개폐기_국내 23kV 개폐기의 고장유형 및 성능평가 방법

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개폐기_국내 23kV 개폐기의 고장유형 및 성능평가 방법

2005년 12월 2일 (금) 01:46:00 | 지면 발행 ( 2005년 11월호 - 전체 보기 )

국내 23kV 개폐기의 고장유형 및 성능평가 방법한국전력 전력연구원 김동명 책임연구원현재 국내 22.9kV-y 배전계통에 설치 운영되고 있는 차단기·개폐기는 약 11만대이며 소호성능이 우수하고 소형화에 유리한 SF6가스 절연방식인 Gas Switch가 89.5%를 점유하고 있다. 23kV 개폐장치는 전력계통에 있어서 고객의 부하와 직접 연결되어 차단·투입, 통전되는 설비로 사용된다. 따라서 개폐장치의 고장은 산업설비의 제어불능, 정지를 의미하며, 수용가의 광범위한 정전을 유발함과 동시에 전기품질 저하의 원인이 되고 있다. 그러므로 고객이 만족하는 전기를 판매하기 위해서는 선로운영에 기본이 되는 개폐장치의 품질확보가 우선적으로 제고되어야 한다. 본 고(稿)에서는 국내 25.8kV 가스절연 부하개폐기의 최근 고장유형을 살펴보고 가스개폐기의 품질개선을 위한 국외의 장기신뢰성 평가방법을 조사하였다. 또한 국내 유일의 실증시험장이 있는 전북 고창에 건설된 배전급 개폐기의 성능을 실증 평가할 수 있는 시험시스템을 소개하기로 한다.국내 배전급 개폐장치의 현황1. 개폐장치의 분류 개폐장치는 전기회로를 구성 및 분리, 변경을 목적으로 사용되는 기구 또는 장치를 총칭한다. 차단기, 단로기, 퓨즈와 같은 기기뿐만 아니라 모선, 차단기, 단로기, 접지장치, 변성기 등을 금속제함에 내장시킨 가스절연장치(Gas Insulated Switch-gear) 및 MCSG(Metal Clad Switch-gear)를 포함한 넓은 의미로도 사용된다. 개폐장치는 전류 개폐능력에 따라 분류하면 <표1>과 같으며, 이 기구는 사용목적에 따라 몇 개를 조합하여 사용되는 경우도 많다.2. 운전실태우리나라는 1960년대부터 무제한 송전이 가능하게 됨에 따라 공급능력이 부족한 3.3kV, 6.6kV 배전선로를 3상 4선식 22.9kV-y 선로로 승압함에 따라 장긍장, 대용량 배전계통에 대한 선로용 보호기기의 필요성이 대두됐다. 이에 부응하여 1966년부터 전류 감지식 과전류 보호기기로서 유압식 자동재폐로 차단기(Recloser)를 도입시켜 사용했으며, 그 후 전자식 제품의 도입과 함께 1980년 초 국산화에 성공했다. 1970년에는 보호협조를 위해 분기선에 자동구간 개폐기(Sectionalizer)를 설치 운전했으며 1974년에 자동 루프스위치(Loop Switch), 1982년 SF6 가스절연개폐기, 1995년에는 고장구간 자동검출개폐기(FAS Switch)를 국산화하여 선로에 설치·운영함으로써 고장구간 축소가 가능케 되었으며 아울러 배전선로 자동화 운전을 추진하였다. 구간개폐기로는 기중방식인 인터럽터(Interrupter)와 밀폐구조인 SF6 가스절연개폐기를 설치하여 사용하고 있다. 3. 운전현황2004년 12월 현재 국내 22.9kV-y 배전계통에 설치 운영되고 있는 차단기·개폐기는 가공선로용 개폐기 및 보호기기 약 8만 여대, 지중선로용 개폐기 약 3만대이며 총 113,366대이다.SF6 가스절연방식인 Gas Switch와 지중개폐기(Pad. SW)가 전체 개폐장치의 89.5%를 점유하고 있으며 <표2>는 국내의 배전선로 보호장치 및 개폐기 설치현황을 나타내고 있다.4. 가스절연부하개폐기(Gas Insulated Load Break Switch) 규격배전용 개폐기의 약 87%를 점유하고 있는 SF6 가스절연부하개폐기의 규격 일례를 <표3>에 표기하며 다음의 특성이 있다.① 삼상 일괄의 단일 탱크형으로 본체, 취부금구, 제어함으로 구성② 절연 및 소호매체로 SF6 가스가 봉입되어 있음③ 소형, 경량화된 것으로 편출 가공장주에 취부 용이한 구조(행거형)④ 지중용으로 보도에 설치되는 지상설치형고장유형최근 2년간(2003∼2004) 국내에서 발생한 25.8kV SF6 가스절연부하개폐기의 고장에 대해 전력연구원에서 분석한 결과, 주요 고장유형은 다음과 같다. ① 조작부 : 오·부동작 (부식, Grease 고착, 장치 파손 등)② 차단부 : 전극 접촉불량, 정격을 초과하는 이상전압(TRV)③ 절연물 : 폴리머 절연물의 트래킹 ④ 부싱 : 수분침투, 부싱내부의 전압 Screen 결함, 전계집중, 보호캡 불량⑤ 엘보우 : 표면손상, Connector의 접속불량 ⑥ 기타 : 흡습, 제어회로의 절연 불량 <그림1>은 분석 지원한 고장개폐기의 부위별 현황을 보여주고 있다. 고장은 절연물의 절연 불량, 기계적 손상, 외부 손상 등이 주요 원인으로 작용하고 있다.

1. 조작불량 오·부동작은 주로 수동 조작핸들의 부식이나 구동 연결장치의 파손에 의해 발생되며 외부 환경, 습기, 지중관로의 부식가스가 주원인인 것으로 조사되고 있다. 또한 제조 시 조립불량도 다수 발생하고 있으며 동작불량 고장품 중 제품 생산('98∼'02년)후 2∼5년 이내에 발생비율이 42%를 점유하고 있다. <그림3>은 연결 부분의 파손에 의하여 3상 일괄 개폐조작 불량(1상 결상)이 발생한 사례로 시뮬레이션을 통한 절연체의 인장하중(2ton)에 대한 응력 분포를 보여주고 있다. 고정핀 조립작업 시의 충격과 핀의 휘어짐으로 인한 응력의 불균형이 파손의 원인으로 조사되었으며 모의한 결과, 글로부 부분(응력: 23.86 ㎏/㎟)과 홀(hole) 주위가 다른 부분보다 큰 응력(21.21 ㎏/㎟)이 집중됨이 확인됐다.<그림4>는 제조과정 중 가동전극에 Grease의 과도한 도포가 장기간 미사용 후 경화되어 개방·투입 동작 불량원인이 된 사례를 보여주고 있다. 특히 고착상태가 심한 전극의 경우 그리스(grease)가 하우징에 비산한 흔적이 있는데 이것은 개방 시 전극에서 발생하는 아크에 의해 그리스가 비산한 것으로 보이며 이러한 과정에서 그리스 자체가 변성 고착될 수도 있어 가동전극의 운동을 방해한 것으로 분석되고 있다. 그리스의 물성시험을 KS M 2032 규격에 따라 시험한 결과, <표4>와 같이 온도변화에 의해 주도가 변함을 알 수 있으며, 따라서 그리스의 과도한 도포는 조작상태에 더 큰 영향을 준 것으로 사료된다.<그림5>는 구동부의 Shaft와 전극부의 Shaft의 가동범위가 불일치하여 상시 비틀림에 의한 취성벽개파괴(脆性劈開破壞)1)에 의해 파손된 것으로 분석되었다.

2. 부싱결함, 전극의 접촉불량자동화개폐기의 제어회로 전원공급을 위해 부싱내부에 전압검출 Screen을 설치하는데, 결함 또는 공극이 존재할 경우 전계 집중의 원인이 될 수 있다. <그림6>은 고압부싱의 내부 결함에 의한 부분방전 고장을 보여주고 있으며(×4, 저배율입체현미경 관찰) <그림7>은 접촉 불량에 의해 발생한 전극의 용손 사례를 나타내고 있다. 가동접점의 접촉 불량은 개리시간, 소호특성, 통전전류, 가스오염 등에 영향을 미친다.

3. 자기제 부싱의 파손<그림8>과 같은 부싱의 파손은 주로 제작 중 냉열성능 불충분, 취급부주의, 전계완화를 위한 도전성물질의 코팅불량, 보이드에 의한 전계집중 등의 원인으로 발생한다. 계절적으로는 O-Ring의 밀착불량 시 수분침투에 의한 냉각 동파가 일어난다. 부싱의 성능평가방법은 ES 131. 11항의 흡습시험이 있으며, 시험 후 분쇄하여 흡습의 여부를 확인한다. 또한 몰드콘 접합부와 절연커버의 밀폐상태가 불량한 경우 전선내부로 침투한 수분은 부싱에서 장기간 체류하면서 발생되는 방전열화도 주요 원인으로 작용한다.

4. 절연물의 불량개폐기 내부회로의 상간 절연을 위해 에폭시 절연물을 사용하고 있다. 제조 시에 미경화(硬化)된 에폭시 혼합물은 기본수지(epoxy resin)와 첨가제(filler)의 계면 갈라짐을 유도하며, 그때 함유된 수분은 표면의 침식과 함께 미소 트래킹(tracking)을 발생시키는 것으로 조사되었다. <그림10>, <그림11>은 고장 전 진행상태를 조사하고자 고장과 무관한 절연물의 표면을 입체현미경으로 확대한 결과 부분방전이 진행되고 있는 것이 관찰되었다.

5. 개폐기 부싱 보호캡에서 3상 단락가스개폐기의 투입 시 부싱 보호캡에서 발생한 3상 단락은 도전성을 가지고 있는 보호캡(저항율 : 1×103[Ω·cm], 카본 함유량(TGA2)측정) : 25%~35%)이 원인으로 조사되었다. <그림13>은 고장을 모의한 시험으로, 불꽃방전이 부싱 상부도체와 도전성 커버사이에서 발생하는 것을 확인하였다.6. 패킹(Packing)의 열화 외부로부터의 수분 투과방지를 위해서는 기밀용 재료의 신뢰성이 필요하며, O-Ring 및 패킹 등의 손상은 내부 가스의 절연성능 저하 및 누기로 인한 가스압력 저하의 원인이 된다. <그림14>는 경년열화에 의한 O-ring의 표면 crack을 보여주고 있다.

7. 리크로저(Recloser)의 고장 유형 배전계통의 차단장치인 리크로저의 최근 고장은 제어회로 고장, 내부 절연불량에 의한 탱크 파손으로 조사되며, 고장은 제작 후 1∼2년 이내의 신품 고장이 주로 발생하여 제작과정에 문제가 있는 것으로 추정된다. 리크로저의 동작불량은 원격운전이 불가능하여 배전선로자동화시스템의 운전효과를 저해하며 또한 불완전한 개방(결상 등)은 고객설비의 모터 소손 및 정전 발생을 유발시킨다.<그림15>는 1998년부터 2000년까지 발생한 리크로저 고장 19건에 대한 것을 유형별로 표시한 것이다. 본체에서의 고장유형으로는 탱크폭발, 결상, 누유 등이며 제어함에서의 고장은 제어함과의 연동관련 릴레이 접점불량이 주요 원인으로 분석되고 있다.현장점검 1. 현장 운전개폐기의 가스분석SF6 가스는 상온에서 극히 안정된 가스이지만 전류 아크에 노출되면 약간의 분해현상이 일어난다. 해리(解離)된 가스는 급속히 재결합하여 대부분은 원래의 안정된 SF6 가스로 되돌아가지만 재결합되는 과정에서 극히 일부 성분이 발호 전극 재료(동-텅스텐 합금) 또는 미량으로 포함되어 있는 가스 중의 수분과 반응하여 아주 적은 양이기는 하지만 불화황산 가스와 가는 가루 모양의 석출물이 되어 남는다. 전류 차단으로 발생하는 가스는 SF4로 이 SF4가 물과 반응하여 SOF2와 2HF를 생성한다. 따라서 SF6 가스의 관리는 가스 중의 수분량, 가스 밀도 및 가스의 순도가 주 대상이 된다.현재, 배전용 가스절연부하개폐기내의 수분함량 기준은 한전 잠정 표준구매시방서에 1,000ppm을 초과하지 않는 것을 제시하고 있다. 최근 발생한 가스개폐기의 절연고장과 SF6 가스와의 연관성 규명 및 운전개폐기의 실태를 파악하기 위하여 2001년도 제조된 지상개폐기 40대를 발취하여 절연가스의 열화 원인이 되는 불순물을 분석하였다. 수분함량, 가스순도, 아황산가스 SO2)의 함량, 누기점검 등의 항목에 대하여 외부 시험전문기관에 위탁 시행하였다. 분석 장비는 수분(Dew point, 노점)측정기로는 Alpha Moisture System(England, Type DSP-Ex)을 이용하였고, 아황산가스 측정기로는 GASTEC(Japan)를 사용하였다.2. 수분량 측정일반적으로 500ppm 내외로 측정되었으나, 국내 A사 9대, 국내 B사 1대, 국내 C사 1대에서 수분함량 기준값(1,000ppm)을 초과하였다. <그림17>은 측정대수 40대의 수분함량 측정결과를 나타내고 있다.

3. 아황산가스 측정미국 TWA에서는 허용농도를 2ppm이하로 규정하고 있으며, 측정함량에 따라 흡입기구가 황록색에서 황색으로 변색된다. 측정결과 전량 0.2ppm(변색 없음)으로 측정되었다. 4. 누기시험초기 가스주입 압력은 제조사별로 다르며(국내 A, B사는 5PSIG, 국내 C, D사는 10PSIG), 측정결과 모두 양호한 것(2PSIG)으로 확인되어 가스 누기는 없는 것으로 조사되었다.5. 노점(露点)과 수분(水分) 관리에 대한 분석분해된 SF6 가스가 다량의 수분과 공존하는 경우 절연재료나 금속 표면을 열화시킬 위험이 있다. 흡착제를 봉입한 경우에는 과거의 실적에 따르면 분해가스가 거의 남아 있지 않으며, 이때 가스중 수분량은 400ppm(vol.)이하(배전급 1,000ppm)로 관리하면 전기적으로 전혀 지장이 없는 것으로 되어 있다.일반적으로 액체나 고체절연물에서는 수분함량이 수십 ppm이상일 경우 절연내력에 영향을 미치므로 주의가 요구되며, 상대적으로 가스 내에서는 영향이 적으나, 수분이 다량 존재할 경우 가스 분해를 촉진시켜 저급불소로 형성된 산이 생성하며 도체의 부식을 유발한다. 따라서 가스내부의 습도가 관리값 이상일 경우 주기적으로 측정할 필요가 있다. 가스의 절연상태 점검으로는 활선상태에서는 부분방전 측정 등이 있다. 수분관리의 기준 값은 최저 사용 온도에서 결로 되지 않는 값으로 표현되며 이 포화수분량은 사용 가스압력에 따라 다르므로 각 제조 회사마다 적용기준이 다를 수 있다. 수분의 발생원인으로는 ① 가스 중에 포함되어 있는 수분량 새 가스, 재생 가스에 포함되어 있는 수분으로 전체대비 점유율은 매우 낮다.② 조립시 침입하는 수분량 진공 펌프로 진공 작업 시 기기 내부에 잔존하는 수분량 또는 환경에 의하여 기기 벽에 부착되는 수분량으로 전자는 극히 미량이나 후자는 현지 조립 방법에 따라 영향을 받는 경우가 있다.③ 유기 절연재료에서 석출하는 수분량가스 중의 유기 재료에 함유되어 있는 수분량은 일반적으로 0.1%∼0.5%(WT %)로 추정되는 바, 장기간에 걸쳐 유기 절연재료 내부에서 가스 중으로 점차로 석출되는 것으로 생각된다. ④ 패킹에서 투과되는 수분량장기간에 걸쳐 패킹을 투과하는 수분량이다. 실제 수분량은 유기 절연물에서 석출되는 수분량과 패킹을 투과하는 수분량을 제외하면 극히 미미한 수분량으로 생각된다.가스절연개폐기의 성능평가방법 성능평가시험은 개폐기의 전반적인 구비요건을 시험실에서 단시간 내에 검증하기 위한 시험으로서 신품의 개폐기에 대하여 실시한다. <표5>와 <표6>은 개폐기 및 차단기의 성능평가 개발시험항목을 일례로 나타낸 것이다.① 절연 및 전기적 특성시험실제 사용상태와 같이 완전히 조립된 차단기 개폐기류에 실시하며, 제작자가 규정한 SF6 가스의 최소압력 하에서 절연성능을 검증한다. 시험항목으로는 상용주파전압시험(건조 및 주수상태), 충격전압시험, 부분방전시험 또는 전파 장해 전압시험(RIV시험: Radio Interference Voltage Test) 인공오손시험 등을 행한다.② 회로저항시험온도상승시험 및 개폐 투입시험 전후로 회로의 저항을 측정하여 변화량을 검증하는 것으로, 시험 전후에 측정한 변화량이 20%이하 이어야 한다. 시험성적서에는 측정된 주회로 저항 값뿐만 아니라 시험 시의 일반 조건(시험 전류, 주위 온도, 측정 위치 등)도 기록한다. ③ 온도상승시험개폐장치에 정격전류를 인가하여 각 부의 온도상승은 규정된 값을 초과하지 않아야 한다. 주회로의 온도상승시험은 최소 가스 압력(밀도)에서 깨끗한 접점을 구비한 신품 개폐장치로 실시한다.④ 기밀시험절대 누기율 F가 규정된 허용 누기율 Fp를 초과하는지 여부를 검증하는 시험으로서, 정격 가스 압력(밀도)에서 실시한다. 허용 누기율 Fp는 제작자와 사용자의 합의에 따르며, 일반적으로 제작자에 의해 제시된 값으로 한다. ⑤ 단시간 전류시험개폐기로서 보유하고 있는 개폐능력 또는 투입능력을 검증한다. 개폐기의 주회로 또는 접지 회로가 규정된 단시간 전류의 실효치와 파고치를 정격 통전 시간동안 통전할 수 있는지를 검증하는 시험으로서, 정격 주파수의 10% 허용오차 이내에서 실시한다. ⑥ 기계적 동작시험개폐기의 기계적 동작의 내구성을 검증하는 시험이다.1. 성능평가방법 및 고장모드 가스절연개폐기의 성능평가방법 및 고장모드는 다음과 같다. 2. 성능평가 기법차단부는 수십∼수백㎳의 사이에 고속도로, 충격적으로 개폐를 반복되는 제어가 행해진다. 또 1년 이상 동작하지 않고 정지하고 있는 차단기에 계통사고에 의한 차단지령을 주어도 소정의 동작시간에 대하여 0.5∼1㎳ 정도의 높은 신뢰성이 요구되고, 다른 한편으로는 1일에 수회의 개폐를 매일 실시하여도 개폐성능을 유지하는 것이 요구되는 것도 있다. 이와 같이 차단기의 개폐성능 및 기계적 수명은 상당히 특수한 기술 분야에 속하므로 이들의 성능평가기술의 실상을 조사·보고하는 것은 차단기의 고성능화, 고신뢰도화에 있어 의의가 있는 것으로 말할 수 있겠다. <표6>, <표7>에서는 ‘(1) 개폐성능의 기계적 수명’ 및 ‘(2) 차단성능’에 대한 성능평가방법을 나타내고 있다.23kV 차단기·개폐기류 특성 실증평가시스템 구축 한국전력공사에서는 국내 유일의 실증시험장이 있는 전북 고창에 배전급 개폐기의 성능을 실증 평가할 수 있는 시험시스템의 구축을 위하여, 현재 공인시험기관인 한국전기연구원에서 수행할 수 있는 규격시험 항목과 중복을 피하고, 실증시험장에서는 사용 환경을 모의한 장시간의 특성평가를 할 수 있는 시험방법을 강구하였다. 2005년 8월 준공된 시험동과 시험설비의 건설은 ‘23kV 차단기·개폐기 특성 실증평가시스템 구축’ 전력산업기금 과제의 재원을 사용하여 기존 배전시험동 여유부지를 활용하여 건평 180평의 2층 규모의 건물(초전도시험동과 병행 건설)을 신축하였고 시험설비는 환경과 수명평가를 고려한 특수시험을 모의할 수 있도록 구성하였다실증평가시험장은 시험선로 8km와 시험동으로 구성된다. 시험선로에는 배전계통의 개폐기 설치기준을 준수하여 차단기·개폐기를 설치하였다. 시험선로 말단에는 과도회복전압(Transient Recovery Voltage)의 모의가 가능한 등가 부하군(저항설비, 콘덴서설비)을 설치하여 소전류 개폐시험을 통한 신개발 및 사용 배전기기, 제조사별 절연성능 비교를 가능케 하였다. 또한 오·부동작 원인규명을 위해 장시간 방치 후 시험을 하는 희빈도시험장을 구축하였다. 시험동 건물 내에는 경년품의 고전압특성 평가를 위해 600kV 충격시험기, 100kV 교류내전압시험기를 설치하였고 내환경 성능시험을 위해서는 주수시험설비와 고·저온 챔버를 구축하였다. 향후 국내 개폐장치의 저·고온, 습도, 동결 등 환경특성 평가에 활용할 계획이다. 또한 EMC(전자기적합성) 시험장치를 구비하여 자동화기기 제어부의 오동작 규명을 가능케 하였고 그 외 동작시한, 가스누설, 수분량 측정이 가능한 특성평가시험설비도 확보하였다. 23kV 차단기·개폐기류 실증시험장은 기기의 오동작 원인규명, 운전성능 검증, 사용기기의 동작특성 분석 등 경년특성을 실증적·정량적으로 평가 가능하게 하였으며, 제작사별 개폐기의 신뢰성을 평가할 수 있도록 신품, 경년품 등에 대하여 각종 특성시험을 실시하여 그 자료를 정량화로 나타내고 고장위험률(또는 수명)과의 관계를 규명할 계획이다. 마무리본 고에서는 국내의 23kV 개폐기의 운용에 있어서 발생되었던 고장 사례를 토대로 여러 가지 고장원인을 분석하였다. 본론에서 언급하지는 않았지만 가스절연개폐기 고장원인의 많은 부분을 차지하는 SF6 절연가스에 대한 관리는 현재, 단순히 본체내부의 가스압력만을 확인할 뿐 장기 사용에 대한 성능평가 및 예방진단이 수행되고 있지 않는 실정이다. 국내의 제조 현장여건을 고려해 볼 때 향후 개폐기의 장기신뢰성 확보를 위해서는 제조업체 및 한전의 품질 개선을 위한 지속적인 노력이 필요하다. 신제품에 대한 철저한 시험과 정기적인 설비 관리가 요구되며 특히, 경년특성을 검증할 수 있는 효율적인 방법의 제시와 함께 개폐기의 절연열화 사고의 예측 및 대비를 위한 절연 진단 시스템의 개발이 필요하다.