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SF6 Free 친환경 25.8㎸ Solid Insulated Switchgear(SIS) 개발LS산전 전력연구소 SWGR연구팀_이석원 책임연구원(043)261-6512 / seakwonl@lsis.biz개요미래형 스위치기어(Switchgear)는 기존 수배전 선로용 스위치기어의 개념을 뛰어넘어 도심 고부하 밀집 지역에도 설치 가능한 친환경적 제품으로, 초소형·다기능화 스위치기어 개념을 적용한 집적형 차단 개폐부, 개폐제어가 용이한 조작기구부, 근본적으로 내(耐)아크를 방지할 수 있는 고체 절연 구조부 및 가전제품과 같은 친숙한 외관 등의 요구 사항과 친환경성을 강조하여 콤팩트화, 안전성 및 코스트 절감을 실현해야 한다. 현재 일반적인 스위치기어로는 SF6 가스 절연 개폐장치(SF6 Gas Insulated Switchgear, GIS)가 많이 사용된다. SF6 가스 절연 개폐장치는 기존 공기 절연 스위치기어의 문제점을 보완하고, SF6 가스를 사용함으로써 스위치기어의 구성 시 요구되는 고도의 신뢰성, 경제성, 안전성, 간편한 보수 점검, 설치 면적 축소, 시공 기간의 단축 및 환경과의 조화 등을 이뤄냈다. 그러나 현재로는 SF6 가스에 의한 환경오염을 규제하는 국제적 흐름을 간과할 수 없는 상황이며, 따라서 미래 스위치기어에는 친환경 대체 절연 물질의 개발과 적용성을 높이는 것이 중요하다. 일반적으로 절연·소호력이 우수한 SF6 가스를 대체하기 위해서는 에폭시(Epoxy) 등을 이용한 고체절연, 공기, 건조 압축공기, N2가스 등 2가지 이상의 친환경적인 복합(Hybrid) 절연을 이용해야 한다. LS산전의 ‘SF6 Free 친환경 25.8㎸ Solid Insulated Switchgear(SIS)’는 에폭시 등을 이용한 고체 절연매질을 기술적으로 발전시킴과 동시에 제품 적용시킴으로써 전력기기 제품의 친환경성을 획기적으로 발전시켜야 한다는 필요성에 의해 연구 개발됐다.
 [그림 1] 개폐장치의 진보전력계통에서 사용되는 기기들은 고속 통신 기능을 가진 IED(Intelligent Electronic Devices)기기를 채용하여 계측·보호·진단 등의 기능을 수행하는데, 취득한 정보를 원방에서 인지할 수 있도록 스마트(Smart)화가 기술 선진국에서 많이 진행됐다. 이러한 고기능 IED기기 개발은 향후 전력 공급 안정도 향상에 기여하는 동시에 그 자체가 고부가가치 제품으로 복합 절연 스위치기어의 성능 향상에 크게 기여하기 때문에 스위치기어와 동시에 개발이 이루어져야 한다.중기거점개발과제 진행 및 개발 협력SIS 개발 과제는 2003년 디지털 기술기반 미래형 송변전 시스템에 사용 가능하도록 ‘IT 및 친환경화 전력용 개폐장치’ 개발을 통한 글로벌 리더십 확보를 목표로 한 ‘IT 신(新)전력기기 개발 중기거점개발 사업’의 일환으로 진행됐다. LS산전에서는 제품 전체적인 시스템 구성 및 제품 대부분을 구성하는 몰드 부품의 설계 및 해석을 진행했으며, 위탁 연구기관과 협력하여 신뢰성을 위한 분석 및 시험 등을 관할했다. 중소기업을 참여기업으로 몰드 부품의 성형 신뢰성 등을 진행시켰으며, 중소기업 기술개발 협력으로 친환경 고체절연 대표 모델을 개발하여 2006년 8월 과제를 완료한 바 있다. 또한 추가 연구 개발을 지속하여 2008년 7월 국내 최초로 친환경 고체절연 스위치기어 KERI 개발 인증을 완료할 수 있었다.
  [그림 2] SIS KERI 인증 시험(절연 및 대전류 시험)기술 특성 및 개발 과정이 개발 제품은 지구환경 정책에 따라 SF6 free 친환경 에폭시 절연을 실현한 Solid Insulated Switchgear(SIS)이다. 차단기, 단로기, 접지개폐기 등을 일체화시킨 친환경, 고기능, 무보수 지향의 특고압 폐쇄 배전반(25.8㎸, 25㎄ 3s, 2000/630A, 70㎸ 1min, 150㎸ BIL, E2 class)으로, 친환경 절연매질의 절연 특성에 대한 기술적 진보와 제품 적용을 통해 중전기 제품의 친환경 기술 향상에 기여한다. 1. 경제성 및 실용성 측면교토의정서에 대응한 국내 최초의 SF6 Free 친환경 스위치기어로, 소형경량화 및 유연한 시스템 구성(Module 설계를 통한 단·복모선 가능 구조)을 실현했다.2. 신뢰성 측면SIS 구성의 핵심 부분인 에폭시 Embedding VI 차단 소호부(NET 인증) 기술 구현 및 전동 조작 장수명 조작기구(PMA)를 채택하여 차단투입 구조 신뢰성을 향상시켰으며 에폭시 절연물에 대해 장기과전압, 기계 수명, 열 충격, 수분 침투 등 신뢰성 검증을 진행했다.3. 안전성 측면각 상별 충전부 반도전처리를 통한 상분리형 Dead Type으로 3상 단락 방지 구조, 운전자 오·조작 방지를 위한 전기적 Interlock, 통전·동작상태 표시 장치 등을 채택하여 사용 안전성을 향상시켰다.제품 구조SF6 free 친환경 에폭시 절연을 실현한 Solid Insulated Switchgear(SIS)는 차단기, 단로기, 접지개폐기 등을 일체화시킨 고압 폐쇄배전반이다. 각 구성 부품의 Module 설계를 통해 단·복모선 구현이 가능한 세계 최초의 고체절연 주회로 모선 구조를 실현했으며 Main, Feeder, PT, Section, Tie 및 MOF Panel 등 국내외 사용자의 요구를 만족할 수 있는 시스템 구성이 가능하도록 제품 구조를 실현했다.
   [그림 3] LS산전의 SF6 Free 친환경 25.8kV SIS기술 응용국내외 스위치기어의 경우 도심의 전력 증가에 따른 설비 증설 과정에서의 설치 공간, 친환경성, 비용 및 조작 안전성 및 소형 집적화 등의 다양한 요구 사항을 해결하는 방향으로 발전하고 있다.그 첫 번째로 친환경적 제품 개발을 위한 복합 절연매질과 열가소성 형태의 수지를 개발 적용하고 가전제품과 같은 친숙한 외관을 강조한다. 두 번째로는 소형 집적화 제품 개발을 통해 도심의 전력부하 밀도 집중에 따른 설치공간을 효율화하고 초소형·다기능화 스위치기어 개념을 적용한다. 세 번째는 내(耐)아크 방지 등과 같은 조작 안전성을 고려하는 방향으로 발전하고 있다. 친환경 복합 절연 SWGR 관련 해외특허와 절연매질 특성 연구 및 타당성을 검토한 결과, 비록 SF6 Gas Free 친환경 제품이어도 초소형 사이즈 및 가격 경쟁력을 동시에 만족해야 글로벌 제품으로 거듭날 수 있다. 친환경 신제품이 성능에 있어서 국제 규격을 준하면서 상기 경쟁요소를 갖출 수 있는 절연 방식의 선택이 중요한 것이다.해외 특히 일본 업체의 경우, 앞서 설명한 Gas 배출량 저감을 위한 기술 개발뿐 아니라 ㎹급 친환경절연 Type(SF6 Gasless)의 개폐장치도 개발하여 납품 실적을 가지고 있다. 개발 업체는 절연 방식별로 에폭시 절연의 Toshiba社(2002년 출시) 및 Hitachi社(2006년 출시), N2 또는 Dry-Air 절연의 Japan AE Power社 및 Nissin社 등이 있고, 국내 배전급 개폐기에도 고체절연 방식이 적용되고 있다.국내에서는 제품 성능과 더불어 전기적·기계적 장기신뢰성 평가 및 재료 물성 등에 대한 연구 및 초고압 제품을 친환경 제품으로 바꾸기 위한 가장 핵심 분야인 초고압 진공 인터럽터 연구가 진행되고 있는 단계다. 향후 과제현재 배전급 스위치기어 세계 시장 규모는 약 100억 달러에 이르며, 교토의정서 발효(2005년 2월 16일)에 따른 온실가스 규제에 대응하여 일본 및 유럽업체를 중심으로 친환경 스위치기어의 개발 적용이 진행 중인 상태다. 국내 업체의 경우 SF6 대체 절연 원천기술 부족 등에 기인, 시장 진출이 미미한 수준이다. 지금까지 SF6 절연에 의존하고 절연매질을 전량 수입에 의존했으나, 친환경 제품 개발을 시작으로 상당한 수준의 가스 수입 대체 효과 및 친환경 스위치기어 시장 창출이 예상된다.향후 온실가스 규제 확대가 예상됨에 따라 설계인력 양성, 원천기술 개발지원 등 친환경 스위치기어 경쟁력 기반 확대를 위한 정책 도입이 진행되며 한전의 규격 제정은 국내 친환경 개폐장치의 활성화에 크게 기여할 것으로 예상된다. 따라서 친환경 절연매질의 도입 적용을 통한 중전기 제품의 기술적 향상을 유도할 수 있도록 하는 ‘기술적 측면’, 친환경 절연 채택으로 개발된 제품의 수출 기여 및 국내 중전기기 분야의 산업 활성화를 유도할 수 있도록 하는 ‘산업·경제적 측면’, 대기환경 오염을 규제하는 국제적 흐름에 부합하여 중전기분야의 국제경쟁력 강화 및 수출 활성화를 유도할 수 있도록 하는 ‘정책적 측면’ 등을 고려한 업체의 노력이 필요할 것으로 생각된다. 이석원(李錫遠)1992년~현재 LS산전 전력연구소 SWGR연구팀 책임연구원· 담당 : R&D 분야 (RMU, GIS, 수배전반, SIS 연구 개발)스위치기어(Switchgear) 개폐 및 차단장치에 관련된 제어, 미터, 보호 및 소정 장치의 조합 또는 이들 장치와 관련된 상호 접속물 부속품이나 지지구조의 집합을 포함하는 일반적 용어로 주로 발전, 송전, 배전 및 전력변환의 접속에 사용되는 용어다. 개폐장치라고도 한다.육불화황(SF6)상온에서 무색, 무취, 무독의 기체로, 500℃ 이상의 열에서도 안전하지만 불순물이 들어가면 분해되어 유독해진다. 주로 반도체 생산 공정과 가스절연개폐기 및 가스절연변압기에 사용된다.복합절연(複合絶緣, Hybrid Insulation)복합절연이란 권선 절연물, 스페이서, 냉각 덕트 등과 같이 권선에 직접 접촉하거나 권선 주위에 있으며 열적 상승이 수반되는 부분은 H종 절연물(Nomex)을 적용하고, 권선과 많이 이격된 부분은 A종 절연(크라프트紙)을 적용하는 절연방식이다. 열적, 전기적, 기계적 특성이 매우 우수하다.
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