최근 지구 환경 변화에 따른 집중호우, 해일 등으로 도심 저지대 및 해안가의 지상 설치형 변압기와 지하 설치형 수 · 변전설비 침수가 많이 발생하고 있다. 한 번 침수된 수 · 변전설비는 복구에 많은 시간이 걸려 그에 따른 경제적 손실 외에도 침수된 설비에 의한 감전사고 및 전기재해로 인명 및 재산 피해가 발생하고 있어 이를 방지할 수 있는 침수 방지 장치를 개발했다. 본 기술은 정부 과제(주관 : 영남이 공대, 참여 기업 : ㈜엔티전기, 위탁 : 전기안전공사 전기안전연구원)를 통해 22.9㎸ 특고압 전력설비침수 방지용 장치를 개발하고, 2008년 10월 전력 기술 종합 성과에서 지식경제부장관 표창장을 수여 받았다. 특히 홍수 시 배수지 등 침수 상황에도 가동이 요구되는 전력설비 및 기계설비를 침수로부터 보호해 침수 시에도 가동하여 침수지역을 최소화하고 관련 설비를 보호할 수 있는 기술을 개발, 상용 제품화 단계에 있다. 한편 현재 지상에 설치된 변압기 일부가 도로 점유로 인한 불편 및 상권 위축, 도시 미관 등의 문제로 지하에 매설하는 문제를 서울시의 요청으로 개선안을 준비 중이다(<그림 1, 2, 3> 참조).
여기서는 간략한 특징과 적용 기술에 대해 소개하고자 한다.
실제 피해 사례
먼저 침수로 인한 피해 사례를 사진(전기안전공사제공)을 통해 알아보자. <그림 4>의 좌측은 2006년 경기도 고양시 주교동 도로변 침수로 지상 변압기가 피해를 입은 사진이고, 우측은 2007년 8월 4일 천안 구성동 호우와 하천 범람으로 도로변 지상 변압기가 침수되어 인근에 정전 피해가 발생한 곳의 지상 변압기 사진이다. 이처럼 국내의 기후 및 지역적 여건에 의해 상습 침수지역 외에도 많은 곳에서 침수로 인한 전력시설물 피해 및 정전으로 경제적 손실을 입고 있는 것으로 조사됐다. <그림 5>는 지상에 시설된 일체형 수 · 변전설비의 침수에 대한 현장 조사와 관련된 자료이다. 경북 봉화군(청옥산 자연휴양)에 위치한 시설로, 2008년 7월 24일 침수 및 토사 유입으로 일체형 수 · 변전 설비가 약 60㎝ 정도 매몰됐다(<그림 6> 참조). <그림 7>은 약 5시간 정도의 정전 및 설비 교체 후의 침수 흔적 관련 사진이다.
2006년 한국전력의 ‘배전설비 정전 분석 및 예방대책’가운데 전체 설비별 정전건수 조사 분석 자료에 의하면 개폐기 총 정전건수 384건 중 자연현상으로 인한 것이 20건(5.2%)을 차지했고, 변압기 총 정전건수 190건 중 자연현상으로는 9건(4.7%)이 조사됐다. 여기서 자연현상이란 정전 발생 원인이 집중호우, 태풍, 낙뢰 등으로 인한 피해를 조사한 것이다. 지중배전 분야에서의 설비별 정전 현황을 보면 개폐기 총 26건 중 기타 현상으로 6건이 조사됐고, 변압기 정전건수는 총 13건 중에서 기타 현상으로 4건이 정전 원인으로 조사됐다. 여기서 기타 부분은 자연재해, 원인 불명, 오동작 등으로 분류했다.
개발 사양과 작동 원리
스프링의 압출력에 따라 점검구 뚜껑의 접점판에 강한 힘이 전달되어 뚜껑이 파손되거나 접점이 자동 개방되지 않도록 스프링의 압출력을 완벽히 계산해 나온 제품으로, 점검구 뚜껑을 열면 본체 접점과 상부연결 접점이 자동 분리되어 점검을 용이하게 했다.
누전릴레이를 내장한 방수형접속함(자동복귀형)LTB-500
가로등 누전릴레이 방수함(모델 : LTB-500)은 LTB-300과 동일한 방수 성능 및 기능을 가지면서 내부에 누전차단기 대신 자동으로 복귀되는 누전릴레이를 내장한 제품이다(<그림 6> 참조). 이 제품은 가로등에서 발생하는 누설전류를 감지하여 누전 발생 시 자동으로 전원을 차단시키며, 차단된 후에 유지 보수 직원이 일일이 확인하고 복귀를 해주어야 하는 어려움을 감안해 다음날 저녁 전원 재투입 시 누전 상태에 따라 자동 복귀되도록 개발했다. 또한 고감도전류(15㎃)를 채택해 누전이 발생한 가로등의 전원만 차단시키며 분전함 및 타 가로등은 점등상태를 그대로 유지하도록 개발했다.
<그림 8>은 침수 방지 장치의 기본 원리를 개념도로 나타냈으며, 침수 방지 변압기 사양은 <표>과 같다. 본 연구개발에서는 방수 소재를 사용한 자바라 방식 및 전체 계폐 방식, 부분 계폐 방식 등 다양한 방식으로 진행했으며, 개발된 전력설비의 능동 침수 방호 기술은 현재 국내외적으로도 독창적인 방식으로 국제 특허가 진행 중이다. 현재 22.9㎸급 전력설비를 개폐 점검 및 유지 보수가 가능하고, 완전 침수시 특고압을 가압할 수 있는 장치로는 세계 최초이다. 비슷한 사례로 미국에 수동 방호 기술을 이용한 몰드 변압기, 즉 유지 보수가 불가능한 완전 밀폐형 변압기가 있으나 성능, 가격 경쟁력, 적용 분야 등에서 본 기술이 월등하다. 따라서 국가 연구 지원 사업을 통해 산학협동으로 연구개발한 기술을 ㈜엔티전기에서 상품화하여 내수 및 수출에 기여할 예정이다.
장치 개발에 사용된 주요 기술
본 장치는 현장 적용성과 신뢰성, 유지 보수성, 원격제어 및 비상 운전체계 등 홍수 시 외부 전원 차단 혹은 투입 등 다양한 환경에서 작동할 수 있도록 다음과 같은 기술을 적용했다. 특히 기존 장치에 약간의 변형을 주어 적용할 수 있도록 개발해 현장 적용성을 높였다.
⑴ 침수 방지용 기계적 구조물 개발 ① 침수 1차 방지용 외함 개발 ② 침수 2차 방지용 내부 장치 개발 ③ 점검용 외함문 밀폐 기술 개발 ④ 점검을 위한 효율적인 외함문 개폐 방식 개발 ⑤ 지중선 인입부 및 인출부 밀폐 기술 개발
⑵ 침수 방지용 제어 장치 개발 ① 침수 방지용 제어 장치 동작을 위한 외부 수위감지 장치 개발 ② 침수수위에따른단계별제어기술장치개발 ③ 침수 방지용 장치의 최적 운전 환경 유지 기술개발 ④ 침수 방지용 장치 운전 중 변압기 발생열의 냉각 장치 개발 ⑤ 상용전원차단시제어장치운전시스템개발
⑶ 침수지역 실태조사와 개발 제품의 현장 적용을 위한 제도 개선(한국전기안전공사)
특히 모든 전원이 차단되고 내부 전기 관련 장치가 고장 나면 터치스크린, 통신 시스템 등 종합 감시시스템(<그림 11> 참조)은 작동되지 않으나, 자체 기계식으로 작동하는 비상 시스템에 의해 내부 환경을 조정해 최적으로 침수 방지를 유지할 수 있다. 현재 저가 보급형 모델에서는 기계식 장치만으로 제품화가 가능하도록 개발 중이다.
실증 시험 결과
⑴장소및일시
① 한국전력공사 고창 실증 시험장 ② 수조 크기 : 가로(370㎝), 세로(210㎝), 높이(180㎝) ③ 시험장 용도 : 지상 설치형 변압기 침수 안전성 확인 ④ 시험 일시 : 2008년 10월 7일~10월 9일
⑵실험참여 ① 주관기관 : 영남이공대학 ② 위탁기관 : 전기안전공사 전기안전연구원 ③ 참여기업 : ㈜엔티전기
⑶시험방법및내용 ① 송휴전 현장 조작자 : 한국전력연구원 담당자 - 시험장 내 한전 시험 관련 설비에 관련 데이터 보관 - 작업통보서및작업내용출력서류발행 ②투입방법 : 원격투입 ③ 시험 내용 : 침수방지장치22.9㎸실증실험 - 침수 전 무전압 상태 성능 시험 - 침수 시 무전압 상태 성능 시험 - 침수 시 22.9㎸ 투입 성능 시험 - 침수 종료 시 무전압 성능 시험 - 개발 장치 침수 방지 기능 시험
④ 시험에 사용된 물 : 실제 침수 상황 재연을 위해 바닷가에 위치한 고창 한전 실증 시험장 주변의 연못물을 정화 과정 없이 그대로 사용
패드 변압기를 완전 침수시켜 24시간 경과 후 22.9㎸ 가압 실험을 실시, 침수 상태로 전원 투입 24시간 동안에 각종 실험을 한 결과 절연저항 및 누설전류 변압기 내부 온도 등 여러 항목에서 우수한 성능을 유지한 것으로 나타났다. 이 기술은 수동 및 능동 침수 방호 기술로서, 특고압 전력 관련 기기 및 기타 관련 장치의 개폐가 가능하고 유지 보수 가능한 제품으로 국내외 최초 기술이다.
마무리
현재 관련 기술은 국내외 특허 출원 중이며, 시장요구에 다양한 방식으로 대응할 수 있도록 아파트 빌딩 등 지하 공간 침수 방지 솔루션도 개발 진행 중이다. 특히 일본, 유럽 등은 지하 전기실 및 기계실 침수에 대비하여 차수문 등 수동적인 방호를 하고 있으나, 본 연구개발에 사용한 수동 능동 복합 방호기술을 적용하면 지구온난화에 따른 국지성 호우 피해로 인한 전기안전 사고와 경제적 손실을 줄이는데 일익을 할 것이다. 앞으로도 지속적인 기술 개발을 통하여 시장 요구에 맞춘 제품의 다양화 및 전문화된 고품질 · 고신뢰성의 침수 방지 장치를 개발 상용화해 내수 및 수출에 앞장설 계획이다.
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