용 및 154㎸계통용 혼형 피뢰장치의 설치형태 예를 나타낸다. 66/77㎸ 계통용의 예에서는 상측의 아크 혼을 혼형 피뢰장치로 교체했다. 또 66㎸ 계통용과 77㎸ 계통용에서 외피형상을 공통으로 하고 있다. <그림4>에 보이는 66/77㎸ 계통용의 예는 I형태로 매달아 늘어뜨린 것인데 소형경량화에 따라 온갖 기설철탑(내장용, V형태로 매달은 현수용)에 장주 가능하다.

한편, 154㎸ 계통용인 피뢰기는 77㎸ 계통용 피뢰기 유닛 2개분으로 구성된다. 때문에 2개의 유닛을 연결시켜서 피뢰기를 구성하는 경우와 분리시켜서 구성하는 경우 2가지의 설치형태가 있다. <그림4>에 보이는 154㎸ 계통용의 예는 내장용으로 피뢰기를 분리해서 설치한 것이다. <그림4>의 G와 L은 아크혼 길이와 직렬 갭 길이를 나타낸다. <표2>에 계통 전압별의 대표적인 아크혼 길이와 직렬 갭 길이를 표시했다. 동일계통 전압이라도 유저에 따라 채용하고 있는 아크혼 길이와 직렬 갭 길이가 다양하다. 직렬 갭 길이를 결정하는 요인으로는, (1) 우뢰 임펄스 전압에 대해 아크혼과 절연 협조를 취할 것. (2) 개폐 임펄스 전압 / 상용주파 전압에 견딜 수 있을 것. (3) 소정의 오손도에 대해 소요 시간 내에 속류를 차단할 수 있을 것, 등을 들 수 있다. 다른 아크혼 길이에 적절한 직렬 갭 길이를 선정하는 일이 절연 협조 상 중요하며 직렬 갭 길이가 적절한지를 다음에 이어지는 검증 속에서 확인하게 된다. 혼형 피뢰장치의 성능평가 전력용 갭 피뢰기와 달리 송전용 피뢰장치의 규격은 국내외를 통해 존재하지 않기 때문에 유저가 독자적으로 결정하는 사양을 토대로 송전용 피뢰장치의 성능평가를 실시하고 있다. <표3>에 대표적인 성능평가 항목에 관해서 정리한 것을 나타낸다. 검증항목은 피뢰기 본체에서 실시하는 것과 피뢰기 본체와 직렬 갭으로 구성되는 장치 전체에서 실시하는 것 2 종류로 나뉜다. 그 중 피뢰기 본체에서 행하는 검증항목은 제한전압 시험, 방전내량 시험, 우뢰 써지 동작 책무시험과 같이 소자단체 혹은 분할 구분으로 실시하는 것도 포함되지만 기본적으로는 JEC 규격으로 규정되고 있는 전력용 갭 피뢰기의 형식시험항목과 동일한 내용이다. 본체 +직렬 갭의 검증 항목이 송전용 피뢰 장치 특유의 것이며 직렬 갭과 아크혼과의 절연협조를 확보하고 있는지의 확인을 주안으로 하고 있다. 당사에서는 66㎸~154㎸ 계통용 혼형 송전용 피뢰장치에 관해서 <표3>에 나타낸 검증항목을 모두 실시하고 기본성능에 문제가 없음을 확인하고 있다<그림5>.

세계에서 처음으로 고내압소자를 적용한 혼형 송전용 피뢰장치를 개발했다. 2003년부터 실선로에 대한 장주가 시작되고 66/77kV 계통을 중심을 이제가지 약 600상을 납입하고 있다. 향후 전력 품질 향상을 위해 혼형송전용 피뢰장치의 적용이 더욱 진행될 것으로 예상되며 유저의 필요성에 부응하면서 송전선의 신뢰도 향상에 기여하고 제조업체로서 제품의 품질유지로 거듭되는 향상을 지향해 갈 생각이다.