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7.2kV 복합절연개폐장치 ‘MS-S’최근 고도의 정보화 사회에 있어서 전력의 안정공급이 필요불가결한 가운데 전기설비의 신뢰성이 더욱 요구되고 있다. 또한 설비자체의 비용만이 아니라 라이프사이클 비용 절감, 즉 설치면적의 축소화에 따른 공간의 효율적 이용, 설비를 납입장소까지 운송하는 비용과 공사 기간 단축으로 얻어지는 공사비 절감, 정기점검주기 연장과 점검시간 단축 등이 요구되고 있다.이와 같은 필요에 따라 충전부에 주체 절연기술을 적용함으로써 내전압 성능의 신뢰성 향상을 꾀하며 정기점검 주기연장을 실현함과 동시에 내부구조의 최적화에 따라 소형화, 경량화, 저전력 손실을 실현시킨 복합절연 개폐장치를 개발했다. 또한 복합절연 개폐장치에는 변류기를 와이드 레인지화 하고 영상변류기로 일체화한 복합변류기와 이에 대응하는 디지털형 보호 릴레이를 탑재해 생산설비 증설시의 변류기 교체작업이 불필요해졌다.복합절연개폐장치의 특징은 다음과 같다.
 (1) 공간 절약개폐장치 치수의 소형화와 함께 전후면의 보호 공간이 축소됨에 따라 설치면적을 53% 저감할 수 있다(미쯔비시전기 종래 비).(2) 자원 절약개폐장치 치수의 소형화와 함께 경량화 됨에 따라 엘리베이터 반입이 가능해졌으며 반입, 설치가 용이해 공사비를 삭감할 수 있다.(3) 에너지 절약발열손실을 40%절감(미쯔비시전기 종래 비)함으로써 연간 1,750㎾·h 전력량을 절전할 수 있다.(4) 보호 인력 절감고체절연기술 적용으로 정기점검주기를 3년에서 6년으로 연장할 수 있었다. 또한 전면보호·전면조작을 더해 디지털형 보호 릴레이 탑재로 작업능률이 향상된다.독자적인 고체절연기술을 채용한 복합절연 개폐장치 ‘MS-S’는 정기점검 주기연장과 그 위에 대폭적인 소형화를 실현했다. 정격전압 7.2㎸ 클래스의 범용개폐장치로는 일본에서 미츠비시전기가 처음으로 고체절연을 채용했다. 여기서는 복합절연 개폐장치 MS-S에 적용한 신기술에 관해 설명한다.복합절연 개폐장치 ‘MS-S’<표1>에 복합절연 개폐장치 ‘MS-S’의 정격사항을 나타낸다. 복합절연 개폐장치 ‘MS-S’의 주요 특징을 <표2>에 나타낸다. 또한 <그림2>에 이번 개발한 복합절연 개폐장치와 미츠비시전기의 기중절연 개폐장치의 비교를 나타낸다.
 고체절연기술1. 고체절연 유닛화<그림3>에 개폐장치의 소형화·경량화·저전력 손실을 목적으로 고체절연 기술을 적용한 부위를 나타낸다. 고체절연 기술을 적용한 부위에는 복수의 기능을 갖춰서 부품점수의 삭감이나 발열손실 저감을 도모하고 있다. 이 장치는 진공차단기의 진공 밸브(Vacuum Switching Tube : VST)를 포함한 주회로부의 VST 유닛, 주모선부의 모선도체 유닛, 분기부의 분기도체 유닛의 3유닛으로 구성되어 있다. 3유닛은 ‘통전’ ‘절연’ ‘지지’ ‘접속’ 4가지 기능을 함께 갖고 있는데 VST 유닛은 그 위에 ‘차단’의 기능을 추가로 갖고 있다. 또한 모선에서 케이블 접속부까지의 전로 길이를 최단화 하고 저손실화를 도모하기 위해 VST 유닛을 모체 유닛에 직접 접속하는 수직접속구조로 만들었다.
 2. 일체주형기술(1) 고체절연실현 과제<그림4>에 VST 유닛의 단면도를 나타낸다. VST 유닛은 VST와 거기에 접속하는 상부도체, 하부도체 및 VST 유닛 지지용매금을 에폭시수지에 따라 일체 주형한 고체절연 유닛이다. 따라서 에폭시 수지에 따라 일체 주형 되고 있는 인서트 재료는 동, 스테인리스, 세라믹, 놋쇠로 여러 갈래에 걸쳐 각각의 선팽창률이 에폭시수지와 크게 다르다. 일반적으로 에폭시수지와 선팽창률이 크게 다른 인서트 재료를 주형하면 선팽창률의 차이로 인해 잔류응력이 증대해 인서트 재료의 계면에 박리나 균열이 발생한다. 바로 이러한 박리나 균열이 최종적으로 절연 파괴의 원인이 된다.따라서 주형시 발생하는 전류응력을 저감할 필요가 있으며 열응력 해석을 이용해 인서트 부재의 최적형상을 결정하고 내부에 발생하는 잔류응력을 산출했다. 그 위에 계면 처리기술을 이용해 잔류응력의 경감을 도모했다.(2) 열응력해석내부에 발생하는 잔류응력에 관해서 열응력해석을 실시해 잔류응력을 저감할 구조 및 각 인서트 부재의 형상과 에폭시 수지 두께 등을 결정했다. <그림5>는 VST 유닛의 열응력 해석 결과의 한 예이며, 이 해석 결과에서 주형시 잔류응력으로 인한 박리가 염려되는 부위는 상하 세라믹단부라는 사실이 명확해졌다.이와 같은 해석을 하면서 게다가 에폭시수지의 재료 특성은 변경하지 않고 상하 세라믹단부에 발생하는 잔류응력을 극소화하고 계면박리와 균열을 발생시키지 않는 구조로 만들기 위해 에폭시수지와 인서트 부재의 계면에 응력 완화 층을 만드는 구조로 했다.(3) 계면처리기술응력 완화 층에는 계면으로 박리를 발생시키지 않기 위해 에폭시수지와 각 인서트 재료의 양방에 밀착력이 필요하다. 이를 위한 재질로서 팽창과 수축 등 열의 여파를 흡수하는 특성을 지닌 탄성접착제와 그 위에 하나의 분자 속에 반응성이 다른 2종류의 관능기를 갖고 유기질·무기질 재료에 화학 결합하는 실란 커플링제의 2종류를 비교·검토하기로 했다. 이 2종류의 재질에 대해 밀착성 평가시험에 따른 응력 완화 층의 파단강도를 측정했다. 또한 주형 후, 히트 사이클 시험 후, 히트 쇼크 시험 후의 계면은 박리와 균열의 유무를 특정 짓기 위해 부분방전시험에 따른 코로나 소멸전압을 측정했다.<그림6>에 세라믹과 에폭시수지간, 스테인리스와 에폭시수지간에 탄성접착제와 실란 커플링제를 각각 도포했을 때의 파단강도를 나타낸다. 이 시험결과에서는 열응력해석으로 얻어진 최대잔류 응력 값보다 탄성접착제 및 실란 커플링제가 높은 파단강도 값을 나타낸다. 더욱이 실란 커플링제가 탄성 접착제보다 높은 파단강도를 나타낸다.또한 에폭시수지와 인서트의 계면부에 탄성 접착제, 실란 커플링제를 도포한 경우의 부분방전 시험결과를 <그림7>에 나타낸다.부분방전시험은 주형 후, 히트 사이클 시험 후, 히트 쇼크 시험 후 3회를 실시해 코로나 소멸전압을 측정했다. 시험결과에서 쌍방 모두 계면 박리나 균열이 발생하지 않았지만 실란 커플링제가 탄성 접착제보다 흩어짐이 적고 코로나 소멸전압이 높은 값을 나타내고 있다.이상의 밀착성 평가시험 및 부분방전시험 결과에서 내부에 발생하는 잔류응력을 저감해 에폭시수지와 각 인서트 재료 양방에 밀착력을 갖는 실란 커플링 제를 가장 적합한 응력 완화층의 재료로 채용했다.더욱이 실란 커플링제의 적용에 앞서 실란 커플링제의 희석농도나 막 두께. 착색첨가제양이 주는 계면의 파괴강도의 영향을 명확히 하고 인서트 표면처리의 적정화를 꾀했다.복합 변류기 및 디지털형 보호계전기측정전류 60~600A의 범위를 종래 12종류의 개별 정격 변류비인 변류기에서 선택, 사용해 왔다. 이것을 1종류의 정격으로 커버할 수 있도록 와이드 레인지화하고 그 위에 영상변류기와 일체화한 복합변류기를 개발했다. 또한 여기에 대응할 수 있는 디지털형 보호 계전기를 개발했다.(1) 복합변류기<그림8>에 와이드 레인지화 한 변류기와 트랙형의 영상변류기를 일체 주형한 복합 변류기의 외관을 나타낸다. 와이드 레인지화는 고투자율로 직선성에 뛰어난 규소 강판말이 철심과 트로이달 코일로 실현되어 전용 디지털형 보호 계전기에 적합한 부담을 줌으로써 체적은 미쯔비시 현 상품의 1/10정도로 소형화했다. 계기용 변류기의 와이드 레인지화에 따라 생산설비 증설시 계기용 변류기의 교체가 불필요하다.
 (2) 디지털형 보호 계전기디지털형 보호 계전기는 전자기계형이나 아날로그 정지형 보호 계전기에서는 불가능했던 과전류보호와 과전압보호 등의 달랐던 보호기능을 일체화하고 그 위에 종래 판면에 설치되어 있던 메타나 표시기, 조작 스위치 등을 1대의 장치에 복합화한 것이었다. <그림9>에는 디지털형 보호 계전기(MP22)의 외관을 나타낸다. 이 디지털형 보호 계전기의 자동점검기능을 수배전 감시시스템과 조합함으로써 다수의 보호 계전기의 특성시험을 1대의 PC 단말을 조작함으로써 실현할 수 있다. 이로 인해 시험시간을 절감할 수 있고 보호 작업시간의 반감 및 점검주기 연장(3년 6년)이 가능해져 보호의 인력절감 및 런닝코스트 삭감에 공헌할 수 있다.이번 개발한 7.2㎸ 복합절연 개폐장치 MS-S의 고체절연기술, 복합변류기 및 디지털형 보호 계전기에 관하여 서술했다. 향후 전기설비용기기는 고밀도화·환경 적합화를 추진하고 상시감시화도 진행될 것으로 보며 전기설비로서 한층 소형화, 인력절감화, 라이프 사이클 비용절감, 환경부하절감이 필요할 것으로 생각된다.
<Energy News>
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