월간전기

[미래형 친환경 전력기기] 친환경 전력기기 개발을 위한 신뢰성 평가기술

2010-12-06

한국전기연구원(www.keri.re.kr)
김민규 책임연구원
(055)280-1555 / mkkim@keri.re.kr

개요

SF6 가스는 절연성능과 차단성능이 우수해 스위치기어, 개폐기, 차단기, 변압기 등 특고압, 초고압급 전력기기에서 절연매체 및 소호(전류차단)매체로 주로 이용되고 있다. 절연내력과 소호능력이 실제 응용부분에서 가장 우수한 SF6 가스지만, 상당히 안정화 된 기체로서 대기 중 수명이 3,200년으로 매우 길고, 적외선 흡수량도 크다. 이 때문에 지구온난화지수(GWP)가 CO₂가스의 23,900배나 되어 1997년 12월에 개최된 지구온난화방지 교토회의(COP3)에서 배출 억제 대상가스로 지정된 후 SF6 가스 저감형 및 Free 형태의 기기 개발이 촉진되고 있다.
이러한 국제환경의 변화에 따라 우리나라도 SF6대체기술에 대한 다각적인 연구 개발을 통해 고체절연 스위치기어(SIS), 건조공기절연 스위치기어(DAIS), 폴리머절연 개폐기, 몰드변압기, 식물유변압기 등 친환경 전력기기 개발이 활발히 진행되고 있다. 국외의 경우 일본의 도시바(Toshiba)는 고체절연, 미쓰비시(Mitsubishi)는 복합절연, 히타치(Hitachi)와 닛산(Nissan)은 압축건조공기와 질소(N₂)를 이용한 SF6 가스 대체절연 기술 개발과 상용화를 추진하고 있다. ABB는 N₂절연, HOLEC은 고체절연에 대한 연구와 상용화를 진행해 오고있다.

제품의 높은 신뢰성을 확보하기 위해서는 설계, 제조, 시험평가 및 결과 분석의 과정에서 노출된 신뢰성 문제가 설계에 반드시 재반영(Feedback)돼야한다. 따라서 설계수명 보증을 위한 가속수명 모델의 개발, 고장 분석, 신뢰도 예측 등의 신뢰성 평가기술이 필요하며, 기존 전력기기에서 요구됐던 성능과 경험을 통해 확인된 사용수명을 친환경 전력기기의 개발단계에서 확보해야 한다. 따라서 설계수명보증을 위해 국제규격에 제시된 형식시험항목 이외에도 수요자의 요구를 충분히 만족시킬 수 있는 신뢰성 평가시험 기술의 개발 및 응용이 요구된다.

신뢰성 평가시험 계획

신뢰성이란 제품에 대한 믿음의 정도에서 출발한 개념이다. 이는 얼마나 오랫 동안 사용할 수 있는가를 정량적 수치로 표현하는 것으로, ' 주어진 환경에서 고장 없이 일정기간 동안 제품 본래의 성능을 유지하는 특성'을 말한다. 신뢰성은 미래에 일어날 고장, 즉 수명에 관련된 시간적인 측면에서 품질과 구분해서 이해할 필요가 있다.

신뢰성 시험은 많은 비용과 시간이 소요되므로 제품의 개발단계부터 시험의 목적, 방법, 일정 등을 규정한 신뢰성 시험 계획을 수립해야 한다. 과거의 경험, 데이터, 기술정보를 충분히 검토하고 분석해 시험항목, 스트레스의 종류와 수준, 시료의 수, 시험기간, 측정 파라미터와 방법 등을 결정한다.
신뢰성 시험은 사용조건을 대표할 수 있는 단일시험주기에서 실제 사용을 모의 시험한다. 환경시험은 수명주기에서 예상되는 경로, 시험의 목적, 아이템의 용도, 환경 스트레스 조합에 따른 시너지 효과 등을 고려해 수행해야 하므로 시험순서가 문제될 수 있다. 별도의 시료에 대해 독립적으로 환경시험을 수행했을 때는 고장이 발생하지 않지만 동일시료에 대해 환경조건을 복합하거나 조합해 인가했을 때 또는 특정 순서로 인가했을 때 고장이 발생할 수 있다. 이러한 경우는 환경조건의 조합 또는 시험순서가 중요하다.

신뢰성 평가시험 방법

1. 고체절연 변압기(몰드변압기)
설계수명 평가를 위해 고온 가속열화시험을 적용한다. 몰드변압기의 고압권선을 축소 모델링한 시료를 제작해 수명시험을 실시한다. 또한 실규모 몰드변압기는 최저 가속온도에서 열화시험을 실시해 대표모델 시료를 대상으로 실시한 수명시험 데이터의 유효성을 검정한다.

열화방법으로 실변압기는 권선에 순환전류를 인가하는 전류 순환방식을, 대표모델은 공기 오븐을 사용한다. 온도 가속열화시험에서 온도는 3그룹으로 나누어, 각각 12개의 대표모델을 샘플링 해 <표 3>에 나타낸 열 노출주기 동안 연속해서 가속열화시킨 후 냉열충격시험과 습윤 상태 절연시험을 실시해 절연특성을 확인한다. 건전한 시료는 연속해서 열화시험을 지속하며 모든 시료가 고장, 즉 절연파괴가 될 때까지 계속해서 모든 시료의 파괴시간을 구한다. 파괴시간은 아레니우스 수명모델을 이용해 각 온도별 파괴시간과 온도 간의 관계를 로그그래프로 나타내고 절연물의 절연종별로 허용하는 온도에서 몰드변압기 권선의 수명 예측을 통해 설계수명을 확인할 수 있다.

2. 폴리머절연 개폐기
기존 SF6 가스 절연 대신 폴리머절연을 이용한 개폐기에 대한 신뢰성 검증은 복합 열화시험을 실시해 실사용 조건에서 충분한 설계수명을 보유하고 있음을 형식시험에서 확인한다. 시험에서 인가되는 스트레스는 전압, 염무, 주수, 자외선, 온도, 습도 등이 있으며, 이들의 스트레스를 주기적으로 인가되도록 설정해 3천 시간을 시험하게 된다. 설정된 복합 가속열화시험 주기는 여름주기와 겨울주기로 각각 분류된다. 여름주기는 10일, 겨울주기는 11일을 적용해 시험이 진행된다. 여름주기의 일례를 <표 4>에 나타냈다.

3. 고체절연 스위치기어(SIS)

2002년 도시바는 SF6 가스를 전혀 사용하지 않고 C-GIS보다 소형이면서 경량이고 보수작업이 경감되면서 안정성, 신뢰성이 더욱 향상된 환경 조화형의 24㎸ SIS를 개발했다(<그림 4> 참조).
도시바의 경우, SIS에 대한 시험평가는 기존의 국제표준 적합성을 평가하는 것으로, 부품 및 제품에 대한 평가시험은 다음과 같다.
SIS를 구성하는 에폭시 주형물 단품 및 조합 상태(모선부싱 몰드 + VI 몰드 + 가동부 몰드)에서 IEC 60068-2-14 환경시험 Test N에 따라 수중에서 열충격(Thermal Shock)을 실시, 시험 전후의 Crack 발생 유무 및 부분방전시험, AC 내전압시험을 실시해 특성변화를 관측했다. 또한 온도 사이클시험을 조합 상태의 VI 몰드에 대해 14cycles 실시, 시험 전후의 Crack 발생 유무 및 부분방전시험, AC내전압시험을 실시해 특성변화를 관측했다.
장기 내구성 평가를 위해 에폭시 절연물에 대한 장기 과전시험을 실시했으며, 정격전압의 1.8배인 23㎸에서 3.5년, 3.9배인 50㎸에서 8시간의 고장시간을 근거로 SIS용 에폭시 주형품의 V-t 특성에서 전압열화계수(n)가 9.8~16 범위에 있음을 확인했고 평균 30년 이상의 수명을 보증했다.

국내에서는 SIS 개발 시 기존 국제표준인 IEC 62271 규격을 만족하는 시제품의 제작 및 시험평가를 실시했으며, 더욱 강화된 신뢰성 평가기준을 적용해 제품의 신뢰성 검증을 실시했다. 현재 25.8㎸친환경 가스 및 고체절연 개폐장치에 대한 한전의 구매규격이 개정된 단계다.
적용 시험항목은 일본에서 적용한 시험항목과 유사성이 많으며, 일부 내환경 및 수명 관련 시험을 추가로 실시함으로써 수명 보증 및 신뢰성 검증을 보다 엄격하게 적용하고 있다.
현재 친환경 개폐장치에 대한 국내 User 규격으로 정한 내환경 및 수명 관련 시험 중 대표적인 시험은 전압가속에 의한 장기 과전시험과 온도 및 습도조건의 주기적 변화에 의한 환경 내구성을 검증하는 내환경시험, 환경조건의 변화에 따른 개폐장치의 동작특성을 확인하는 고저온 동작특성시험이 있다. <표 6>에 나타낸 시료수별 시험기간의 적용은
SIS의 에폭시 고체절연의 수명을 신뢰수준 90%에서 B10 수명 25년을 보증하기 위한 시험조건이다.
시험 후 뇌충격 내전압시험(규정시험치의 80%)으로 절연의 건전성을 확인한다.

친환경 절연 개폐장치는 신규 개발되어 계통에서 운전 경력이 전무하므로 신뢰성 평가에서는 보다 엄격한 시험기준을 적용해 제품의 품질면에서 생산자 위험률과 소비자 위험률을 모두 현격하게 낮추고자 하는 노력이 있었다. 고저온 동작특성시험은 제어회로 또는 보조회로에 적용되는 환경시험(IEC 60068-2-1, 2-2, 2-3, 2-78)을 개폐장치 전 시스템을 대상으로 환경시험 조건에서 개폐동작시험을 실시해 Stroke, Open-Close 동작 속도 등 특성을 측정해서 환경변화에 따른 동작특성의 이상 유무를 검증한다.

마무리

친환경 전력기기는 기존 전력기기 절연방식을 친환경 소재를 사용해 절연설계된 것으로 아직까지 완벽하게 계통에서 기기의 신뢰성이 경험적으로 확보되지 못한 상태에서 국제적 환경변화에 적극 대응해 개발 및 실용화가 매우 빠르게 진행되고 있다. 따라서 종래의 기기가 보유한 성능 이상의 기능을 발휘하면서 안전성과 신뢰성이 확보된 제품의 생산 및 이용을 위해서는 이전의 연구 개발 과정과 달리 신뢰성, 안전성 평가시험 기술의 표준화가 친환경 전력기기의 개발과 함께 이루어지는 것이 바람직하다.

GWP(Global Warming Potential, 지구온난화지수)
일정기간(1백일) 동안 1㎏의 온실가스가 야기하는 적외선 흡수능력(가열효과)과 CO₂1㎏의 영향에 대한 비율

SF6 Gas(육플루오린화 황 또는 육불화황)
인체에 무해하지만 지구온난화를 추진시키는 가스로, CO₂와 같이 끓는점에서 승화하며 비중은 5.1이다.

SIS(Solid Insulated Switchgear)
고체절연 스위치기어

DAIS(Dry-Air Insulated Switchgear)
압축건조공기 절연 스위치기어

B10 수명
누적고장확률이 10%가 되는 시간을 말한다. 즉, 전체 제품 중 10%가 고장이 발생할 시간

가속수명시험(ALT : Accelerated Life Testing)
전압, 온도, 진동 등 제품의 수명에 큰 영향을 미치는 변수의 스트레스를 사용조건보다 열악한 수준으로 시험해 빠른 시간 내에 수명 관련 특성치를 추정하는 방법

열충격(Thermal Shock, Heat Stress)
갑자기 가열 또는 냉각 등 충격적인 온도변형력(비정상적 온도분포)에 의해 물체가 충격을 받아 커다란 열응력이나 열 변형이 생긴다.

< Energy News >

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