개요
제품 축소화 및 고밀도화에 대한 요구에 대응하기 위해 큐비클형 가스절연 스위치기어(Cubicle-type Gas Insulated Switchgear, 이하 C-GIS)의 절연매체로 절연성능이 높은 SF₆ 가스가 채용돼 왔다. 그러나 SF₆ 가스는 온난화 계수가 높아 1997년 COP3(제3차 기후변화 당사국 총회, 교토의회)에서 대기 배출 규제 대상 가스로 지정됐다. 그런 까닭에 최근에는 SF₆ 대체 절연기술 개발이 활발해졌으며, SF₆ 대체가스 혹은 고체절연을 채용한 제품이 개발되고 있다. 이러한 추세 속에서 절연 측면에서 코로나 안정화 작용의 장점을 지니고 있으며 취급면에서는 인체에 무해한 건조공기(Dry Air)를 절연매체로 한 절연기술을 개발, 12/24/36㎸의 저압력 건조공기 절연 C-GIS의 제품화를 추진해 납입 실적을 가진 사례가 있다.
여기서 건조공기 절연기술의 적용을 고전압 기종으로 한층 더 확대해 전자 조작식 진공차단기(Vacuum Circuit Breaker, 이하 VCB)와 CBM(Condition Based Maintenance) 기능을 탑재한 72㎸ 등급의 저압력 건조공기 절연 C-GIS를 개발해 제품화 했다. CBM 기능이란 기기 상태를 상시감시하는 것으로, 신뢰성 향상 및 보수 시간 단축이 기대된다. 본고에서는 이 C-GIS의 개발에 있어 고도화 된 절연기술로서 저압력 건조공기 안 및 진공안에서의 절연기술에 대해 소개한다.

72㎸ 저압력 건조공기 절연 C-GIS 개요

1. C-GIS 개요
<표 1>은 72㎸ 저압력 건조공기 절연 C-GIS의 정격을, <그림 1>은 수전 유닛의 단면 구성을 나타낸 것이다. 이 C-GIS는 다음과 같은 장점을 통해 환경부하를 저감하는 것은 물론이고 기존과 동등한 외 형 수치 및 제품 질량을 실현했다.
① 저압력 건조공기 안에서의 절연파괴 전계에 대한 도체 및 절연피복의 면적효과를 명확히 함으로써 저압력에서의 절연특성을 분명히 하고 탱크 내부의 절연설계를 실시했다.
② VCB의 진공밸브는 에폭시 수지 내에 일체 주형(注型)해서 절연 유지함으로써 SF₆ 가스절연 기종과 동등한 폭 및 안길이 치수로 구성할 수 있었다.
③ 단로기 및 접지개폐기 극 사이에는 24㎸ 건조공기 절연 C-GIS로 개발한 배리어(Barrier) 절연기술을 이용해 절연성능을 향상시켰다.
④ VCB에서는 제품 구조를 모의한 절연평가를 실시해 고내압화에 적합한 전극 구조를 찾아냈으며, 기존 자사 제품에 비해 진공 안의 접점 개극거리를 11% 단축하는 동시에 개극속도를 33% 저감했다.

2. 저압력의 이점
건조공기 봉입압력을 저압력(정격 0.25MPa.abs)으로 제어하면 다음과 같은 이점이 있다.
① 건조공기를 봉입하는 압력 탱크를 박판으로 구성할 수 있기 때문에 자원 절약이 가능하다. 또한 C-GIS의 질량 경감으로 트럭 운송 시 C-GIS 탑재대수를 늘릴 수 있으므로 운송 시의 CO₂배출 삭감의 효과도 기대할 수 있다.
② 만약 공기가 새어 나와 건조공기 봉입압력이 대기압까지 낮아지더라도 정격 가스압력에서의 절연내력의 약 1/2.5에 해당되는 절연성능을 가지고 있기 때문에 공기가 새서 급전(給電)에 장해가 발생할 가능성이 극히 낮다.
이어 전계 해석 및 모의시험을 통해 실현한 저압력 건조공기 절연 및 진공 안에서의 절연회로 성능에 대한 검토 결과에 관해 이야기한다.

건조공기 절연기술
건조공기는 절연내력이 SF₆ 가스의 약 1/3이기때문에 SF₆ 가스와 동등한 절연내력을 얻기 위해서는 SF₆ 가스의 약 3배의 압력 상승 또는 절연거리확장 등에 의한 1/3 정도의 전계 강도 저감이 필요하다. 지금까지는 건조공기 안에서의 도체 형상 및 상 간, 대지 간 거리를 최적화 하고 중요 지점에 절연 배리어를 설치함으로써 절연성능 향상 및 소형화를 달성했다. 이번에 절연피복도 채용한 건조공기와 고체절연물과의 복합절연을 통해 기존 자사제품의 SF₆ 가스절연 기종과 동등한 C-GIS 외형으로 기존보다 약 1.5배의 저압력으로 억제해 필요한 절연내력을 실현했다. 여기서는 건조공기 절연기술의 개발 내용에 대해 서술한다.

1. 절연파괴 전계 강도의 면적효과
건조공기 절연설계에 필요한 전계 강도를 책정하기 위해 절연파괴 전계의 유효면적(최대 전계 강도의 90%를 충족시키는 면적) 의존성에 대해 조사했다. <그림 2>는 파괴 전계 강도 측정에 사용한 전극형상이다. 이 C-GIS의 경보 가스압력인 0.24MPa.abs의 건조공기를 밀봉한 압력 탱크 내에 표준 뇌(雷) 임펄스 전압(1.2/50㎲)을 인가하는 전극과 접지전극을 동축 원통형에 배치했다. 또한 <그림2-⒝>와 같이 고전압을 인가하는 전극 주위에 절연피복을 입힌 경우의 절연파괴 전계 강도에 대해서도 측정했다. 여기서 절연파괴 전압에서 구한 절연파괴 전계 강도를 와이블(Weibull) 처리하고 1% 절연파괴 전계 강도를 산출했다. <그림 3>은 1% 절연파괴 전계 강도의 유효면적 의존성을 나타낸 것이며, ⒜는 정극성, ⒝는 부극성에서의 결과다. <그림 3> 안의 전계 강도는 측정 데이터 중에서 가장 작은 파괴 전계 강도(유효면적이 큰 도체로 부극성 전압을 인가했을 때의 강도)에서 규격화 한 값을 나타냈다. <그림 3>에서 ⒜, ⒝ 모두 유효면적의 증대에 따라 파괴 전계 강도는 저하하는 경향을 보인다. 이것은 면적효과에 의한 표면상의 약점 인자가 증가해 파괴 확률의 상승으로 이어졌다. 또한 ⒜, ⒝ 모두 절연파괴 했을 경우 104㎟ 부근부터 절연파괴 전계 강도가 일정한 값에 귀착하는 경향을 보인다. 105㎟의 파괴 전계를 비교하면 절연피복을 입힌 경우의 값은 입히지 않은 경우의 값보다 약 20% 상승함을 알 수 있다. 이상의 검토를 통해 이 C-GIS에서는 절연피복을 이용한 절연설계를 실시했다.

2. 진공밸브 주변의 건조공기 절연
C-GIS의 외형을 SF₆ 절연 기종에서 확대하는 일없이 진공밸브를 건조공기 안에서 절연 유지하기 위해서는 세라믹 연면(沿面) 및 상 간, 대지 간의 절연 확보가 과제가 된다. 그래서 앞서 분명히 한 절연피복 시의 내전압 성능을 바탕으로 <그림 4>와 같이 진공밸브 양단의 접속부 및 가동부 이외를 에폭시 수지로 주형해 진공 밸브를 절연 유지했다.

3. 수분이 건조공기 절연에 미치는 영향
압력 탱크 내의 수분량은 가압된 건조공기 안 및 절연물 연면의 내전압 성능에 영향을 미치는 것으로 흔히 알려져 있다. <그림 5>는 대기 중에 방치된 절연물(에폭시판)에서의 표면저항치의 수분량 의존성을 나타낸 것이다. <그림 5>에서 표면저항치는 대기 중의 표면저항치로 규격화 되어 있다. <그림 5>로부터 압력 탱크 안에 잔존하는 수분량을 건조공기와 동등한 수분량(0.01g/㎥ 이하)까지 저감시켜 대기 안(10g/㎥)과 비교하면 1.3배 이상의 표면저항률로 상승함을 알 수 있다. 이 결과를 이용해 압력탱크 안의 수분량을 규정해 절연물 연면의 내압력성능을 향상시켰다.
여기서 논한 절연기술로 이미 제품 규격의 내전압시험을 통과한 바 있다.

4. 환경 영향 검토
건조공기 절연화에 따른 환경 영향을 CO₂배출량을 바탕으로 검토했다. 건조공기 절연 실현에 따른 봉입압력의 상승으로 압력 탱크 중량이 증가하고 1유닛당 약 1.5t의 CO₂증가가 예상된다. 또한 절연물 증가에 따라 약 0.2t의 CO₂증가가 된다. 이에 대해 SF₆ 가스 배출이 없어지는 것을 전제로 30년 사용한 경우 전체 약 7.2t의 CO₂제어가 예상된다.
이상에서 건조공기 절연 실현에 의해 1유닛당 약 5.5t의 CO₂배출량 삭감을 기대할 수 있으며, 환경부하 저감에도 공헌할 것으로 보인다.

진공 절연기술
저압력 건조공기 절연 C-GIS의 소형화를 위해 앞에서 제시한 건조공기 절연기술의 고도화에 의한 절연거리 단축에 이어 C-GIS의 폭 및 안길이 치수를 결정하는 인자의 하나인 진공밸브의 소형화가 필요하다. 여기서는 C-GIS에 이용되고 있는 진공밸브의 개발 내용에 대해 설명한다.

1. 진상 소전류 차단 성능 개발
진공밸브의 소형화에 수반되는 고전계화는 진공 안의 절연성능에 큰 영향을 미친다. 진공밸브가 엄수해야 할 절연조건의 하나로 전력 케이블 등의 충전전류 차단(진상 소전류 차단)이 있다. 여기서 전류 차단 시에는 전류 차단 후의 진공 아크 확산 및 개극 동작 후의 리바운스 등에 의해 개극 정지 상태와 다른 내전압 특성이 발견된다. 또한 진상 소전류차단 시에는 위에서 말한 과도한 현상 외에도 전류차단 후의 전극 간에 대지전압 파고치의 2.5배에 이르는 전압이 발생해 절연상 상당히 과도한 조건이 된다. 때문에 개극 동작 중 및 개극 동작 직후의 과도한 내전압 성능에 대한 검토가 중요하다.


그래서 <그림 6>과 같은 시험회로를 이용해 진상소전류 차단을 모의한 내전압 시험을 실시했다. <그림 6>을 살펴보면 공시 VCB에는 콘덴서 뱅크로 구성된 전류원과 DC 전압원이 접속되어 있다. 시험순서는 먼저 전류원부터 JEC-2300에 규정된 전류 125A를 1.5사이클 통전하고 공시 VCB로 차단한다. 그리고 나서 전류 차단에서 1~3㎳ 후에 DC 고전압을 900㎳ 인가했다. <그림 7>이 대표적인 시험파형이다. <그림 7>에서 DC 전압 인가 후 약 300㎳ 후에 전압강하가 발생, 전극 간의 재점호(再点弧)발생을 나타낸다. 이번 시험에서는 DC 전압의 발생시간이 JEC-2300에 규정된 회로전압의 시정수보다 늦었기 때문에 DC 전압이 피크에 이른 후의 재점호에 대해 재점호 전압과 DC 전압 인가에서 재점호 발생까지의 시간 관계를 조사했다. <그림 8>은 전류 차단 시에 전극상에 발생시키는 자계 강도를 높이기 위해 설치한 슬릿(Slit)이 내전압 성능에 미치는 영향을 나타낸 것이다. <그림 8>에서 가로축의 시간은 DC 전압이 피크에 이른 시간을 0으로 나타냈으며, <그림 8-⒜>는 접점상에 슬릿이 없는 경우, <그림 8-⒝>는 슬릿을 설치한 경우다. 한편 전압 인가 시간은 900㎳이었지만 진상 소전류 차단을 평가하는 시간 폭 300㎳ 이내의 데이터에 대해 나타냈다. <표 2>는 <그림 8>의 결과에서 얻은 최저 재점호 전압과 표준 편차를 나타낸 것이다. 한편 <그림 8> 및 <표 2>의 데이터는 슬릿을 설치한 경우의 최저 재점호 전압으로 규격화 한 값을 나타낸다. <그림 8> 및 <표 2>를 통해 슬릿을 설치하면 최저 재점호 전압은 낮아지는 대신 불균질이 커짐을 알 수 있다. 이것은 슬릿 끝 부분의 미소한 전계 집중부에서 발생하는 전자 방출이 접점 간의 내전압 성능에 영향을 미치기 때문인 것을 생각할 수 있다. 이러한 제품구조를 모의한 절연 평가시험을 통해 갭 길이를 파라미터로 실시, 기존 기종의 진공밸브보다 갭 길이를 11% 단축시킨 전극에서 필요한 절연회로 성능을 가진 슬릿 및 전극 형상을 찾아냈다.

2. 진공밸브 개발
앞의 검토를 바탕으로 설계한 진공밸브를 이용해 규정의 차단 성능에 대해 평가했다.
<그림 9>는 전류 차단 시의 아크 거동 관측 예를 나타낸 것이다. <그림 9>는 개극 후 3㎳ 경과한 진공 안에서의 아크를 나타냈으며, <그림 9>의 아래부분에 나타난 가동 측 전극이 아래 방향으로 구동함에 따라 아크가 확산되고 휘도가 낮아지는 현상이 확인되고 있다. 여기서 아크가 확산되는 영역과 전극상에 발생하는 자계 분포와의 상 관계를 정합
해 자계의 분포 균일화 및 강도 향상을 도모해 전극직경을 15% 축소했다. 또한 앞에서 설명한 고내압화 한 전극을 이용해 전류 차단에 필요한 개극속도를 조사, 33%의 속도 저하를 실현했다.
이 진공밸브를 적용한 VCB는 제3기관에서 JEC-2300에 규정된 일련의 차단시험을 받아 합격했다.

마무리
저압력 건조공기 절연 및 진공 절연기술의 고도화로 기존 기종인 SF₆ 가스절연 C-GIS와 동등한 외형을 가진 72㎸ 저압력 건조공기 절연 C-GIS를 실현했다. 앞으로는 이번에 구축한 건조공기 안 및 진공 안의 절연기술을 다른 정격 기종으로 전개해 보다 향상된 제품의 소형 경량화를 추진할 예정이다.

 

전계 강도(Field Strength) 어느 지점에서의 전자계 세기를 말한다. 전자파는 원래 전계와 자계가 함께 전해지는 것인데, 보통은 수진 지점의 전계 세기만으로 그 지점에서의 전자파 세기를 나타내고 있다. 전계 강도는 실효 길이(실효 높이)가 1m인 도체에 유기되는 기전력의 크기로 나타내고, 단위는 V/m 또는 ㎶/m 인데, 1㎶/m를 기준(0 데시벨)으로 해 데시벨(기호 ㏈)로 나타내는 경우가 많다. 전계 강도 측정기에 의해서 측정된다.

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