고압응급용 전원차는 발전기나 제어장치 등의 각종 기기를 탑재한 차량 및 장치로 응급송전과 무정전 교체를 실시할 수 있다. 이 글에서는 일본 도호쿠전력(주)의 고압응급용 전원자동차의 실용화 과정을 소개하고 있다. <편집자 주>전원차란?전기는 사회생활에서 필요불가결한 라이프 라인으로 자리매김하고 있고 자연재해 발생시나 작업 실시와 관계없이 정전이 없는 안정적인 전력 공급이 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 전력회사에서는 자연재해 등에 의한 정전 발생시의 조기복구와 작업정전의 억제를 위한 다양한 노력을 실시하고 있다. 고압응급용 전원차(이하 ‘전원차’로 표기)는 발전기나 제어장치 등의 각종 기기를 탑재한 차량 및 장치로, 목적지까지 공도(公道)를 자주(自走) 이동하고 배전선에 접속하여 응급송전과 무정전 교체를 실시할 수 있다.이를 위해 전원차는 태풍이나 지진과 같은 전력설비에 막대한 피해를 끼치는 자연재해가 발생한 경우 등에 복구 작업을 추진하면서 특히 중요한 역할을 담당하고 있고 당사에서도 신속한 복구(송전)체제의 확립 등을 목적으로 1986년부터 모든 영업소에 비치하고 있다. 또한 안정적인 전력공급을 실시하기 위해 전력설비는 정기적인 메인터넌스가 필요하고 그 작업에 따른 정전도 발생하지만 이와 같은 경우에도 작업구역 이외의 응급송전에 전원차가 활용되고 있다. 개발 배경(문제점) 상용전원과 전원차와 같이 다른 교류전원을 무정전으로 접속할 경우 주파수와 위상, 전압, 상회전 등의 전기적 조건이 일치(이하 ‘동기’로 표기)하지 않는 상태에서의 접속은 중대한 사고로 직결된다.따라서 쌍방의 전원을 확실하게 동기시킨 상태에서 접속할 필요가 있다. 동기의 이미지를 <그림 1>에 나타낸다.
이에 비해 전기적 조건은 짧은 시간에 변하기 때문에 현재는 전원차 내부에 상용전원이 바이패스 회로를 구성하고 전원차 내에 사용전원을 직접 끌어들여 동기조정 및 동기 검정하여 상용전원과 전원차간의 무정전 교체를 실시하는 바이패스 교체방식이 일반적으로 채용되고 있다. 그러나 이방식의 경우 구분개폐기의 가장 가까운 시점에 전원차를 설치할 필요가 있고 또한 다수의 관련 기자재가 필요하다는 등의 문제가 있다. <그림 2>에 바이패스 교체방식의 개요를 나타낸다.
최근 들어 이러한 문제점의 해결책으로써 전원차를 구분개폐기에서 떨어진 곳에 설치하고 전기적인 데이터를 무선 통신하여 동기조정 및 무정전 교체하는 방식이 일부에서 실용화되고 있다. 그러나 비동기상태에서의 접속을 방지하기 위해 전용 개폐기가 필요하거나 동기조정에 필요한 전기적 데이터를 모두 전송하기 위해 통신의 신뢰성을 높일 필요가 있고 통신거리가 길게 할 수 없다(최대 200m 정도)는 문제가 있어 널리 보급하기에는 문제가 있다. 이에 비해 장시간 주차가 곤란한 도로사정, 발전기 운전에 따른 소음대책 등 작업을 둘러싼 환경은 더욱 나빠지고 있고 종래의 전원차와 관련된 과제 의 해결이 급선무가 되고 있었다.개발 컨셉 종래의 바이패스교체 방식과 무선식에서의 과제 및 현장 요구를 근거로 한 개발 컨셉을 다음과 같이 하여 검토를 추진하였다. (1) 바이패스 회로를 구성하지 않고 실시간으로 동기조정 및 동기검정이 가능할 것. (2) 전원차와 구분개폐기는 1km 정도 이상 떨어진 위치에서도 무정전으로 교체할 수 있을 것 (3) 동기조정 및 동기검정에 필요한 전기적 데이터의 송수신은 무선으로 실시할 것.(4) 작업성과 안정성을 고려하여 전기적 데이터를 검출하는 센서는 절연전선의 피복을 벗길 필요가 없는 간접접점방식(비접속형)으로 할 것. (5) 비동기상태에서의 접속(구분개폐기의 투입)을 물리적으로 방지할 수 있을 것. (6) 본장치는 입력으로 용이하게 운반과 시공이 가능할 것. (7) 무선기의 고장이나 날씨의 급변 등 어떠한 이유에서 무선통신이 불가능해진 경우라도 무정전 교체가 가능한 기능을 가지고 있을 것. 개발 시스템의 구성 <그림 3>에 개발시스템의 구성을 나타낸다. 시스템은 전원차 본체 이외 배전선의 전기적 데이터를 검출하는 센서, 검출한 데이터의 해석과 동기조정 및 검정 등을 실시하는 동기제어장치, 그리고 구분개폐기의 비동기 투입을 방지하는 오작동 방지장치에 의해 구성된다.
1. 센서센서는 동기조정 및 검정 등에 필요하게 될 전기적 데이터를 배전선에서 검출하는 것으로 2개 1조로 하여 구분개폐기의 양측에 각 1조(모두 4개) 설치한다.본 센서는 전압데이터의 계측기능을 베이스로 하고 콘덴서 분압식의 비접촉형 센서를 채용하고 있다.또한 2조 중 1조는 전류데이터의 계측기능을 가지고 있어 운전 및 부하감시용 데이터로서 전력 및 역률을 산출하고 있다.비접촉형 센서는 절연전원의 피복을 벗길 필요가 없기 때문에 작업성과 안전성, 설비보전 등의 면에서 유리하지만 비접촉형 센서를 채용할 경우에는 전압검출 정밀도의 확보가 과제가 되고 있다.일반적으로 비접촉형 센서는 기상조건 등에 의해 계측치에 영향을 미치는 경우가 있기 때문에 전원차와 같이 폭로환경에서의 사용은 그다지 적합하지 않다.따라서 이번에는 긴밀하고 안정적인 접촉상태를 확보할 수 있는 구조를 검토, 채용하고 또한 검출치를 파형으로 트레스하여 동기 검정함으로써 비접촉형 센서(콘덴서 분압식 센서)의 채용을 가능하게 하였다.또한 본 센서는 고압선에 사용하기 때문에 본체에는 절연재(수지)를 사용하고 검출부와 인터페이스부 사이에는 광파이버로 절연한 뒤 각 부위를 분실(分室) 및 박스구조로 하여 제어회로에 대한 고전압 혼입방지와 경량 및 소형화를 꾀하고 있다.2. 동기제어장치종래의 전원차로는 발전기의 운전, 이전원간의 동기조정 그리고 무정전 교체에 이르기까지 전원차 내부에서 일원적으로 실시하고 있었다.이것을 무선에 의한 동기조정방식에 그대로 채용한 경우에는 타임러그가 발생하거나 대량, 고정밀의 데이터 전송이 필요하고 통신거리가 짧아지는 등의 문제가 있다.따라서 본 시스템에서는 동기조정 조작 시에는 동기제어장치를 마스터로 하고 동기조정시의 제어를 전원차와 분산화함으로써 타임러그의 해소와 통신거리의 연장, 그리고 비접촉형 센서의 도입에 의한 작업의 효율화 등을 실현하였다.구체적으로는 동기제어장치는 센서에서 송신된 전압 및 전류의 파형을 받아들여 이 파형에서 주파수와 위상을 계측하고 전력 및 역률화의 연산과 검상 및 동기조정 및 동지검정을 실시한다.또한 작업원이 구분개폐기를 원활하게 조작할 수 있도록 상회전과 위상차를 LED로 표시하고 동기점 및 동기 근접점에서는 알람 고지함으로써 작업원이 시각적 및 청각적으로 상황을 확인할 수 있는 구조로 하고 있다.또한 장치를 전주에 설치하여 사용하는 것을 고려하여 경량화(15kg 이하)를 꾀하고 원터치로 탈착 가능한 고정 금속기구를 채용하여 작업성의 향상을 꾀하고 있다.본 장치로 실시하는 제어는 다음과 같다.(1) 동기조정동기조정은 주파수의 조정으로 실시하고 있고 사용전원과 전원차간의 주파수 차와 위상차의 계측결과를 바탕으로 동기제어장치에서 전원차로 무선으로 조정지령을 전송한다.(2) 인터록동기조정에 의해 동기조건(주파수와 위상차 등이 규정범위 내)이 확립 및 계속하고 있는 경우 동기제어장치에서 오작동 방지 장치에 록 해제의 신호를 실시간으로 송신한다.(3) 운전 및 제어모드의 교체구분개폐기의 투입 전후에는 전원차가 불안정한 운전상태가 되지 않도록 제어(운전모드)를 교체(단독운전 ⇒ 추종운전)할 필요가 있다.따라서 본 시스템에서는 오작동방지 장치에 구분개폐기의 조작검지기능을 가지게 하여 조작완료 시에는 신호를 동기제어장치로 받아들여 전원차에 제어모드의 교체지령을 전송하고 있다.3. 오동작 방지장치본 장치는 휴먼에러 등에 의한 비동기 상태에서의 구분개폐기의 오투입을 방지하는 간이형 인터록 장치로, 착각 등에 의한 불안전 요인을 배제한다.배전선에는 다양한 형상의 개폐기가 시설되어 있기 때문에 구분개폐기의 조작유를 직접 Rock하는 구조로 하여 범용성과 작업성의 향상을 꾀하고 있다.이 구조에 의해 배전선에 시설되어 있는 대부분의 구분개폐기에서 용이하게 사용할 수 있다.본 장치는 상시록 구조로 하고 있고 동기제어장치에서 인터록 해제의 신호를 수신하고 있는 사이(동기계속상태)에만 록을 해제하고 신호 절단 시(비동기상태로 이행)에는 다시 자동적으로 록한다.또한 구분개폐기의 투입조작에 의해 개폐기의 조작완료 신호를 동기제어 장치 측에 출력하고 있다.본 시스템의 이전원간 무정전 교체는 이 조작완료 신호를 기초로 동기제어 장치에서 전원차로 제어모드의 교체지령을 송신하고 전원차 측에서 수신하여 운전 교체를 완료, 전원차와 상용전원의 동기계속을 확인(자동)한 시점에서 완료한다.한편 본 장치에서도 동기제어장치와 마찬가지로 원터치 고정 금속 기구를 채용하여 작업성의 향상을 꾀하고 있다.<그림 5>에 오작동방지 장치의 구조를 나타낸다.
4. 무선시스템무선시스템은 동기제어장치와 전원차 사이에서 동기조정과 동기완료 등의 제어계 데이터, 상회전, 전류, 전력, 역률 등의 계측, 감시데이터를 전달하고 있다.전파는 노이즈와 혼신 등의 영향을 받기 어려워, 최근에는 무선 LAN 등으로 널리 사용되고 있는 SS방식(스펙트럼 확산통신방식K)을 채용하고 있다.또한 제어 기능을 동기제어장치와 전원차에 최적 분산화하여 통신 데이터량의 극소화를 꾀함으로써 같은 대역을 사용하는 타기기 등과의 간섭을 극히 피하고 통신거리의 연장(전원차의 적용범위 확대)을 실현하고 있다.5. 전압제어의 분산고압배전선의 전압은 송출 전압과 부하 상황에 따라 대략 6.3kV∼6.9kV정도의 폭으로 변동한다.종래의 전원차는 배전선과 병렬하는 경우 내부에 구성한 바이패스 회로로 배전선 전압을 직접 계측하고 전원차의 송출전압을 변동조정하고 있다.그러나 본 시스템과 같이 바이패스 회로를 구성하지 않고 비접촉형 센서를 채용한 경우에는 구분개폐기 양단의 전압을 직접 계측하는 것이 불가능하다.또한 앞에서도 설명하였지만 비접촉형 센서의 경우 충전부에서 데이터를 직접 계측하는 경우에 비해 계측치에 오차가 발생할 가능성이 있다.한편 현재로는 부하관리와 배전자동화의 보급 등에 따라 배전선 전압의 변동량은 어느 정도 예측 가능하게 되었다.따라서 본 시스템에서는 계측오차가 동기조정과 병렬 운전시의 제어 등에 영향을 미치지 않도록 동기조정시의 전압제어에 밴드설정 방식을 채용하였다.이것은 구분개폐기 장소에서 예측되는 배전선의 전압을 어느 정도의 밴드로 분류하고 전원차의 송출전압을 설정, 송전하는 방법으로 센서의 검출오차 등에 의한 영향을 받지 않고 종래의 바이패스 방식과 마찬가지로 신뢰성을 확보할 수 있다.이 방법을 채용함으로써 본 시스템에서는 전원차의 운전을 종래의 2모드 운전(단독 및 추종)방식에서 3모드 운전(단속, 추종, 동기조정)방식으로 변경하고 있다.검증센서는 건조 및 주수상태 어느 경우라도 절연성능이나 파형 트레스 성능에 문제가 없는 것을 확인하고 있다.또한 기존차량에 개발시스템을 탑재하여 기초시험, 조합시험을 실시한 후 두계절에 걸쳐 현장에서 시험을 실시하였다. 구체적으로는 하기(혹서기), 동기(엄동기), 강우, 후설, 적설, 염해, 강전계지구 등의 환경하에서 실기에 의한 동작시험을 실시하고 정상적인 작동 및 그 유효성을 확인하고 있다.아울러 현장에서 무선 전송시험을 실시하고 있고 미약한 전파로 예상 1km 이상의 통신이 충분히 가능하다는 것을 확인하였다.결말지금까지의 전원차(일부 실용화된 무선방식을 포함한다)의 문제점들을 분석하고 간이형 인터록 장치와 제어의 최적분산화를 꾀한 동기제어시스템 등 현재 바이패스방식으로 교체하는 새로운 이전원간 무정전 교체시스템을 실용화하는 것이 가능하다.<그림 6>에 종래형의 전원차, <그림 7>에 본 시스템을 탑재한 신형 전원차의 사용 예를 나타낸다.본 시스템에 대해서는 이미 당사 영업소에 비치, 운용하고 있고 2004년 10월에 발생한 츄에츠(中越) 지진의 복구 작업 시에 출동한 모든 전원차 가운데 결과적으로 본 시스템을 장비한 신형전원차가 가장 긴 운전시간을 기록하는 등 그 유효성이 확인되었다.당사에서는 앞으로 차량의 갱신에 아울러 본 시스템 장비를 신형 전원차로 모두 교체할 예정이다.<도입효과>·주차위치를 자유롭게 선정할 수 있기 때문에 적용범위가 넓어졌다.·작업시간이 단축되어 고객 서비스의 향상과 작업의 효율화를 이뤘다.·관련 기자재의 사용수가 억제되기 때문에 비용 절감을 이뤘다.·차량중량의 경량화를 꾀하였다.
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