변전설비 복합화·소형화 기술동향

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 변전설비 복합화·소형화 기술동향 최근, 변전기기로서 특히 가스절연개폐장치(GIS: Gas Insulated Switchgear)로 대표되는 전력용 개폐기기는 도시근교의 협애지, 산간지의 한정된 평면지 및 지하변전소 등, 일본의 변전설비의 광역 필요성에 부응하며 전력용 개폐장치의 표준으로 널리 보급돼 왔다. 이와 같은 필요성에 부합하기 위해 GIS는 오랫동안에 걸쳐 신규기술의 적용과 기기의 복합화 등의 개발이 진행되어 대폭적인 축소화와 비용절감을 달성하고 있다. 본 고에서는 눈부신 기술혁신을 도모하고 있는 GIS를 대상으로 기기의 복합화로 인한 레이아웃의 축소화 및 각 구성기기에 대해, 신기술 적용지에 따라 소형화를 추진해 온 이제까지의 경위를 기술하면서 동시에 앞으로의 방향성에 관해서도 논하기로 한다. GIS구성기기 소형화·복합화의 변천 1. 전체 레이아웃의 축소화 당초 GIS는 각상을 개별 접지한 금속제 가스탱크에 수납한 상분리형이 주류였다. 그러나 보다 소형·경량화 요구에 대응하기 위해 1970년대 후반에는 72㎸급에서 3상을 하나의 탱크에 작게 수납한 전 3상 일괄형이 실용화됐다. 현재는 300㎸급까지 전 3상 일괄형을 실용화하게 됐다. 550㎸ GIS에 관해서는 구성기기가 대형화되고 제조, 수송, 설치 면에 제약이 있기 때문에 현재 상태에서는 주 모선만을 3상 일괄화해서 축소화를 꾀하고 있다. 또 GIS의 주요 콤포넌트가 되는 가스 차단기(GCB)에서는 550㎸의 사례로 개발실용화 당초 차단부가 4점이었던 것이 기술의 진보에 따라 1점으로까지 저감됐다.

<그림1>에 차단점수를 2점에서 1점으로 저감한 GCB를 적용함으로써 550㎸ GIS의 설치 공간의 대폭 축소가 가능해진 예를 나타낸다. 또 72/84㎸ GIS에서는 3상 일괄형을 더욱 소형화하기 위해 GCB 탱크 내에 변류기(CT)나 접지개폐기(ES)를 수납하기도 했다. 모선과 단로기(DS)를 일체화한 이른바 복합형이 80년대 후반에 실용화되어 종래 구조에 대해 설치면적과 높이의 저감에 공헌했다. 2. 구성기기의 적용기술·합리화 시책 (1) 차단기술 ① GCB 소호실·조작기구의 소형화 현재, GCB 소호실의 주류는 <그림2>에 나타낸 버퍼방식으로 차단동작 중에 가스를 기계적으로 압축해서 고압화해 아크에 내뿜는 구조이다. 그러나 원리적으로는 버퍼 실린더 등을 고속으로 가동하고 내부 가스를 압축할 때 비교적 큰 조작력이 필요하다. 따라서 조작력을 저감하고 GCB 전체를 소형화하기 위해 낮게 내뿜는 압력으로 소호하는 효율 좋은 차단기술을 적용한 소호실을 실현하고 있다.

차단성능을 향상시켜 조작력을 저감하는 시책 중 하나로 아크 자신의 고온에너지를 유효하게 이용해 가스압을 높이는 자력소호방식의 개념이 최근 도입됐다. 종래의 버퍼방식을 바탕으로 자력소호방식의 개념을 응용한 하이브리드 버퍼방식은 개극(開極) 초기에 아크를 통해 가열된 가스를 버퍼실내에 주입해 압력상승에 이용하고, 개극 후기에는 버퍼실외로 배기해 효율적으로 소호한다. 그 밖의 예는 다음 장에서 기술한다. 그리고 소호실의 조작방식으로서 가동접촉자와 함께 종래의 고정접촉자도 쌍방향으로 구동하는 듀얼모션기구도 실용화되어 대폭적인 구동에너지의 저감으로 이어졌다. 당초, 소호실을 직렬로 접속해 차단점수를 다점구성으로 한 168㎸~550㎸ GCB는 차단성능이 향상되면서 더불어 차단점수의 저감이 가능해졌다. 앞서 기술했듯이 현재는 550㎸-63㎄ GCB까지 1점절이 가능해지면서 GCB의 소형화에 기여할 수 있었다. 또 같은 기술을 통해 3상의 소호실을 하나의 탱크에 수납한 3상 일괄형 GIS 적용에도 300㎸급까지 가능해졌다. GCB용 조작기구에 관해서는 소호실 구동의 소요에너지 삭감에 맞춰 소형화가 진행됨과 동시에 조작기구 자체의 기술개발에 따라 소형화를 꾀했다. 스프링 조작기구는 이전 72㎸급에 많이 적용됐는데 최근에는 168㎸를 중심으로 300㎸급에도 적용하게 됐다. 코일스프링과 태엽을 사용한 타입이 일반적이지만 원리적으로 축세(蓄勢)에너지가 효율적으로 소호실의 운동으로 변환할 수 있는 토숀바(torchon bar)를 적용한 타입이다. 한편, 유압조작기구는 고압화(20~35MPa)가 용이하고 소경의 실린더로 고출력을 얻을 수 있는 것 외에, 작동유의 비압축성에 따라 응답성에도 뛰어난 이점을 갖고 있으며 거의 전 전압계급의 GCB에 적용되고 있다. 최근 <그림3>에 보이듯이 액추에이터, 펌프, 어큐뮬레이터의 3유닛을 배관을 이용하지 않고 직결해 1유닛화 함으로써 고도의 집적화, 소형화를 꾀한 예이다. 여기에 DS용 액추에이터 유닛을 접속해 조작기구를 복합화한 예도 있다. ② DS·ES의 복합화 DS·ES는 GIS의 구성기기로서 고전압화, 3상 일괄화, 복합화가 동시에 진행돼왔다. DS는 구조적으로 절연상의 가장 중요부가 되는 극간에 전계완화 실드가 대항해서 설계되어 그 사이를 가동접촉자가 직선 운동하는 방식이 많다. 차단임무로서 부하전류의 개폐능력은 없지만 루프전류개폐를 요하는 경우가 있으며 다양한 소호방식이 개발 실용화됐다. 조작기구로는 전동 또는 스프링방식이 많다. DS·ES의 복합화에 관해서는 양측을 동일 탱크에 수납함으로써 대폭적으로 축소화가 진행되어 왔다. <그림4>에 보이듯이 이제까지 개별적으로 구동하던 DS와 ES의 가동접촉자를 공통화 한다. DS가동-DS·ES멈춤-ES가동의 상태를 바꿈으로써 양측을 복합화한 3위치형 DS/ES의 예가 있다. (2) 절연기술 ① 절연신뢰성 향상 1960년대 이후, GIS의 실용화에 맞서서는 SF6가스의 절연내력을 비롯해 절연물 성능에 관해 널리 연구 개발됐다. 절연물에 관해서는 SF6가스 중에서 도체를 기계적으로 지지해 가스를 구분하는 공간절연신뢰성 향상이 고 스트레스화를 가능하게 하면서 GIS의 소형화로 이어졌다. 우선 일반적인 주형공간에 이용되는 에폭시 수지의 재료특성을 연구했다. 주형 시와 운전 중에 발생할 가능성이 있는 허공, 균열, 금속부의 박리와 같은 내부결함이나 열화에 대한 장기절연신뢰성이 중요해진다. <그림5>에 보이듯이 장기과전에 따라 V-t특성을 구하고 기기수명 50년에 대한 절연파괴전계를 기준으로 설계 스트레스를 정하고 있다. 구조상의 과제로는 에폭시·금속·가스의 3매체가 접촉하는 계면(트리플 교차점)인 경우 전계집중의 문제가 있었지만, 그 근방의 절연물중에 전극을 매입, 전계 실드를 줌으로써 전계완화를 도모하는 등 배려가 있었다. 게다가 단상모선에서 3상 일괄모선의 실용화에 따라 공간의 대구경화를 도모하면서 동시에, 최근에 고내열 공간으로 허용온도 상승 75K사양에 대응 가능하게 하면서 한층 더 모선탱크 경의 축소화에 기여하고 있다.

GIS내부에 존재하는 금속이물이 고압도체 표면에 충돌하거나 공간 연면에 부착되면 절연성능이 저하된다. 금속이물의 거동을 해석과 실험 양측에서 조사하거나 탱크내면에 유전체 코팅을 통해 이물질을 무해화 시키는 등, GIS의 소형, 고신뢰성을 실현하는데 품질관리가 중요하다. ② 절연급 합리화 GIS는 기중개폐설비와는 달리 기기가 탱크에 덮여 일체화 됐고 내부 고장시의 피해는 광범위하게 미치기 때문에 그 보호는 변압기와 동등하게 고려할 필요가 있다. GIS의 절연협조 중에서 피뢰기가 담당할 역할은 컸으며 성능향상에 따라 GIS의 절연레벨을 저감하는 일이 일찌감치 연구됐다. 70년대 후반에는 비직선 저항특성에 뛰어난 산화아연형 피뢰기가 실용화되고 급준한 서지파의 억제효과가 높기 때문에 GIS에 대한 보호특성이 향상됐다. 80년대에는 소자의 특성을 한층 개량한 고성능 피뢰기의 실용화에 따라 뇌임펄스 내전압 값(LIWV)을 저감한 GIS가 실용화됐다. LIWV가 저감되면 DS의 개폐와 함께 발생하는 고조파 서지(DS서지)의 전압레벨에 근접하게 되기 때문에 급준파 영역도 망라한 절연설계가 중요하다. 현재, 300㎸급에서는 LIWV를 1050㎸에서 950㎸로 저감한 GIS와, 550㎸급에서는 고성능 피뢰기에 따라 1800㎸에서 1425㎸까지 저감한 GIS가 적용되고 있다. (3) 통전기술 GIS의 통전용량은 매해 증대하는 경향이 있어 최근에는 초고압 이상으로 최대 정격전류 8000A, 단시간 전류 63㎄까지 요구되는 경우가 많다. 이러한 중에 경제성과 합리화의 관점에서 기기의 소형화를 달성하기 위해서는 정격전류 통전 시 온도상승이 과제이다. 탱크, 도체류는 규격 값(JEC-2350)으로서, 절연물은 재료특성을 고려한 한도 값이 개별적으로 설정됐다. 때문에 발생손실 저감과 방열특성을 고려해 탱크재료와 도체재료가 선정돼 왔다. 상분리형으로는 와전류손에 따른 발열이 작은 알루미늄제 탱크의 적용이 일반적이다. 하지만 3상 일괄형에서는 타 상의 영향으로 와전류손이 저감되기 때문에 철 탱크로 대응할 수 있는 전류영역이 증가한다. 한편 도체표면을 흑색화 하거나 탱크 내면을 코팅해서 폭사를 높여 도체의 방열특성을 향상시키는 경우가 있다. 장기간의 운전실적을 바탕으로 온도상승 한도에 관련된 사양합리화가 추진되면서 탱크온도 상승 한도가 30K에서 40K로, 가스 중의 은 접속부가 65K에서 75K로 올라갔다. 이에 따라 모선 탱크 경과 도체경의 축소화가 가능해 졌다. (4) 해석기술 ① 절연협조해석 합리적인 절연설계를 위해서는 계통에 발생하는 과전압을 정확하게 파악하고 피뢰기 등 과전압 억제장치를 적절하게 배치, 운용하는 일이 필요하다. 과도현상 해석프로그램(EMTP)가 미국 전력청에서 개발되어, 범용성과 높은 정밀도 때문에 세계적으로 널리 실용 제공되고 있다. 해석에 있어서는 송전선로나 철탑, 개폐기기 등 송변전설비의 모델화가 중요하다. 이제까지 500㎸와 275㎸ 계통의 송전선 및 변전소인 경우 뇌서지, 개폐서지, DS서지 외에 부하차단 시 교류과전압이 계통적으로 해석되어 LIWV 재검토의 바탕이 되었다. ② 전계해석 SF6가스의 절연파괴 특성은 전계에 상당히 민감하기 때문에 전계해석은 불가결한 툴이 되었다. 방법으로는 전하중량법과 유한요소법을 시작으로 80년대에 표면전하법과 경계요소법이 가세한 단계에서 완성의 영역에 이르렀다. 최근에는 전계분포가 교류장에서 직류장으로 이행하는 현상을 다룬 과도현상해석과, 전계·열·대류·방사의 해석을 연성시켜 피뢰기의 방열특성을 예측한 예가 있다. ③ 열류체해석 GCB소호실의 소형, 고성능화를 위해 전류 차단 시 아크발열에 따른 고온 가스류의 해석이 다수 일어나고 있다. 아크의 열방사나 전극, 노즐 재료가 증발할 때의 어블레이션 냉각효과를 고려한 해석도 볼 수 있다. 한편 도체를 내부에 담은 가스 절연모선의 냉각특성을 평가하는 일은 GIS의 소형화에 유용하다.<그림6>은 3상 일괄모선의 방열특성을 해석한 예로 도체배치, 탱크도료, 일사의 영향 등 다양한 특성을 평가하고 있다.

④ 구조강도해석 GIS기기의 구성부재에 관해서 강도해석을 하면 과잉설계의 회피와 구조합리화를 도모해 소형 경량화와 비용절감이 가능해 진다. <그림7>에 GCB 듀얼모션 기구의 구성부재의 응력해석을 실시한 결과를 나타낸다. 구동력 전달부재의 탄성변형과 진동을 고려한 기구해석과 유한요소법에 따른 구조해석을 연성시킴으로써 설계단계에서 형성합리화를 꾀할 수 있게 됐다.

향후, GIS 축소화 기술의 방향성 1. 직렬 버퍼형 소호실에 따른 GCB의 대용량·소형화 GCB 소호실의 구동력을 저감시키는 키 기술 중 하나로 자력소호방식이 주목된다. 당초, 기계적 압축이 없는 일정의 볼륨(자력실)에서 아크의 열에너지를 주입하는 것만으로 승압되어 소호하는 방식이 72㎸급 CGB로 실용화됐다. 그러나 145㎸초급 GCB에서는 중소전류차단시 아크열에너지로 인한 승압이 차단성능달성에 불충분하기 때문에 적용이 어려웠다. 그래서 <그림8>에 보이듯이 자력실 후방에 보조적인 버퍼실을 설치하고 그 기계적 압축으로 승압을 돕는 직렬 버퍼방식이 개발됐다. 같은 방식으로 압축반력은 작고, 종래의 버퍼형 소호실에 비해 구동 에너지를 줄일 수 있다. 앞으로 더욱 자력성능을 높이고 보조 버퍼실이 없는 완전 자력방식의 대용량화를 기대한다.

2. GCB의 개폐극 위상제어에 따른 절연레벨 저감·투입저항 생략 GCB의 개폐 시에 발생하는 과전압, 돌입전류로 인해 일어나는 계통운용상의 문제를 회피하기 위해 기존부터 투입저항방식을 채용, 피뢰기의 설치 등 각종 대책이 강구됐다. 한편 계통전압 또는 전류의 특정위상인 경우 GCB를 개폐하면 이를 억제할 수 있기 때문에 경제적인 수단으로 개폐극 위상제어방식의 적용이 90년대 후반부터 구미를 중심으로 확대되고 있다. 위상제어장치는 GCB동작시간을 예측하고 목표의 위상에서 개폐극 가능하도록 제어신호를 출력하는데 GCB의 동작 격차를 포함해 정밀도 있는 예측이 필요하다. 실제 적용책무는 콘덴서, 무부하 송전선, 변압기 등의 투입, 리액터 차단 등 다방면에 걸쳐 투입저항의 생략과 절연레벨의 저감으로 인한 기기의 소형화가 가능할 것으로 본다. 3. 복합절연으로 절연치수 축소화·GIS기기 소형화 수㎜이상의 두께를 가진 고체절연물을 고전압 전극에 피복하는 가스와 고체의 복합절연방식은 전계집중이 완화되는 등, 고 스트레스화에 따른 기기의 축소화에 유효하다. <그림9>에 알루미늄제 고압전극에 에폭시 수지를 몰드한 전극(TDLE: Thick Dielectric-Layered Electrode)을 300㎸ DS, ES에 적용한 경우의 효과를 비교했다.

현행 DS의 가동 측 전극에 TDLE를 이용하면 현행과 동일한 극간거리로 소경화가 가능하다. 고정측에도 TDLE를 적용하면 한층 소경화와 극간거리의 축소화가 가능하지만 반복되는 방전으로 열화 개선이 실용화의 과제이다. GIS의 축소화를 위해 기기의 복합 및 각 기기 자체의 소형화 양측에서 대응해 왔다. 복합화에 관해서는 72㎸ GIS 등 저전압 계급의 기기 주모선+DS, GCB, 피더 측 기기의 3구분(2중 모선계에서는 4구분)으로 까지 추진되고 있는데 이제 귀착점에 이른 것 같다. 또 550kV GIS를 대표로하는 고압기기에서는 주모선 + DS, DS + ES 정도밖에 복합화는 진행되고 있지 않지만 기기의 중요도보다, 불편함, 장해시의 신속한 복구도 동시에 요구되고 있다는 점에서 이 이상의 복합화는 유효하지 않을 것으로 본다. 한편, 각기기의 소형화에 관해서는 앞서 서술한 향후 방향성으로 기술한 예 이외에도 유저와 일체된 사양합리화 등을 포함해 각종 검토가 진행되고 있으며, 한층 더 축소화가 실현될 것으로 예상된다.