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가스절연개폐장치 부분방전 진단을 위한 센서 및 진단시스템 개발 서론 세계적으로 전력사용의 증가로 인하여 계통의 사용전압 및 송전용량이 증가하고 있으며, 국내의 경우 전력설비 설치부지의 수급이 어려움에 따라서 적은 공간에 많은 전력설비의 설치 및 밀집화가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 전력사용의 증가와 밀집화로 인하여 노화된 전력설비의 사고로 인한 피해손실도 커지고 있는 상태이다. 1996년과 2003년에 각각 발생한 미국의 캘리포니아, 뉴욕 및 캐나다 정전사태는 전력설비 노후화에 따른 사고의 대표적인 예라 할 수 있다. 국내의 경우 태풍 등으로 인한 초대형 자연재해 및 인적재해로 인하여 전기공급이 장시간 동안 중단 시 전력공급 피해의 손실 역시 기하학적으로 증가되고 있는 실정이다. 이에 따른 신뢰성 있는 전력공급을 위한 방안의 중요성이 그 어느 때보다 부각되는 시점이라 하겠다. 이러한 방안 중 전력계통에서 중요한 설비로 자리잡고 있는 가스절연개폐장치의 부분방전 진단을 통한 계통안정화의 방안을 소개하고자 한다. 기술개발의 필요성 1970년대 말 한국 전력공사에서 SIEMENS사의 GIS 설계기술을 참고하고 S＆S사, Hitachi사 제품 등이 도입되어 서울, 부산 등 8개 변전소에 운전되기 시작한 가스절연개폐장치(이하 GIS)는 전력계통상의 단로기, 모선, 접지장치, 변성기 등을 금속체함에 수납하고 SF6가스로 절연시킨 종합 개폐장치로 현재 대부분의 변전소에서 GIS로 신설 및 교체되어 가고 있으며 계통 사용전압의 승압에 따라 800kV급 GIS까지 확대 운전 중에 있다. 이러한 GIS는 사용이 확대됨에 따라 최근 10여 년간 전체 변전설비 고장 중 약 11%를 차지하며 점점 고장 발생건수도 증가 추세에 있다. 따라서 GIS 에서 사고예방과 안정된 운영을 위하여 신뢰성이 보장되는 보수관리 및 상시 절연진단 기술 확보가 필요하며 이러한 예방진단 요소기술 중 부분방전 검출기술은 고도의 전문성을 요구하는 복합 신기술 분야이며 가장 신뢰성을 갖는 예방 진단법으로 국내외적으로 추천되고 있다. 특히 부분 방전 시 발생하는 전자파 신호를 측정하여 가스절연 전력기기의 상태를 감시하는 기술은 부분 방전량의 측정범위가 넓고 이상 발생위치 및 결함의 위치 및 원인의 추정이 용이하여 세계적으로 연구관심 대상이 되고 국내에서도 많은 요소 기술들이 개발되어 현재까지의 연구 결과들을 바탕으로 상시 감시 시스템으로 구현할 단계에 도달했다. 한국전력공사에서는 2002년도부터 765kV 송변전 설비를 건설하고 있고 일부는 상용운전 중에 있으며 이것은 우리 전력 역사에서 계통전압의 승격이 국내자체의 기술로 이루어지고 있다는 관점에서 매우 중요하다. 현재의 기간 계통전압이 154kV 및 345kV로 이루어져 있으나 향후 345kV 및 765kV로 바꾸어질 것으로 예측되며 이에 따른 송전용량의 증가로 기기의 고장 시 사회적인 문제와 경제적 손실을 가져오고 안전사고의 확대를 일으킬 우려가 크다. 따라서 전력기기들은 매우 높은 신뢰성이 요구되며 특히 기기의 고장을 예측 진단하여 신뢰성을 높이는 부분은 필수적인 분야이기도 하다. 그러나 국내자체 기술로 이루어진 계통전압의 승격과 달리 기기의 고장을 예측 진단하는 분야 그중 가스절연 전력기기의 부분방전 진단기술 분야는 전력연구원 등에서 지속적 수행으로 기술 수준이 현장적용 측면에서 확보되기는 하였지만 적용 감시시스템에 있어서는 고가의 외국제품을 전량수입에 의존하고 있는 것이 현실이다. 전력 계통 전반에 미치는 산업, 경제적 파급 효과로 인한 중요도에 비해 본 기술분야는 현장적용을 위한 실등급 실험용 가스절연 전력기기의 확보, 다양한 조건 기기의 시험 환경확보, UHF대역 부분방전 신호처리 기술 및 상시 감시기법확보, 안정적인 감시시스템 기반 확보라는 다양한 복합기술의 접목으로 그 중요도에 대한 사회적 인식은 넓게 분포되어 있지만 기술개발이 그 동안 따르지 못한 것이 사실이다. 따라서 안정적인 전력 공급을 위한 필수 국산화 기술로서 적극적 지원 및 관심이 필요하며 국산화된 가스절연개폐장치 상시 감시시스템의 개발로 인하여 제품수입에 대한 부담을 덜고 국내 고유기술을 확보함으로써 기술종속에서 오는 비용부담을 줄일 수 있다. 국내·외 관련기술의 현황 1. 국외현황 영국에서 UHF 부분방전 검출 기술을 최초로 개발하여 약 10여 년의 연구 끝에 1990년대 초반부터 현장에 시험적용하기 시작하여 현재까지 확대적용과 기술개발을 계속하고 있으며 국내 변전소에도 일부 사용되고 있다. 독일과 일본에서도 영국에 뒤이어 UHF 부분방전 검출기술을 연구·개발했고 Siemens, Mitsubishi, Hitachi 등은 경우 자사에서 생산하는 GIS에만 자체 개발한 UHF 기술을 적용하고 있으며, 타사 GIS에는 적용에 한계가 있어서 외부로는 공급하지 않고 있다. 기술의 전반적인 수준은 세계적으로도 아직 충분하지는 못하며, 현장에서 적용하여 일반인들이 사용할 정도의 충분한 성능을 얻기까지 많은 연구개발이 필요하다. 또한 CIGRE에서는 GIS 예방진단 수단으로 기본적으로 UHF PD 검출 방법을 추천하고 있고, 부가적으로 음향신호 방법을 추천하며, 2종의 기술을 적절히 조화시켜 적용할 것을 추천하고 있다. 2. 국내현황 전력연구원에서는 'GIS 부분방전 검출기술 연구' 를 통하여 국내 현장에 UHF 부분방전 검출 기술을 적용하는 데에 필요한 핵심 요소기술들의 개발을 완료했으며 부분적인 적용을 위한 방안들을 마련하고 있다. 우리 회사에서는 2005년 초 기준으로 철도청, 고속철도(KTX), 반도체, 전자 등에 GIS 부분방전 진단시스템을 납품하여 현재 전국적으로 약 2000여 개의 센서가 설치 운전 중에 있다.
   현 기술상태의 취약성 한국전력공사에서는 현재 다량의 가스절연 전력기기를 보유, 운전하고 있고 발전소와 변전소의 개폐장치는 대부분의 설비가 가스절연 전력기기로 건설되어 있어 계통상의 차지하는 비중이 매우 크다. 그러나 가스절연 전력기기의 진단기술은 아직 기술개발 역사가 짧고, 기술의 고도성 및 첨단성으로 극소수 국가에서만 보유하고 적용중이며, 특히 국내에 설치된 GIS PD 감시시스템은 전량 외국(영국DMS)에서 수입하여 설치되고 있다. 그러나 GIS PD 감시시스템은 고가의 장치로서 일부 변전소에만 제한적으로 설치되어 운전중에 있으며 이 역시 국내 변전소 환경에 적합하지 않고 적용이 용이하지 않다. 이로 인해 국내 대부분 변전소는 가스절연 전력기기 고장 예방을 위한 상시감시시스템이 갖춰지지 않은 채 운전 중에 있다. 1. UHF 센서  GIS 내부의 다양한 결함원(코로나, 금속이물, 부유전극)에 대한 검출을 위해 초광대역 센서를 이용하여 신호처리하면 다양한 결함원 검출이 가능하게 된다. 부분 방전 시 발생되는 전자파 대역은 전대역에 걸쳐 방사되며 이때 전 대역에 동시에 일어나지 않고 방전 진행정도, 방전량에 따라 특정 대역에서 주로 발생된다. 따라서 광대역으로 센싱하면 방전발생을 놓치지 않고 검출이 가능토록 제작했다. 2. 검출부 검출된 신호를 RF 신호처리, A/D 변환 및 DSP 처리를 통해 정량화 및 정형화된 측정값을 얻게 된다. 자세한 사양은 국내외적으로 기술 공개를 꺼리고 회사별로 비공개적으로 개발되고 있다. 우리회사 역시 일방적인 사양에 대해 언급하기로 하겠다. 3. 진단 프로그램 진단프로그램은 일반적으로 자동, 수동 측정 및 측정데이터 출력, 통신 이상 유무 감시, 기기 이력정보 표시, 설비 하부 시스템의 통합 및 관리를 위한 일반적인 GUI, 설비 하부 시스템간의 감시 및 제어 기능 등을 가지고 있다. 향후 추진될 것으로 예상되는 개방형 전력시스템 적용에 대비 하부시스템·상위시스템간의 확장성 및 광역적인 지원체제가 가능한 종합 네트워크 및 전력 인프라 Defense 시스템 및 네트웍과의 결합할 수 있는 IED(Intelligence electrronic Device)형 진단장치 등에 적용이 가능토록 하였다. 또한 진단 데이터 베이스 구축이 용이하게 구성하여 항 후 이를 통한 설비의 수명 예측 및 신뢰성 있는 평가 기반이 되는 시스템의 근간이 되도록 개발됐다.   결론 국산화된 센서 및 진단시스템의 개발 및 상용화를 통해 GIS 부분방전을 검출하는 데에 고장예방 수단의 고급화가 가능하고 고장예방효과를 높일 수 있었으며 국내 운전환경을 고려한 최적의 시스템을 확보할 수 있었다. 또한 한국형 UHF 부분방전 상시감시 시스템의 상용화로 전력기기 생산업체의 경쟁력 향상 및 전력기기 설계기술의 향상, 계측 기술의 산업화의 활성화 등 기술적 파급효과가 크게 예상되기도 한다. 현재 (주)피에스디테크에서는 GIS 부분방전 진단을 위한 외장형/내장형 센서의 상품화를 완료하였으며 2003년 이후 관련연구기관 및 학계 등의 지원, 우리 회사의 현장 진단 기술 등이 통합적으로 접목된 새로운 개념의 시스템이 될 것으로 예상된다.   이 시스템은 현재 변전소에 반영되고 있는 시스템과는 차원이 다른 기기 수명 예측, 결함의 정확한 원인 분석 등의 실제적인 전문가 시스템으로 구출될 것이며, 이를 통해 신뢰성에 문제되고 있는 외국 부분방전 진단시스템을 대신하여 국내 변전소에 확대 적용이 가능할 것으로 보인다.
<Energy News>
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