변전설비의 기술개발 변천과 향후 전망

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변전설비의 기술개발 변천과 향후 전망

2008년 1월 3일 (목) 23:53:00 | 지면 발행 ( 2007년 12월호 - 전체 보기 )

개요변전설비 기술은 사회정세의 요구에 맞춰 발전해 왔다. 지난 40여 년간 사회정세의 요구를 요약하면 아래와 같이 총괄할 수 있다.1960년대는 일본에 있어 한마디로 고도성장기라고 불리는 시기였다. 변전설비는 이와 같은 경제 성장에 의한 급격한 전력수요 증대에 따라 고전압·대용량화가 요구되었다.1970년대는 두 번의 오일쇼크의 영향으로 경제 성장이 한 단락 후퇴하여 경제의 고도성장에 암운이 드리워지기 시작했다. 전력수요의 측면에서는 경제의 흐름에 따라 수요의 증가도 둔화되긴 하였지만, 이 시기는 안전성장기라고 불리던 시기로, 에너지 절약이 제창되면서 전력의 안정공급에 대한 요청이 높아진 때였다.1980년대는 1986년부터 시작된 버블경기에 의해 개인 소비와 설비투자가 진행됨과 동시에 토지의 가격상승이 이루어진 시기였다. 또 전력수요의 대도시 집중과 고밀도화가 진행됨에 따라 변전소의 콤팩트화, 도시부의 지하식 변전소에서는 방재면에 있어 ‘오일less화’가 요구되었다.1990년대는 1991년의 버블경기의 붕괴로 인해 어려운 경제 정세를 맞이하게 되었다. 버블경기의 붕괴는 1970년대 초부터 이어져 온 안전성장기의 종말을 고하는 것으로, 이후의 저성장기의 시작을 알리는 것이었다. 이와 같은 경제의 저미로 인해 전력회사에는 그때까지보다 저렴한 전기를 공급해야 했다. 변전설비는 저렴한 전기의 공급이라고 하는 사회정세에 맞춰 기기 및 그 운용에 있어서 저코스트화가 추진되었다.2000년에 들어서 전력자유화가 도입되어 전력업계를 둘러싼 환경은 더 어려운 상황에 직면하게 되었다. 저성장기로 전력수요의 저미가 계속되는 데다 전력자유화에 따른 고객유치형 경쟁사회의 파도가 전력업계에도 밀어닥쳤다. 바꿔 말하면, 저렴한 고품질 전기의 안정공급이 어느 때보다 요구되는 시대가 도래한 것이었다.최근 경기가 회복되고 있다고는 하지만, 버블경기의 붕괴 이후 전력수요의 증가는 점점 둔화되고 있다. 또 IT기기의 보급과 고령화 등에 의해 사회는 고도화되고 저렴한 고품질 전기의 안정공급을 요구하고 있다.이 장에서는 이런 사회 정세의 요구에 대해 변전설비가 걸어온 변천에 대해 설명한다.기술개발 변천과 향후 전망변전기술은 고전압·대용량화를 비롯하여 고신뢰도화, 저코스트화, 그리고 그 시대의 사회정세를 반영한 요구에 맞춰 많은 변화를 거듭해 왔다.그 중 콤팩트화는 옛날부터 일관되게 중요한 요소로 채택되어왔다.이 장에서는 변전기기 전반의 변천 과정을 설명한 후, 주요 기기인 변압기 및 차단기·개폐장치, 피뢰기에 대한 기술개발의 변천과 향후 전망에 상세히 설명한다.1. 변전설비기술의 40년 변천(1) 1960년대1960년대는 고전압·대용량화의 요구에 맞춰 500kV 송전설계가 착수되어 변전기기에서 500kV 기기의 개발이 시작되었다. 또, SF6가스를 절연매체로 사용한 GCB(가스차단기)가 실용화됨에 따라, 72kV GIS(가스절연개폐장치)의 실용화가 시작된 시대였다.1965년에는 전원개발(주) 사쿠마(佐久間) 주파수 변전소가 50Hz-60Hz 계통의 연계용으로 건설되었다. 이곳에서 일본 최초의 변전설비로서 파워일렉트로닉스 기기가 적용되었다.(2) 1970년대1970년대에는 전력의 안전공급에 관한 요청이 늘어 고전압·대용량화는 물론, 높은 신뢰성이 요구되었다.1973년에는 500kV 변전소가 운용 개시하고 이것을 시작으로 500kV 변전소의 건설 및 계획이 추진되었다. 또 500kV 기기로써 GCB·GIS가 실용화 되는 등 SF6 가스 절연기기가 보급되고 고전압·대용량·고신뢰도·콤팩트화를 위한 연구가 활발히 진행되었다.이 시대에는 단로기의 신뢰성·유지 보수 향상을 목적으로, 구조가 심플하고 기계적 손실이 적은 로터리 실린더의 적용이 시작되었다.500kV 변전소가 운용되고 얼마 안 있어 1978년에는 ‘UHV 송전특별위원회 (주최 : 전력중앙연구소)’가 발족하여 대학, 전 전력기기 제조업체에 의해 검토가 진행되었다.(3) 1980년대변전소를 콤팩트화하고 도시부에는 지하식 변전소로 대응하기 위해 가스절연변압기를 채용하여 건축면적의 축소와 방재면에 크게 기여했다.차단기의 조작 기구에는 유압과 전동 스프링을 폭넓게 채용하고 변전소 전체를 ‘air-less화’ 하는 요구가 강해졌다. 단로기의 조작 장치는 그때까지 압축공기조작이 주류였다. 그러나 전동기나 전장품의 고품질화가 진행되자, 신뢰도를 높이고 보수·유지를 간편화 또는 줄이기 위해 단로기에도 전동 조작 장치를 적용하였다.이 시대는 저손실화·콤팩트화를 목적으로 ShR(분로 리액터)의 철심구조가 다단적층철심형(多段積層鐵心形)·나선 코어(involute core)형에서 레이디얼 코어형으로 변하여 현재에 이르렀다.(4) 1990년대저코스트화 추진 중 기존의 계통을 증강함으로써 대응해 왔던 전압은 파워일렉트로닉스 기기가 무효전력조정으로 적용되었다. 이것은 기존의 조상(調相)설비와는 다르게 꼼꼼한 무효전력의 조정으로 전압변동에 대응한다.단로기는 지진에 의해 접촉부가 이탈하는 일이 발생하였기 때문에 상대변위 스토퍼(stopper)를 적용하여 내진(耐震)성능을 향상시켰다.지금까지는 SC(전력용 콘덴서)의 유전체로써 종이·필름을 사용해왔지만, 내전압성이나 여러 특성에 있어서 절연지를 사용하지 않는 편이 낫다고 하여 올 필름(all-film)의 실용화에 이르러 현재는 이것이 주류가 되었다.(5) 2000년 이후파워일렉트로닉스 기기에 사용되고 있는 반도체 소자의 대용량화와 제어 기술의 전망에 의해 2000년에는 일본 최대용량의 직류송전설비로써 기이수도(紀伊水道) 직류연계설비(±250kV, 1400MW)가 운전을 시작했다. 이러한 기기개발과 병행하여 늘어나는 기설 설비의 유효활용에 관한 검토가 진행되었다. 이것은 기존에는 수요의 증가에 대응하기 위하여 갱신된 설비가 신(新)증설공사에 의한 설비갱신의 기회를 대폭으로 연장시킨 것에 기인한다. 일반적으로 제조업체는 기기의 기대수명이 30년 정도라고 하지만, 이 기대수명 이상으로 장기간 운용되는 설비가 증가하고 있기 때문이다. 즉, 지금까지처럼 확충공사로 설비를 갱신하는 것이 아니라, 설비의 수명을 확인한 다음에 갱신하게 된 것이다. 설비의 수명을 확인하기 위해서는 그동안 기기 개발에서 얻어진 결과와 설비진단기술이 필요하다. 또 설비의 연명화 등 유지·보수 기술의 고도화가 불가결하다. 바꿔 말하면, 설비의 형성에서 설비의 보수·유지로 이행되는 것이다.2. 변압기 기술개발의 변천과 향후 전망40여년 동안의 전력용 변압기 특기사항으로 ‘500kV 변압기의 개발’, ‘UHV 변압기의 개발’, ‘초고압, 초초고압변압기의 도심 지하 변전소로의 도입’을 열거할 수 있다. 또 최근 진보한 기술과제로써 ‘수송문제’, ‘방재, 친환경(불연화, 내진, 저소음화)’, ‘이상진단, 노화진단 기술의 향상’ 등이 있다. 이러한 기술변천을 <표 1>로 나타내었다.(1) 500kV 변압기의 개발500kV 송전망의 건설과 함께 1971년에 500kV 변압기가 제작되었다. 500kV 변전용 변압기는 그때까지의 275kV 이하의 변압기와는 달리, 1차측 2차측 모두 직접접지계통을 발생시켜, 1차측 2차측에서 권선을 통용할 수 있는 ‘단권변압기’가 채용되었다. 또 변전소까지의 내륙 송전이 불가능하기 때문에 단상 3대에서 1 뱅크를 구성하는 방식이 채용되었다. 500kV 변압기는 고난의 시작이었다. 1972년 최초로 도입된 변압기가 운전 개시 전 시운전 중에 절연파괴사고를 일으켰으며, 1974년에 다른 변전소에서도 시운전 중에 똑같은 절연파괴사고를 일으켰다. 사고 직후에는 원인을 밝히지 못했지만, 각 제조업체의 오랜 연구 끝에 ‘유동 대전에 의한 정전기 방전’이라고 하는, 당시에는 생각도 할 수 없었던 현상이었음이 판명되었다.그 후 유류속(油流速)의 적정화, 유로구조의 개선, 절연유에서의 유동 대전 억제제 벤조트리아졸(BTA)의 첨가 등에 의해 문제를 해결하려 하였다. 그 후 1980년대에는 유동 대전 사고가 일어나지 않았지만, 1990년대 후반부터 2000년에 걸쳐 경년변압기에 정전기 방전이 종종 발생하게 되었다. 유기물인 절연유·절연물의 경년적 고(高)대전도화와 국부 유속에 기인한 것으로 추정되어 새로운 기술과제와의 인식 아래 연구가 진행되고 있다.500kV 변압기의 성숙과정에 있어 특기할 것은 ‘절연사양의 합리화, 절연구조의 개량에 의한 콤팩트화’, ‘전력계통의 요구에 맞춘 정격의 변경’, ‘수송문제 극복에 의한 삼상 일체화’ 이다. 1970년대 후반에는 UHV(1000kV) 변압기 발전이 시작되어, 그 핵이 되는 절연기술개발의 성과는 1980년대에 500kV 변압기에도 순차 적용되었다. 또한 피뢰기의 고성능화와 함께 1989년 이후 합리화된 절연사양의 실기로의 적용이 시작되어 변압기의 콤팩트화에 기여하고 있다. <그림 1>에 500kV 1,500MVA 변압기의 신구(新舊)비교를 나타내었다. 약 40년에 걸친 500kV 변압기의 역사에 있어 변압기의 정격·사양도 각 전력회사 개발의 요구에 맞게 새롭게 구성하였다. 예를 들면, 정격전압의 격 상승(500kV → 525kV), 3차권선 용량의 변경(주권선 용량의 30% → 50% 또는 30% → 20%), 단락전류억제를 위한 고(高)인피던스화(14% → 23%), 단자 인출의 밀폐화(기중 부싱 → 케이블 접속) 등이 있다. 기간계통의 주가 되는 500kV 변압기는 계통의 신뢰도 유지와 운용 최적화를 위한 최적사양을 검토하여 적용할 것으로 전망된다.

(2) UHV 변압기의 개발500kV 변압기가 순차적으로 채용되기 시작한 1975년 이후, UHV 송전용이 개발되기 시작했다. 1978년부터 1981년에 걸쳐 UHV 시작기(試作器)가 제작되었다. 그 후 제2차 오일쇼크에 의한 경기저미에 의해 개발은 일단 중단되었지만, 1990년대에 21세기 초두의 운전개시를 목적으로 하여 개발이 재개되었다. 상정된 변압기 정격은 1050/525/147kV, 3000MVA로 기존의 500kV 최대용량변압기와 비교하면 전압·용량 모두 2배에 해당하는 것이었다. 500kV 단상기에서도 수송제한이 많았기 때문에 UHV 변압기에서도 수송이 최대 과제였다. 1상을 2분할하여 수송 1단위 당 용량을 500kV기와 동일하게 하였지만, 전압이 2배였기 때문에 더욱 수용제한에 들어가지 않았으므로 더 많은 연구를 필요로 했다. 1/2상 분량의 코일을 3분할 병렬(500kV기는 1상 분량의 코일을 2분할 병렬)하여 코일의 외형을 억제하면서, 컴퓨터에 의한 전계해석·전위진동해석을 구사하여 절연구조의 최적화·합리화를 도모하고 사양의 증대를 억제하였다. 1993년에 완성된 실증시험기는 수송단면 사양을 제한 활용하여 수송 중량은 내륙수송의 거의 한계인 약 200톤이 되었다. 수송용 트레일러도 최신 탈기가 도입되었다. UHV 변압기의 검증에 있어서도 500kV 변압기 도입 시 경험에 기초한 ‘예측외현상의 현재화’에 주력하여 공장에서는 실시할 수 없는 시험을 포함한 장기 필드 시험을 실시하게 되었다. 1996년 이후 도쿄전력(주) 신하루나(新榛名)변전소에서 제조업체 3사가 각각 제조한 단상기로 구성된 300MVA 뱅크로 2년간 시험을 실시하였다. 이런 공장시험, 필드 시험을 통해 많은 연구 결과를 얻을 수 있었으며, 현재도 장기신뢰성 확보, 경년요소유출의 관점에서 시험이 계속 진행되고 있다. (3) 초고압·초초고압변압기의 도심도입275kV 계통의 도심 도입에 따라 1969년 지하변전소용 변압기가 납입되었다. 1980년대에는 도심의 전력수요증가에 따라 지하변전소가 다수 건설되었다. 1997년에는 500kV 지하변전소용 변압기가 납입되었다. 지하변전소는 지하 고유의 과제를 극복하면서 특히 높은 신뢰성을 확보할 필요가 있었으므로 변압기에도 여러 가지 연구가 진행되었다. 지하변전소용 275kV 변압기는 먼저 도심의 수송문제에 직면했다. 또 변전소 건설 코스트를 줄이기 위해 설치 공간을 극소화 할 필요가 있었다. 이런 과제를 해결하기 위해 수송 시 1상씩 개별로 수송하고 설치할 때는 콤팩트하게 삼상 일체화하는 ‘특별삼상방식(<그림 2>)’이 채용되었다. 지하변전소에서는 변압기의 냉각 문제에 있어서도 연구가 진행되어야 했다. 옥외변전소에서는 변압기가 발생시킨 열을 변압기에 장치한 유닛 쿨러(cooler)로 기름에서 대기로 직접 방산할 수 있지만, 밀폐된 지하에서는 이것이 불가능하다. ‘기름-물 열교환기’에서는 변압기의 열을 일단 냉각수로 이동시키고, 냉각수를 배관에서 옥외의 냉각탑으로 보내 냉각탑에서 외기로 방출하는 2단 구성 냉각방식(<그림 3>)을 하고 있다. 물은 배관 등의 기기를 부식시키는데 지하변전소에서는 기기의 교환이 어렵기 때문에 수(水)계통의 기기를 스테인리스제로 함과 동시에, 순환 수계통은 밀폐계가 채용되었다. 이렇게 구성된 냉각설비는 지상변압기의 냉각기와는 비교도 되지 못하는 거대한 시스템이다.

지하변전소에서는 한층 더 엄격하게 방재성(防災性)이 요구된다. 전력계통의 성장과 함께 단락용량이 증대하면 변압기 내부 사고발생시의 아크 에너지가 커져, 절연유의 분해 가스량, 탱크 내압이 증대한다. 변압기 탱크에는 보호릴레이와 협조한 강도가 요구된다. 내부사고 시의 거동을 파악하고 해석방법을 확립하여 유효한 탱크 강도 강화책을 구축하기 위해, 1982년에서 1984년에 걸쳐 대학·전력회사·제조업체가 하나가 되어 연구를 진행하였다. 변압기 탱크 속에서 화약을 폭발시키는 실험도 진행하였다. 현재 변압기 탱크 설계는 이 연구에서 얻어진 결과에 의한 것이다. 또 1970년대에 건설된 지하변전소용 변압기는 후에 탱크강화공사를 진행하여 신뢰도를 향상시켰다. 방재성을 한층 강화시킨 변압기로는 가스절연변압기가 있는데, 이것에 대해서는 다음에 나올 항목 (5)에서 다루기로 하겠다. (4) 수송앞에서 이미 언급했듯이 수송문제는 연대를 불문하고 항상 문제가 되어 왔다. 특히 1970년대 대형양수발전소가 각지에 건설됨에 따라 그 문제가 더욱 두드러졌다. 양수발전소의 주변압기는 복수의 수차 발전기의 출력을 한 대로 조달하는 스플릿(split) 권선 방식이 채용되어 1대 당 용량은 600MVA를 넘는다. 한편 발전소는 산악지에 위치하기 때문에 수송중량·사양의 제한은 엄격하고, 앞서 <그림 2>의 특별삼상방식으로도 수송할 수 없으므로 1상 분량을 2분할 또는 3분할한 ‘6분할특별삼상’ 또는 ‘9분할특별삼상’ 변압기가 제작되었다. 이러한 다분할 구조는 화력·원자력 발전소형 주변압기의 삼상일체구조와 비교하면 총중량·손실이 늘어나 경제적이지 못하므로 어떻게 해서든 삼상일체화 하고자 하는 것이 관계자의 오랜 바람이었다. 또 1980년 이후 철도의 루트·사양·중량이 점점 제한되어 일정 계획상의 제약도 커졌기 때문에 철도수송에서의 탈각이 필요해졌다. 이런 문제를 해결하기 위해 수송 중량의 약 절반을 차지하는 철심을 분리하여 권선과 철심을 따로따로 수송하면 되었지만, 과제는 절연성능의 주가 되는 권선절연물의 흡습방지와 현지재조립의 방진·공조환경의 확보였다. 1980년대에 이런 과제해결을 위한 개발이 시작되어 방습 필름에 의한 팩 공법, 방진·공조 설비를 갖춘 조립 하우스, 탱크 재용접 장치 등이 고안되었다. 1984년에 275kV 분해수송 초호기, 1993년에 500kV 분해수송 초호기가 완성되었다. 그 후 각 제조업체가 각사의 변압기에 적합시킨 독자의 분해수송방식을 실용화하여 이런 방식은 현재 일본에서 40대가 넘게 채용되고 있다. 이 방식은 2002년 저부하변전소의 변압기를 고부하변전소로 이설했을 때에도 활용되었다. (5) 방화위의 항목 (3)에서 지하변전소의 방재대책으로 내부 사고에 대한 변압기의 강화를 꾀하고 있다고 하였다. 이것과 함께 불연변압기로써 SF6 가스를 절연매체로 하는 가스절연변압기가 개발되었다. 배전용 변전소형 가스절연변압기(77, 33kV급)가 1980년대에 보급되었다. 배전용 가스절연변압기는 당초 SF6 가스 안에 파플로로카본액(이하 PFC)을 권선에 뿌려 증발열로 냉각하는 방식이었는데, 그 후 개선하여 SF6 가스만으로도 냉각이 가능해졌다. 송전용 변전소형 가스절연변압기(275, 154kV급)는 1980년대에 전세계적으로 각 나라의 제조업체가 앞 다투어 개발을 진행하였다. SF6가스만으로는 냉각이 어렵다고 판단하여 각사는 여러 가지 오리지널 변압기를 개발하였다. 권선 안으로 PFC를 흘려 넣은 ‘유하식’, 탱크 내부 용기의 PFC액 안에 권선·철심을 가라앉힌 ‘침적식’, PFC액이 들어간 냉각 패널을 권선에 따라가게 한 ‘셀레이트식’이 있다. 유입변압기와는 다른 재료·구조의 시도로 개발에는 많은 어려움이 있었지만, 과제를 극복하면서 1989년부터 1990년에 걸쳐 154kV 200MVA(분리식), 275kV 300MVA(유하식), 275kV 250MVA(침적식)을 완성하였다. 그 후 1994년에는 PFC액을 사용하지 않고 SF6 가스만으로 절연·냉각하는 275kV 300MVA기를 완성하였다.(6) 내진(耐震)지진이 많은 일본에서는 내진강도가 중요한 과제이다. 특히 1978년의 미야기(宮城)현 오키(沖)지진(M7.4)이 일어났을 때 변압기에도 부싱파손 등 큰 피해가 발생하였다. 이것을 계기로 대학, 전력회사, 제조업체가 하나가 되어 연구를 진행하여 지반, 기초를 포함한 변압기 전 체계에서의 동적 해석 방법을 확립했다. 내진상 최약점 부위인 부싱설계에서의 적용 및 구조상의 고려 사항을 정리하여 1980년에 내진대책지침을 확립했다. 이후 1995년의 효고(兵庫)현 남부지진을 비롯한 많은 지진이 있었지만, 본 설계지침에 기초하여 설계된 기기로 인해 큰 피해 없이 지진으로부터 조기복구가 가능해졌다. (<그림 4> 참조)

(7) 환경변전소가 도심과 도시근교에 건설됨에 따라 변전소 부지 경계의 소음 규제치가 엄격해져, 주 소음원인 변압기에 요구되는 소음사양도 점차 엄격해졌다. 또, 개폐기기의 GIS화에 의한 변전소 부지의 축소화로 인해 변압기에서 부지 경계까지의 거리가 짧아진 것도 변압기 소음저감 요구를 높였다. 구체적인 소음 사양은 건설지에 따라 각각 다르지만, 송전용 변압기에서 70~50dB, 배전용 변압기에서 50dB 전후가 대표적인 값이다. 변압소의 저소음화 개발은 변압기 본체, 냉각기, 차음(遮音)구조물의 3가지 분야로 구별된다. 우선 변압기 본체에서는 변압기 소음의 원인인 철심자왜진동억제로 접근하여 철심소재인 방향성 규소강대(珪素鋼帶)와 철심구조를 개량하여 저소음화를 진행시켰다. 일본의 철강 제조업체가 개발한 박강판, 고배향성(高配向性)강판, 레이저 조사자구(照射磁區)제어 강판 등은 철심 손실의 저감 및 진동·소음의 저감에 공헌하였다. 또, ‘보통 삼상철심구조에서 삼상오각철심구조로 변경(<그림 5>참조)’, ‘철심 코너부 접합의 스텝-랩 조인트(step-lap joint)화(<그림 6>참조)’와 같은 철심구조개선도 철심손실의 저감 및 진동·소음의 저감에 기여하였다. 또한 철심자속밀도저감(철심단면적의 확대)도 소음저감수단으로써 병용되고 있다. 냉각기에서의 저소음화에는 냉각팬의 회전수 저감과 날개형 개량에 의한 방법이 있다. 팬의 회전수 저감은 냉각 능력 저하로 직결된다. 그래서 능력저하를 보충하기 위해 냉각기 본체(파이프, 핀)도 개량되었다. 차음구조물은 과거 여러 가지 타입이 제작되었다. 변압기를 콘크리트 건물 옥외에 수납하는 타입, 변압기 부속품으로써 조립식방음 패널(이중철판식, 일중철판식)을 갖춘 타입, 변압기 본체 탱크에 차음판(遮音板)을 붙인 타입 등이 있다. 극히 간소한 구조로 큰 차음효과를 얻을 수 있도록 연구를 계속 진행하였다. 기존의 변압기의 주 소음원은 여자에서 발생하는 철심의 자왜진동이었기 때문에 여자진동대책에 주안을 두었지만, 철심이 개량됨에 따라 권선의 통전에 의한 소음도 무시할 수 없게 되었다. 여자·통전을 포함한 종합 소음 저감의 대처방안이 향후 과제가 되었다.(8) 이상진단, 노화진단1965년부터 1980년에 걸친 고도경제성장과 그 여운의 속에서 대형변압기가 빠른 속도로 제작되었다. 현재 이런 변압기는 기대수명인 30년째를 맞고 있으며 40년을 넘기고 있는 것도 있다. 한편 1990년대 이후 버블 붕괴·저성장 속에서 변압기의 신규투입 억제, 신설기 감소, 경년기 증가의 상황 속에서 기설경년기의 사고를 방지하고 최대한의 유효 이용이 가능하도록 하는 ‘최적운용’이 중요한 키워드가 되었다. 최근 ‘기기의 이상진단, 상태감시’에 기초한 CBM(Condition Based Maintenance)과‘노화진단’, ‘한계성능파악’으로의 접근이 활발해지고 있다. 대표적인 ‘이상진단기술’은 유중가스 분석이다. 그 역사는 1960년대로 거슬러 올라가는데, 데이터 축적과 함께 진단기술이 향상되어 과열·방전의 식별과 부위의 추정이 어느 정도 가능해지고 있다. 최근에는 분석정밀도의 향상과 분석기기의 콤팩트화·휴대화가 진행되어 변압기에 직접 설치하여 온라인에서 분석결과를 전송할 수 있는 타입도 보급되고 있다.이런 감시결과를 기본으로 사고를 미연에 방지하여 계획적으로 기기를 갱신하는 사례도 나타나고 있다. 또 유중가스뿐만 아니라 유중 미량성분에 의해 이상내용을 보다 자세하게 진단하는 시도도 진행하고 있다. 더욱이 ‘부분방전감시’, ‘회복저압측정(RVM)’, ‘주파수응답분석(FRA)’ 등의 전기적 방법도 시도되고 있어 향후 전망이 기대된다.대표적인 ‘노화진단’은 열적경년노화와 함께 기계력이 저하되는 절연지에 대해 그 중합도를 측정하여 노화 정도를 판정하는 방법이다. 현재는 변압기에서 절연지를 샘플링 할 수 있는 기회가 한정되어 있으므로 간접적으로 중합도를 추정하는 방법으로써 ‘유중 CO2, CO’와 ‘유중 푸르푸랄(furfural)’ 측정이 있다.최근에는 발전소용 주변압기를 중심으로 이런 분석결과를 바탕으로 계획적인 변압기의 갱신이 이루어지고 있다. 한편으로는 과부하 운용한도의 전망·격상 등 운용기술을 고도화시키고 있다. 사고를 미연에 방지하여 최대한 기기를 효과적으로 활용하기 위해서는 사용자·제조업체 간의 협력, 기술의 공유화가 한층 더 중요하게 될 것이다.(9) 마무리앞의 각 항목에서 설명한 것 같이 일본의 변압기는 일본 고유의 사정과 사회적 요청에 기초하여 전력회사와 제조업체의 밀접한 협력 아래 기술의 진보가 이루어져 왔다. 앞으로도 시대의 요청에 부합한 시점에서의 변압기 개발이 중요하다.3. 차단기·개폐장치·피뢰기 기술개발의 변천과 향후 전망SF6가스를 이용한 차단기는 미국에서 1956년에 웨스팅하우스(WH)사가 115kV의 차단기를 개발하면서 시작되었다. 일본에서도 그 후 WH사의 기술을 도입하여 1960년대에 84kV-5000MVA 복압식 SF6 가스 차단기(GCB)가 제품으로 출하되어 실 필드에서의 운전이 개시되면서 240kV-15000MVA 복압식 GCB 가 만들어지기 시작했다. 그 후 가스 차단기의 기술이 진보하여 1970년대 이후 차례차례 새로운 기술적 어려움을 극복하고 고전압화, 대용량화, 콤팩트화를 진행시켰다. 한편, 가스절연개폐장치(GIS)는 1968년에 84kV 클래스에서 실용 시작기(試作器)가 제작되었으며, 그 다음해에는 일본 최초의 72kV GIS가 실운전에 들어갔다. 가스 차단기의 성능향상과 절연기술의 향상에 따라 GIS도 고전압화, 대용량화, 콤팩트화를 진행되었다. GCB단체에는 1993년에 550kV-63kA 클래스에서도 1점절이 납입되기까지 했다.피뢰기는 당초 비직선 저항특성을 가진 저항체와 직렬 갭이 되는 갭 부착 피뢰기가 적용되었지만, 1970년대 후반에 산화아연소자를 적용하여 갭이 필요 없는 기종이 개발, 현재 주류가 되었다.(1) GCB의 개발① 차단기술 당초, 공기 차단기의 소호원리처럼, 컴프레서로 1.5MPa 정도의 고압으로 압축한 SF6 가스를 차단기의 접점 사이에 발생한 아크로 불어넣어 소호하는 복압식이 주류였다. 그러나 SF6 가스는 고압이 되면 쉽게 액화되므로 히터가 필요해지고, 가스 컴프레서의 보수유지에 시간이 걸리며, 차단기 내부 고전압 사이의 실(seal)이 필요하여 구조가 복잡해지게 된다. 이런 이유로 피스톤과 실린더의 상대동작에서 가스를 압축해 압력을 높여 그 고압가스를 접점 사이에 발생한 아크로 불어넣는 단압 파퍼 방식이 지향되었다. 또 소호방식도 접점 사이에 불어넣어 가스를 고정측 한 방향으로 흐르게 하는 싱글 플로 방식에서 <그림 7>과 같이 가동측에도 흐르게 하는 더블 플로 방식으로 개선하여 성능을 향상시켰다. 더욱이 차단동작의 전반은 아크의 에너지를 파퍼 실린더 안으로 적극적으로 거둬들이고, 후반은 더블 플로로 접점 사이의 열 가스를 효율적으로 배제하는 개량형 파퍼 방식도 실용화되었다. 또한 아크의 에너지만 이용하여 차단하는 자력방식(완전자력)이 20kV 클래스 비교적 저전압 영역에서 실용되어 왔다. 그러나 이 방식에서는 고전압 대전류 영역이 되면 모든 차단조건에서 성능을 만족시킬 수 없게 되는 경우가 생기므로, 이것을 보충하기 위해 자력방식과 보통의 파퍼 방식을 병용하는 자력병용방식이 출현하였다. 이 방식에 의하면 대전류 차단을 자력방식 중심에서 달성할 수 있기 때문에 구동 에너지를 대폭으로 저감시킬 수 있으므로 고전압 영역에서의 적용이 진행되고 있다.

② 구동장치 차단기의 구동장치로는 1.5MPa 정도에 컴프레서로 압축한 고압공기를 구동 실린더 안으로 보내 피스톤을 동작시키는 공기조작방식이 있다. 이것은 에너지원이 공기여서 쉽게 얻을 수 있다는 점, 취급하기 쉽다는 점 등 때문에 넓게 사용되었는데, 동작 시 폭발음 같은 큰 소리가 나거나 컴프레서의 유지 보수를 비교적 자주 실시해야 할 필요성이 있기 때문에 최근에는 적용이 줄어들고 있다. 유압조작방식은 큰 구동력을 작은 기구로 실현할 수 있는 점과 재빠른 응답이 가능하다는 점 때문에 특히 고전압 대전류 영역의 차단기에 많이 적용되고 있다. 기름이 새는 것을 방지하기 위해서는 고도의 기계가공기술과 고도의 품질 관리가 필요하므로 코스트가 조금 높아지는 경향이 있다. 이것을 해결하기 위해 펌프, 구동 실린더, 축압기(어큐뮬레이터)의 주요 3부품 사이의 배관을 없애고 블록 접속방식으로 구성한 집적형 구동장치가 나오고 있다. 스프링 조작방식은 실(seal)이 필요 없고 비교적 간편하게 기구를 구성할 수 있기 때문에 소용량에서 적용되어 있다. 최근에는 차단기의 구동 에너지가 저감되고 있으며 대용량 스프링 기구의 제조가 가능해졌기 때문에 차례로 고전압 대전류의 차단기에도 스프링 기구가 적용되고 있다. 스프링의 종류는 코일 스프링을 압축 또는 인장하여 이용한 것, 소용돌이 스프링을 이용한 것, 막대기 형의 스프링을 비튼 것 등이 있다. (2) GIS의 개발GIS는 차단기와 단로기(DS)·접지개폐기(ES)·모선(BUS)·변류기(CT)·계기용 변압기(VT)·케이블 접속부, 부싱 접속부 등 개폐장치에 필요한 여러 가지 기기를 모두 SF6가스로 절연하고, 접지된 금속용기 내에 수납하여 기존의 공기절연기기와 비교하면 대폭으로 축소화시킨 시스템이다. 1969년에 초(初)호기가 납입된 이래, 대도시 근교에서는 인구밀도가 높아 변전소 설치 장소의 확보가 어렵다는 점, 지진이 많아 내진성이 뛰어난 기기가 필요하다는 점, 전력의 품질에 있어 여러 나라와 비교하면 특히 높은 신뢰성이 요구된다는 점 등의 환경 조건을 배경으로, GIS의 요구가 높아짐에 따라 점차 고전압화, 대전류화가 진행되었다. 또 차단기가 복압식에서 단압식으로 바뀌어 GIS의 구조가 간단해진 것 또한 GIS의 활발한 적용의 원인으로 작용하였다. GIS의 대표적인 구성을 <그림 8>로 나타내었다.72kV GIS가 실용화된 다음해인 1970년에는 168kV GIS, 300kV GIS가 실용화되었다. 그리고 1973년에는 550kV GIS가 실용화되는 등 고전압화는 빠르게 진행되었다. 한편 통전 전류도 급격히 증가하였으며, 당초 800A였던 것이 시장의 전력 요구가 급격히 높아짐에 따라 2000A, 4000A로 진행, 1974년 300kV 클래스로 8000A, 1977년에는 550kV 클래스로 12000A의 세계 최대 용량의 GIS가 실현되었다.GIS의 형태는 처음에는 단상구분이었지만, 점차 삼상일괄구성이 증가했다. 특히 주(主)모선 부분은 처음부터 삼상일괄구성이었다. 84kV 클래스에서는 1976년에 GIS 모든 구성요소가 삼상일괄이 되는 전(全)삼상일괄기가 출현했다. 1980년대에는 168kV 클래스, 1986년에는 300kV 클래스로 세계 최초의 전삼상일괄 GIS가 실현되었다. GIS의 설치장소는 옥내가 대부분이지만 일본의 경우 처음부터 옥외적용으로 방수, 방식을 고려하여 설계된 구조였다. 또, 일본의 대도시부에서는 변전소의 용지확보가 어렵기 때문에 지하 변전소의 요구가 높아 1978년 세계 최초로 300kV 클래스의 GIS 지하변전소를 설치하였으며, 그 후 많은 지하 변전소를 건설하고 있다. 1998년에는 550kV 지하변전소에도 GIS가 납입되었다.(3) 피뢰기의 개발1970년대까지 미국에서 기술 도입된 비직선 저항특성을 가진 탄화규소(SiC 소자) 저항체와 직렬 갭으로 된 갭 부착 피뢰기가 적용되었다. <그림 9>과 같이 직렬 갭이 자기취소(磁氣吹消)형에서 한류(限流)형으로 개량되어 500kV 계통까지의 고정격 피뢰기가 개발되었다. 1970년대 후반에 전압-전류 특성이 상당히 우수한 산화아연(ZnO) 소자가 일본에서 개발되었고, 이것을 이용한 산화아연형 피뢰기가 개발·제품화되었다. 상시 운전전압에서는 거의 전류를 흘려보내지 않기 때문에 기존의 복잡한 구조의 직렬 갭이 필요 없으며 뛰어난 피뢰기 특성을 갖춘 소형·경량의 피뢰기이다.

<그림 10>과 같이, ZnO 소자를 용기 안에 수납한 간소한 구성이 되어 피뢰기로서 품질·신뢰성의 향상에 기여하고 있다.ZnO 소자를 탱크에 수납한 GIS용 피뢰기, 자기애관에 수납한 애자형과 배전용 피뢰기, 그리고 최근에는 ZnO 소자를 실리콘 고무 등으로 몰드한 폴리머형 피뢰기 등 다양한 구조의 피뢰기가 개발되어 변전 설비를 과전압에서 보호하고 있다. 폴리머형 피뢰기는 경량으로, 피뢰기가 과도한 책무로 인해 파괴된 경우에도 용기의 폭발적 파괴가 없기 때문에 상당히 안전하다. 그 때문에 송전선에 장주되어 송전선의 지락사고를 방지하는 신규 용도에도 적용되고 있다.(4) 품질향상GCB, GIS의 개발제품화에는 기존의 기름과 기중에서의 절연방식에 비교하여 콤팩트하게 할 수 있는 이점이 있는 반면, 특히 고전압부와 접지 금속용기와의 절연거리가 현저하게 줄어들기 때문에 GIS는 금속이물에 민감하므로 절연성능의 확보에 기술적, 설비적인 연구가 필요하였다. 특히 전계계산기술이 비약적으로 향상된 1970년대 후반부터 탱크 지름을 합리적으로 줄일 수 있게 되었지만, 금속이물 발생에 대한 설계, 제조를 고려하지 않았으므로 몇 건의 섬락사고를 발생시키게 되었다. 그 때문에 설계측은 부품의 각의 모따기를 철저하게 하고 재질의 경도 및 불균등한 표면, 표면처리의 세심한 지시 등 조립 시와 접동 시에 금속이물이 발생하지 않도록 고려했다. 또 제조측은 클리닝 룸 설치 등의 작업환경 정비와 조립 전의 부품청소를 철저하게 하여 운반시 부품끼리의 접촉에 의한 흠 방지책으로 부품의 이격(離隔)방법이나 커버의 부착, 조립 시 흠이나 이물이 없는 지 확인을 철저하게 하는 등 작업자의 교육훈련을 계속하고 있다. 이처럼 금속이물의 배제에 노력해온 결과, GIS의 품질은 현저하게 향상되었다.한편 피뢰기 역시 주요소인 ZnO 소자의 특성개선·향상, 균일 제조로 피뢰기의 품질 향상을 도모하였다.(5) 해외동향코스트 중시의 경향은 계속 이어졌지만 기기의 신뢰성이나 보수성을 포함한 총평가를 중시하는 방향으로 변해왔다. 또 통전전류, 단시간 내전류치와 대용량화의 경향이 진행되었다. 계통의 서지 억제나 변압기 투입시의 유입(inrush) 전류 억제 등으로 인해 개폐동작을 억제하는 시스템이 주목을 받아 수요가 늘고 있다. 차단기의 소호실은 구동 에너지의 저감을 목적으로 방향성에 변화는 없지만 아크 에너지의 유효활용에 의한 차단방식의 실용화가 진행되고 있다. 부싱은 경량화와 저코스트 등의 이유에서 기존의 자기애관을 사용한 것으로 바뀌어 플라스틱의 통을 실리콘 고무의 외피로 뒤덮은 폴리머 부싱의 적용이 진행되고 있다. 또 환경적인 면에서 보면 가스 누설량의 규제강화, 건조공기와 VCB(진공차단기) 등의 SF6가스 이외의 매체를 이용한 기기로 이행하는 움직임도 일부에서 나오고 있다. 조작기구의 면에서는 보수의 용이함으로 인해 스프링 구조를 선호하는 사용자도 생기고 있다. 또 기초공사 및 설치가 쉽기 때문에 반(半)GIS(모선부분은 기중접속의 GIS, 하이브리드 GIS나 H-GIS라고도 불린다)의 수요가 늘어나고 있다.중국에서는 UHV의 건설이 진행됨과 동시에 고전압 기기의 수요가 늘어나고 있다. 이와 함께 UHV의 규격화의 움직임도 진행되고 있다.산화아연형 피뢰기는 세계에 넓게 보급되어 적용되고 있으며, 해외에서는 폴리머형 피뢰기의 보급이 진행되고, IEC 규격도 제정되고 있다.(6) 향후 전망일본의 개폐장치는 전력회사와 기기 제조업체가 밀접하게 협력해 온 결과, 과거 40년 동안 현저한 진보를 이루어 왔으며 신뢰할 수 있는 전력 시스템을 구축해 왔다. 앞으로는 기술의 진보에 주력하면서 고효율의 시스템 운용을 이루는 것이 중요하다.일본 시장에서 개폐기기의 고신뢰성과 보수·유지의 고도화에 의한 기기의 효율적 운용의 요구가 있어온 가운데, GIS, GCB에 있어서도 콤팩트화, 경량화에 대한 요구와 함께 신뢰성이 높고 보수·유지가 쉬운 것, 장수명인 것, 또 외부에서의 상태감시 등에 의해 점검·부품교환의 필요성을 판단할 수 있는 것이 요구되고 있다. 기기를 설계할 때도 공차변동에 대해 내성(耐性)이 요구된다. 또 일체수송에 의한 현지에서의 작업 경감과 설치기간 단축이 중요해졌다. 한편 경년기기의 갱신과 기설기기의 증설이 늘어나므로 이러한 기기의 세련된 설계시공기술 필요해졌다. 환경부하를 줄이기 위해서는 소형경량화, 구동 에너지의 저감이 효과적이다. SF6가스를 대신하는 가스의 연구도 진행되고 있지만, 아직 그것을 대체할 수 있을 만한 것은 발견하지 못했다. 또 보수점검의 고도화와 병행하여 상태감시와 개폐제어 등 인텔리전트화의 요구도 늘어날 것이라고 전망된다.피뢰기는 고내량(高耐量)·고내압화로 개량이 이루어져, 각종 용도로 쓰이는 변전기기를 천둥 등의 과전압의 피해로부터 보호하여 신뢰성 향상에 공헌할 것으로 생각된다.마무리지금까지의 변전기술은 사회정세의 요구에 맞춰, 500kV 기기로 대표되는 고전압·대용량화, 가스절연기기로 대표되는 고신뢰도화·콤팩트화를 비롯하여 저코스트화를 실현시키기 위한 연구·개발이 진행되어 왔다. 향후 사회 정세의 요구를 반영하여 변전기술을 향상·고도화할 수 있는 방안으로는 다음과 같은 것들이 있다.1. 안전성·경제성기설설비를 효과적으로 활용하기 위해서도 설비 갱신 시기에 확실하게 교환할 필요가 있다.이를 위해서 이미 연구와 검토가 시작되고 있는 ‘설비유효활용기술’, ‘asset management(자산관리) 기술’, ‘유지·보수 고도화기술’, ‘수명진단기술’, ‘IT기술’, ‘기술승계’등을 고도화·향상시켜야 한다.2. 사회성·환경성오늘날, 기업의 사회적 책임(CSR)을 추진하는 활동이 중시되고 있다. 또 환경면에서는 지구온난화 방지 등 환경에 관한 관심이 전세계적으로 높아지고 있다. 환경과 인간을 배려하는 설비로는 ‘환경적합성기술(3R)’, ‘방재기술’, ‘human factor(휴먼팩터) 대책기술’의 향상 등이 바람직하다.3. 신뢰성·안정성 최고의 전력품질로 공급 신뢰도를 유지하려면 변전설비의 사고나 장해를 미연에 방지하는 것은 물론, 최근 새로운 역할을 담당해오고 있는 ‘파워일렉트로닉스 기술’, ‘전력품질 조정기술’을 고도화 하는 것이 중요하다.지금까지의 기술개발은 사용자와 공급업체 및 전문 학자들에 의한 연구를 통해 이뤄졌다. 앞으로도 지금까지의 연구와 검토로 얻은 결과를 기본으로, 앞서 언급한 방안들로 모든 과제를 해결하여 최고의 전력품질을 유지하며, 전력을 안전하게 공급해야 하는 사명을 다해야 한다.