이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.변전기술 변천과 전망전기 에너지는 순시의 전송이 가능하며 또한 고도의 제어성을 갖고 있다. 이러한 특징이 있기 때문에 전기 에너지는 다른 에너지와 비교해서 향후 더욱 널리 이용될 것으로 본다.전기 에너지의 발생에서 수요지까지 전송하는 시스템 중 변전소는 가장 중요한 구성요소이며, 그 신뢰성이 전력계통에 끼치는 영향은 말할 필요가 없을 정도로 아주 크다. 따라서 변전소를 구성하는 기기, 설비는 전력계통에 있어서 중요한 구성요소로서 전기에너지의 안정공급상 매우 중요한 역할을 담당하게 된다. 특히 기간계통에 대해서는 높은 신뢰성을 갖고 오랜 운전기간에 걸쳐 이것을 유지하는 일이 필요하다.일본에서는 대전력 소비지역인 도시나 공업지대에 거대한 전기 에너지를 보내는 일이 사회적 니즈이다. 하지만 이들 지역은 비교적 좁고 또, 인구 밀집지역이기 때문에 엄격한 환경조건을 요구하는 경우가 많다.경제 고도성장시대에는 높은 신뢰성을 토대로 거대한 전기에너지를 대전력의 소비지역에 안정적으로 공급한다는 사회 필요성을 만족시키기 위한 적극적인 기술개발 결과, 일본의 변전기술은 세계 최고 수준의 지위를 차지하고 있다고 말할 수 있다.고도성장 시대에서 저 성장으로의 이행을 맞이하고 있는 오늘날 전력수요는 급격한 증대에서 안정성장의 시대로 옮겨가고 있다. 이와 같은 시기는 전기설비의 갱신 빈도가 저하되기 때문에 현재 가동하고 있는 전기설비의 장기간에 걸친 원활한 운용과 신뢰성 확보가 특히 중요한 문제가 된다.이와 같은 사회적 요청에서 변전설비 등의 자산을 효과적으로 활용하고 변전소의 보수 합리화, 안전성의 확보와 사고의 미연 방지를 실현하기 위해 전기 설비를 분해하는 것이 아니라 이상의 징후를 진단하고 이를 감시하기 위한 진단기술이 종래에도 증가해서 중요한 과제가 되고 있다. 또 냉혹한 경제정세를 반영해 비용절감이나 기설설비의 가동율 향상과 기계의 연명화에 대한 요구도 강하다. 게다가 최근에는 기계의 재활용에 관한 요구 때문에 그 부분에 관한 시점을 토대로 한 연구도 급선무가 됐다.이같이 변전설비, 기계에 관한 기술개발은 각각의 시점에 대한 사회적 요구를 배려해 추진해 왔다는 사실을 통감한다. 이들 기술개발을 뒤돌아보고 그 변천을 서술하면서 동시에 앞으로의 변전기술 분야의 과제와 장래의 전망에 관해 생각해 본다.변전기술의 변천1. 수요증대의 사회적 요구와 변전기술경제의 고도성장 시기에는 전력수요의 급격한 증대에 대응하기 위해 송전의 대용량화가 요구됐다. 이에 대처하기 위해 송전전압이나 송전전류를 증가시키기 위한 연구개발의 추진이 활발하게 일어났다.변압기, 가스절연 개폐장치, 차단기 등의 주요 변전기기에 대해서는 고전압과 대용량화에 관한 연구, 개발이 추진됐다. 275㎸, 500㎸를 거쳐 1000㎸로 송전전압 상승에 대응하기 위한 새로운 기술개발이 왕성해져 세계에 앞장서 많은 신기술이 개발, 실현됐다.이러한 변전기기의 진보와 함께 전력 시스템의 절연설계를 합리화하기 위한 연구가 진행됐으며 이것이 변전기술의 진보에 획기적인 임팩트를 주고 있다. 절연설계의 합리화를 위한 기초가 되는 연구, 개발로서 다음의 성과를 들 수 있다.(a) 고성능 피뢰기의 적용(b) 해석기술의 진보(c) 절연파괴에 관한 최근의 새로운 식견종래의 갭부분 피뢰기를 대신해 산화아연소자를 이용한 고성능 갭플레스 피뢰기는 그 탁월한 성능에서 변전소뿐만 아니라 송전선 등에 널리 적용되고 있다. 또 EMTP(Electro-Magnetic Transients Program) 등의 컴퓨터 해석기술의 최근 진보로 인해 송전선, 변전소 등의 복잡한 전력회로의 뇌서지, 개폐서지, 단로기서지 등에 따른 과도현상에 대한 해석이 가능해졌다. 상기의 성과에 더해 길이 갭의 V-t 특성 등, 기중 갭의 절연파괴에 관한 최신 데이터에 따라 합리적이고 신뢰할 수 있는 시험전압을 결정하는 일이 가능해 지고 있다. 이 결과 종래 여유를 갖고 설계되었던 절연설계를 합리적으로 실시하면서 시험전압을 저감하는 일이 가능해 진다.2. 변전기기 및 변전소의 변천변전소에 있어서 중요한 기기인 변압기는 현재에도 비용 면에서 그 주체는 유입변압기이다. 옥내나 지하에 설치하는 변압기의 화재방지를 고려해 가스 절연변압기 등 불연화된 변압기가 개발되고 있다. 가스 절연 변압기는 일본에서는 세계에 앞장서 개발, 연구되고 있으며 이미 실용화하기도 했다. 국제전기표준회의(IEC)에서는 국제표준규격을 제정하기 위한 작업이 개시되고 있으며 일본은 그 주도적 역할을 다하고 있다.차단기는 유입차단기, 공기차단기를 거쳐 SF6가스차단기가 주류를 이루고 있다. 500㎸까지의 전압계급에 대해 1점절 차단기가 이미 실현되고 있으며 차단용량의 증대에 관한 연구개발이 진행되고 있다.가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear, GIS)는 차단기, 단로기, 모선, 피뢰기 등의 개폐장치의 요소에서 이루어지는 복합기기를 밀폐용기에 넣고 여기에 SF6 가스를 봉입한 것이다. 이 장치는 일본의 엄격한 사회 환경에 적응하고 용지의 취득이 용이해 지는 등, 뛰어난 특징이 있기 때문에 최근 적용이 확대되면서 급속하게 실현되고 있다. 1968년, 1969년에 66㎸, 77㎸ GIS가 각각 운전을 개시한 이래 적용확대를 위한 기술개발이 급속하게 진행되어 500㎸를 넘어 1000㎸급의 기기도 이미 개발되고 있다.이와 같이 GIS는 일본 사회적 요구에 적합한 점이 많기 때문에 많은 기술개발이 진행되고 GIS에 관한 기술은 세계 우위를 점하고 있으며 주도적인 논문이 수없이 발표되고 있다.최근 변전기술을 둘러싼 사회 환경경제의 고도성장에서 안정성장 시대를 맞이하고, 전력자유화 아래 국제 경쟁력이 요구되고 있는 최근의 사회 환경에 있어서 이에 대처한 변전기술이 어떠한 식으로 전개되고 있는지에 관해 논해본다.앞서 서술했듯이 일본에서는 도시부나 공업지대 등 비교적 좁은 지역에 대전력을 수송하는 사회적 요구가 있기 때문에 도회 중심부에서는 대용량의 지하변전소의 설치가 필요하며 이를 위해 변전소의 소형화가 중요한 과제가 된다. 이에 대처하기 위해서는 변전기기의 절연설계의 합리화가 더욱 더 필요하며 이를 위해 고전계의 모토가 될 수 있는 절연특성에 관한 연구가 필요하다. 가스 절연을 이용한 변전기기는 이러한 요구를 만족하고 있기 때문에 일본에서는 앞으로도 광범한 적용이 확대, 실현될 것으로 보인다.냉혹한 경제정세 아래 국제경쟁력 향상을 도모하기 위해서는 비용절감과 경제성 추구가 중요한 과제가 된다. 변전기기는 소형화와 비용절감 측면에서 더구나 운전에는 충분한 신뢰성을 유지할 필요가 있다. 따라서 기계나 시스템 개발에 앞서 이러한 점을 고려한 연구, 개발이 요구된다.새로운 순환형 사회의 형성이 당장의 급선무가 되고 있는 오늘날, 이른바 3R 추진이 진행되고 있으며, 변전기술에 있어서도 발생량의 억제(Reduce), 재사용(Reuse) 및 재자원화(Recycle)를 고려한 기술개발의 적극적인 추진이 현재의 급선무가 되고 있고, 이 점에 착안한 개발연구가 필요하다.경제의 고도성장 시대에서 저성장으로의 이행을 맞이하고 있는 오늘날, 전력수요의 급속한 증대 시대에서 안정성장의 시대로 옮겨가고 있다. 이와 같은 시기는 고도성장 시대에서 보였던 전력수요의 급격한 증대는 보이지 않고 또 가동 중인 전기설비의 장기간에 걸친 원활한 운용과 신뢰성 확보가 중요한 과제가 된다.이와 같은 사회적 요청으로 전기설비 보수의 합리화를 꾀하고 있다. 또한 그 안전성 확보와 사고에 대한 미연의 방지를 위해 전기설비를 분해하지 않고 이상 징후를 진단하고 이를 감시하기 위한 기술이 종래에도 증가해 중요한 과제가 되고 있다.또한 변전설비의 합리적인 보수운용을 실현하기 위해 설비의 자산관리의 고도화를 적극적으로 추진할 것을 요구하고 있다. 따라서 단순히 기기본체의 기술개발에 머무르지 않고 높은 신뢰성을 갖고 기기를 보수, 운전해야 한다. 이를 위해 고도의 정보처리기술과 센서에 관련된 기술을 적극적으로 적용하는 일이 중요하다.전력자유화가 진전되는 가운데 고밀도 대용량의 송전을 실현하는 미래의 전력계통에 가세해 분산형전원의 도입이 세계적으로 진행되고 있다. 이를 위해서는 마이크로 가스 터빈, 연료전지나 태양광, 풍력 등의 자연에너지에 관한 기술개발을 진행하면서 동시에 분산형 전원을 기존에 설치된 대용량 전력계통으로 연계할 때 제 문제에 관한 연구, 개발이 요구된다.변전기술의 최근 동향상기 기술한 최근의 사회 환경에 적응할 것을 고려해 진행하고 있는 최근 변전기술에 관한 연구개발의 몇 가지 동향에 관해 알아본다.또한 가스절연 개폐장치는 일본의 사회요구에 적합한 기술로서 극히 광범하게 적용되며 일본에서 변전기술의 주류를 이루고 있다. 이를 위해 가스 절연 개폐장치에 관한 최근의 동향에 관해서는 이를 정리해 다시 논하기로 한다.1. 변전기기, 설비의 개발, 실용화사회 필요성에 적응해 종래에 없는 새로운 타입의 기기, 설비의 개발 실용화를 진행하는 일은 어느 시대에서든 필요한 과제이다. 이와 같은 관점에서 현재 또는 향후 기대되는 항목으로 각 변전기기의 고성능화와 함께 가스절연 변압기의 개발실용화, 변전소 계측, 제어 시스템의 고도화, 초전도기술을 이용한 변전기기의 개발 등을 생각할 수 있다.2. 절연설계의 합리화변전기기 및 변전소의 경우 절연설계의 합리화는 설비의 축소화 및 비용 절감의 관점에서 매우 중요하다. 절연설계의 합리화에 관한 연구개발 결과, 전력계통의 절연신뢰성을 해치지 않고 시험 전압 값을 합리적으로 절감할 수 있기 때문에 이 결과가 변전소 축소화와 비용절감에 부여하는 효과는 크다.이러한 개발연구는 본래 주로 초고압 전력계통을 대상으로 진행되었던 것이지만 그 성과는 그것 이하의 낮은 전압계급의 전력계통에 효과적으로 적용할 수 있기 때문에 송전선, 변전소 전반에 미치는 파급효과는 크다.3. 전력기기의 재활용최근 재활용에 관한 사회 필요성이 높아지면서 많은 공업제품에 관한 재활용율이 논의되고 있다. 여기서는 변전소를 구성하는 전력기기에 관한 재활용율의 예를 들어본다.변압기를 예로 들어 유입 변압기 및 몰드 변압기의 재활용율로서, (재활용 가능한 소재의 양·평균질량)을 생각한다. 몰드 변압기는 권선을 수지로 몰드한 타입이며 주로 옥내배전용 변전기로서 널리 보급하고 있다. 재활용율로서는 유입변압기 92%, 몰드변압기 82%의 재활용율을 달성할 수 있게 만들었다.가스절연전력기기에 관한 재활용율의 조사 데이터는 충분치 않지만 붓싱부의 외관 및 절연 공간의 수지부를 제외하면 그 외의 부품은 재활용 가능하며 유입변압기와 거의 변함없는 높은 재활용율이 될 것으로 본다.4. 전력설비의 진단기술본래 전기기기의 보전은 고장난 기기를 보수하는 일, 즉 사후보전이 주체가 됐다. 최근 기기의 대형화에 수반되는 보수의 경제적 문제를 해결하기 위해 기기의 고장을 미연에 방지할 것을 목적으로 한 예방보전이 중요시되어 왔다.예방보전으로는 정기적으로 운전을 정지하고 기기의 점검을 실시하는 시간 계획 보전과 운전 중의 설비 상황을 계측감시하고, 이를 토대로 보전을 실행하는 상태감시 보전이 있다. 초기의 예방보전은 시간계획 보전이 주체였지만 최근에는 상태감시 보전의 중요성이 주목받게 되면서 이에 관한 개발연구가 각국에서 활발하게 진행되고 있다.전력설비의 대부분은 옥외에 있으며 경시적 부식열화가 지배적인 경우에는 시간계획보전이 양호한 경우도 있으며 또한 경미한 고장 등은 사후보전이 합리적일 수도 있다. 따라서 보전 방식을 결정하는 데는 기계 열화의 특징을 고려해 결정하는 것이 합리적이라고 볼 수 있다.5. 변전설비의 효과적인 활용과 라이프사이클 비용전력시스템에 있어서 규제완화는 세계적인 경향이며 전력 수요가는 냉혹한 경영환경 하에서 운영하는 일이 전보다 더 요구되고 있다. 이를 위해서는 변전소 자산의 효과적인 활용이 중요하며 이를 실현하기 위해서는 보수의 합리화, 기설 설비의 가동률 향상과 기기의 연명화를 꾀하는 일이 필요하다.변전소 설비의 투자 억제를 실현하기 위해서는 설비의 라이프 사이클을 통한 비용 평가를 실시해 그 최적화를 도모해야 한다. 가령 진단을 실시한 경우, 진단에 요하는 비용을 평가하고 진단에 따라 어느 정도의 비용절감을 잡을 수 있는지 명확하게 해둘 필요가 있다. 이와 같은 관점에서 라이프사이클 비용을 평가 파라미터로 한 보수관리는 향후 더욱 중요해질 것이다.6. 전력기술에 대한 정보통신기술의 적용변전소의 감시제어와 운전·보수지원을 높은 신뢰성을 갖기 위해서는 대량의 정보를 검출하고 검출한 정보를 처리하는 일이 필요하다. 우선 감시제어를 위한 종류별 물리량을 검출하는 센서의 성능향상과 얻어진 대량의 정보를 처리하기 위해 고도의 정보통신기술(IT)이 요구된다.이들 시스템의 경우에는 정보처리의 고성능화를 꾀할 필요가 있는 것은 물론이거니와 시스템의 확대와 더불어 시스템의 표준화와 운전 중의 세큘리티 등에 관한 개발연구도 필요해 진다.7. 분산형전원의 전력계통에 대한 연계최근 마이크로가스 터빈, 연료전지, 태양광발전, 풍력발전 등의 분산형전원의 개발과 이들 전력계통으로의 연계에 관한 기술개발이 세계적으로 실시되고 있다.이들 분산형전원이 본격적으로 이용되고 계통에 연계된 경우 전압조정, 고조파, 계통의 안정도 등에 관하여 연구하고 문제점에 관한 해명을 진행할 필요가 있다.가스절연기기에 관한 최근의 동향여기서는 변전기기의 주요 구성요소인 가스 절연기기에 관한 최근의 동향에 관하여 정리해서 논해본다.1. 가스절연 전력기기 특징앞에서도 기술했듯이 SF6가스는 뛰어난 절연성능 및 소호성능이 1950년경부터 착안되기 시작해 현재는 가스차단기(GCB), 가스절연개폐장치(GIS), 가스절연송전선(GIL), 가스절연변압기(GIT) 등 다양한 고전압 전력기기의 절연매체 및 소호매체(아크차단매체)로서 널리 적용되고 있다. 가스절연 전력기기의 특징으로 (a)불연성을 위해 방재에 뛰어나며, (b)메인터넌스성에 뛰어나고, (c)소형·경량화를 도모할 수 있다는 점을 들 수 있는데 특히 부지가 좁은 부심부의 지하변전소를 중심으로 널리 보급하고 있다.2. SF6가스 환경영향과 배출량 삭감최근 지구온난화에 관한 논의가 활발하게 진행되고 있으며 1997년 지구온난화방지도쿄회의(COP3)에서 채택된 교토의정서가 본 해 발효된 것과 함께 지구온난화에 대한 대책을 강력하게 추진하는 일이 당장의 급선무이다. SF6가스는 지구온난화 계수가 높은 가스로 지적되고 있으며 이를 위해 전력분야에서는 대기중으로 배출되는 양을 삭감하기 위한 검토, 방책이 추진되고 있다.1996년에는 전기협동연구회에 대해 도쿄대학다쿠마 교수(당시)를 위원장으로 하는 ‘전력용 SF6가스취급기준전문위원회’가 설치되어 조사연구 됐다. 위원회에서는 일본의 경우 SF6가스의 보유량, 배출량 등의 현상, SF6가스의 회수와 재활용 등의 검토로 보고서가 정리됐다. 그 결과를 바탕으로 한 자주행동계획이 이미 실시되고 있다. 2001년 미국에서 개최된 Gaseous Dielectrics 국제회의에서는 배출량삭감에 관한 각국의 상황이 논의 되고 일본의 대책에 관한 발표가 진행되고 있다.(1) 일본의 SF6가스의 연간 사용량과 배출량1995년의 경우 세계의 SF6가스 생산량은 8천5백 톤 정도로 추정되고 그 중 30% 정도가 일본에서 생산되고 있다. 가스업체에서 생산된 SF6가스는 주로 전기절연용으로 가스 절연기기 업체에서 사용되고 있지만 그 밖에 반도체업체에서도 사용되고 있다.전기절연용 SF6가스는 설비 증가와 함께 보유량이 증가한다. 전력회사인 경우 가스 절연기기보유대수는 사회적 필요성과 함께 증가하고 있으며 이러한 경향은 앞으로도 계속될 전망이다. 이와 더불어 SF6가스의 보유량은 서서히 증가하고 있다.SF6가스의 대기배출은 가스업체의 제조과정, 가스절연기기업체의 제조, 설치, 조정 과정, 또 전력회사의 기기내부개방점검, 기기의 철거, 운전 중 기기로부터 발생하는 자연누설에 따른 배출 등으로 분류된다.(2) SF6가스 배출량 삭감의 대책SF6가스의 공기 중으로 배출량을 삭감하기 위해서는 가스 중에 포함되는 불순물이 절연성능, 차단성능, 통전성능에 미치는 영향을 분명히 할 필요가 있다. 이 때문에 상기의 전문위원회에서는 만족할 수 있는 성능을 확보하기 위해 SF6가스를 재활용할 때 관리 값을 분명히 하기 위한 조사연구가 열렸다. 그 결과에 기초해 SF6가스의 재활용을 위한 회수, 재이용에 관한 자주행동계획이 1998년에 발표되어 이미 실시하고 있다.SF6가스의 배출량은 매해 증가하고 있으며 자주행동계획을 실행하지 않는 경우에는 가스절연기기업체 및 전력회사로부터의 전 배출량은 1990년부터 1995년 기간에 특히 증가비율이 높았다. 2002년에는 500톤 이상의 배출량을 생각했지만 계획 실시에 따라 같은 해 배출량은 65톤 정도까지 절감할 수 있었다.3. SF6가스 배출량 삭감을 목적으로 한 기술개발가스절연 개폐장치에 대해서는 SF6가스 배출량을 삭감하기 위한 기술개발도 활발하게 진행되고 있다. 개폐장치의 축소화를 실현시킴으로써 SF6가스의 사용량을 줄이면 배출량의 삭감이 가능해 진다. 개폐장치의 축소화를 위해서는 구성기기의 축소화, 기기의 복합화 등을 생각할 수 있는데 이를 실현하기 위해서는 장치내부의 전계나 절연특성 등의 고도의 해석기술, 각 종 재료에 관한 개발, 차단기의 고성능화 등의 연구개발을 필요로 한다.SF6가스를 대신하는 새로운 가스나, SF6가스와의 혼합가스의 기기에 대한 적용 가능성에 관한 연구개발도 활발하게 진행되고 있다. N2가스와의 혼합, CO2가스의 적용 등에 관해 연구되고 있으며 CO2가스를 사용한 차단기의 시작연구도 발표되고 있다. 혼합가스를 사용한 경우에는 재활용 할 때 혼합한 개개의 가스를 분리해 회수하는 기술을 확립하는 일도 극히 중요한 연구주제가 되고 있다.변전소나 변전설비에 관해서는 국내학회에서 논의가 되고 있지만 국제적으로는 국제대전력시스템회의(CIGRE) 등에서 활발한 토의가 열리고 있다. 앞서 서술한 기술과제의 대부분은 최근의 CIGRE 대회에서 우선 의제로 받아들이고 있다.또 CIGRE에서는 당해 9월에 A3(차단기) 및 B3(변전소) 부회가 합동으로 콜로키움(colloquium), 튜토리얼(totorial) 회의를 일본에서 개최하게 되어 그 곳에서 최신 변전기술의 전반에 관한 문제가 논의된다.이번 논의를 통해 이 분야에 대한 최신정보가 교환되고 더욱더 앞선 기술진보와 앞으로의 방향이 명확해질 것을 이 분야에 관계하는 한사람으로서 바라는 바이다.