이 원고는 일본 《電氣現場伎術》誌에서 번역 전재한 것입니다.66/77kV용 단락 대응 속류차단형 아크혼 개발칸사이전력·전력시스템기술센터송전그룹과장(가공부문)_齊藤 眞一(사이토우 신이치) 개발 배경낙뢰로 인한 특별고압가공송전선에 발생하는 전기 사고는 지락고장과 단락고장으로 나뉜다. 지락고장에 관해서는 1선 지락전류만 차단하는 염가의 아크혼을 1998년도에 개발을 마치고 22~154kV 송전선로에 적용해 뇌격으로 인한 1선 지락사고 방지에 효과를 올리고 있다.한편, 단락사고에 대해서는 지락고장에 비해 전류 값이 크다는 점, 전류 영점 후 과도 회복 전압상승률*1이 높다는 점 때문에 기존 개발품에서는 사고전류를 차단할 수 없었다.따라서 기존 개발품(1선 지락용 아크혼)을 바탕으로 1999년도부터 2003년도에 걸쳐 (재)전력중앙연구소, 도쿄전력(주) 및 니혼카탄(주)과 공동으로 단락전류를 차단할 수 있는 아크혼을 개발했다.
장치 개요·특징이번 개발한 66/77kV용 단락 대응 속류차단형 아크혼의 외관도를 <그림1>에 나타냈다. 구조는 일반 혼의 선단에 통 모양의 유기절연재료(나일론수지)를 부가한 간단한 것으로 이루어졌다. 나일론수지제 통이 차단부로 돼 있으며, 애자련의 접지측 및 선로측 양쪽에 설치하게 된다.본체는 1선 지락 대응 속류 차단형 아크혼과 동일한 절연커버로 피복하고 있으며 조류로 인한 피해방지 기능을 갖추고 있다. 그리고 설치 부분을 일반 아크혼과 같은 구조로 했기 때문에 기설 아크혼을 교체함으로써 설치가능하다. 또 플래시오버(flash over) 전압 특성 및 임계 통락(臨界通絡) 특성이 일반 아크혼과 동일하도록 같은 사이즈를 선택했다.1. 장치 각 부 설명(1) 차단 부① 재료차단 부를 제작하면서 각 종의 재료를 이용해 차단성능을 검증한 결과 나일론수지가 가장 양호한 성능을 보여 이를 채용했다.② 차단 부 길이차단 부 내부의 가스 압이 높을수록 차단성능이 향상된다. 차단 부 내부 압력을 높이기 위해서는 차단 부 홈 구경을 작게 한다든지, 차단 부 길이를 길게 하는 방법이 효과적이지만 차단 부 길이를 길게 하면 외관상 좋지 않고 홈 가공도 어렵다는 점에서 차단성능을 고려해 150㎜로 결정했다.③ 홈 구경상기와 같이 홈 구경은 차단성능에 관련된 차단 부 내부 가스 압을 좌우하기 때문에 이하의 사항을 고려해 적절하게 결정했다. 홈 구경이 작으면 차단성능은 향상된다. 그렇지만 너무 작으면 제조상 곤란하고 파괴될 위험도 있다. 또 홈 구경이 지나치게 크면 목표 스펙을 만족하지 못한다.(2) 형상① 흔드는 각도애자련에서 흔드는 각도를 크게 하면 ‘아크가 길게 늘어진다’, ‘아크전압이 높아진다’, ‘전류가 한정되게 흐른다’라는 프로세스 때문에 사고 전류를 쉽게 차단할 수 있다. 단, 흔드는 각도가 너무 커지면 아크가 혼 접속부로 이행되기 쉽다. 이를 고려해 흔드는 각도를 50도로 했다.② 혼 간격속류차단형 아크혼을 지면 측 및 선측 양쪽에 설치한 경우, 50% 섬락 전압 특성이 표준 혼에 비해 약 2~3할 정도 저하된다. 따라서 50%섬락 전압특성이 표준 혼과 같은 정도가 되도록 혼 간격을 설정했다.단락전류차단성능1. 성능확인 방법차단성능은 전력중앙연구소 대용량 단락시험 설비를 이용해 접지측 혼 선단과 선로측 혼 선단을 Ø0.2㎜ 동선으로 단락한 후에 전류를 흘려 용단·발호시키는 차단시험으로 확인했다.(1) 시험설비·조건· 시험설비 : 66kV, 77kV 가공선을 대상으로 한 단상회로· 시험전류 : 1kA, 5kA 및 10kA· 전류 직류분*2 : 0 (시험전압 인가위상으로 제어)단, 실제 계통에서는 고장 발생 타이밍에 따라 계통 회로정수로 결정되는 직류분 전류가 흐른다는 점에서 이를 고려해 단락전류의 최대치인 전류 10kA인 경우만 최대.· 과도회복 전압 상승률 : JEC2300규격에 근거해 0.75kV/㎲ 정도2. 성능확인 결과<그림2>에 나타낸 오실로그램(오실로그래프를 사용하여 기록한 도형)과 같이 시험전류를 0.5사이클로 차단할 수 있다. 그리고 반복시험을 실시한 결과 시험전류가 10kA, 직류분이 0인 경우는 66kV, 77kV 모두 0.5사이클로 5회 차단했다. 시험전류가 10kA, 직류분이 최대인 경우는 0.5사이클 또는 1사이클로 6회 차단했다.또 이와 같은 반복 차단 후 소호가스 소비와 더불어 차단부의 내경이 증대해 차단이 불가능해지지만 차단 부 파괴 등의 극한 상황은 일어나지 않는다는 것을 확인했다.3. 차단 메커니즘차단 메커니즘에 대해서는 다음과 같이 생각할 수 있다.고장발생과 함께 아크로 인해 녹기시작한 차단부재료의 가스에 따라 차단 부 내의 압력이 상승한다. 이로 인해 차단 부 내의 가스 새는 속도가 빨라지고 아크손실이 증가되면서 아크 시정수가 감소, 게다가 녹기 시작한 가스가 아크에 혼합되기 때문에 전류 영점 부근의 온도영역(3,000~5,000K)의 열전도율이 상승해 아크가 쉽게 냉각되는 등 단락전류가 차단된다.향후 예정개발목표였던 10kA의 사고전류를 차단할 수 있는 66/77kV 속류 차단형 아크혼(단락 대응형)이 완성됐다. 현재, 본 개발로 얻어진 식견을 바탕으로 22/33kV 급 제품 개발을 실시하고 있으며 가공송전선로에 발생하는 뇌사고를 저감시키는 데 더욱 힘쓰고 있다.
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