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24kV 저가스압 드라이에어 절연 스위치기어 ‘HS-X’개발 요지국내외 송배전 및 수배전에서 사용되고 있는 가스절연 스위치기어(GIS)는 1970년부터 채용되어 3상분리형 → 3상 일괄형 → 큐빅클형(C-GIS)로 바뀌면서 소형·경량화, 신뢰성 향상, 라이프사이클비용(LCC) 저감, 환경부하 저감이 추구되어 왔다. 현재 중압급 이상의 큐빅클형 가스절연 스위치기어(C-GIS)는 우수한 절연성능·소호성능과 안전성을 지닌 SF6가스가 주류이지만, 1997년 지구온난화방지 교토회의 이후, SF6가스의 배출량 소비 감소와 동시에 탈 SF6가스 스위치기어가 요구되어 왔다.24kV 저가스압 드라이에어 절연 스위치기어 ‘HS-X’(이하 HS-X형 스위치기어라고 함)은 지구온난화방지를 목적으로 미츠비시전기가 1999년에 실용화한 드라이에어(상대온도 1000ppm이하)와 절연장해에 따른 복합절연을 적용한 것으로 업계를 선도해 탈 SF6가스화를 실현한 제품이다. 그리고 한층 환경부하저감과 LCC저감을 목적으로 진공차단기(VCB)에는 개극/폐극의 양방향 조작을 전자력에 맞춰 하고, 개극/폐극 상태보수를 영구자석의 자력에 따라 하는 MIDY(MItsubishi Double Yoke magnetic actuator)식 전자조작기구를 채용했다. 주접점을 자동화 해 빗장기구 등의 소모부품을 없애고 중간 연결기구 없이 바로 부품수 반감을 실현해 신뢰성을 대폭 향상시킴과 동시에 조작기구부를 메인터넌스프리화를 실현했다. 따라서 과도전자계와 연동 연성해석수법을 신규로 개발·적용하고 전원용량과 구조의 최적화를 하는 것으로 종래의 전동스프링 조작방식 VCB에 비해 동작에 필요한 전기에너지를 80% 저감해 조작전원용 배터리 용량을 크게 줄이는 데 성공했다.
 개발배경국내외 송배전 및 수배전에 이용되고 있는 가스절연 스위치기어는 1970년부터 채용된 3상 분리형 → 3상 일괄형 → 큐빅클형으로 변화해 왔고, 소형·경량화, 신뢰성향상, 라이프사이클 비용절검, 환경부하 저감이 추구되고 있다.현재 중압급 이상의 큐빅클형 가스절연 스위치기어는 우수한 절연성능과 안전성을 갖는 SF6가스가 주류이다. SF6가스는 무독·무취로 절연성능·소호성능이 우수해서 1965년 즈음부터 6.6∼1,000kV의 스위치기어, 차단기, 변압기 절연모체 급 소호모체로 폭 넓게 이용되어 왔다. 그러나 1997년 지구온난화방지 교토회의 이후, SF6가스 배출량 감소와 함께 SF6가스를 이용하지 않는 탈 SF6가스 스위치기어가 요구되고 있다.이러한 배경으로 미츠비시전기는 1999년에 드라이에어절연과 베리어(Barrier)절연을 복합한 HS-X형 스위치기어를 업계에 앞서 개발·적용하고 2004년에 한층 보수성·신뢰성을 향상을 목적으로 전자조작식 VCB탑재 형식을 개발했다.이 스위치기어는 SF6가스를 전혀 사용하지 않고 종래의 C-GIS(SF6가스 절연)보다 소형·경량화를 실현해 LCC의 저감이나 안전성·신뢰성 향상을 도모한 환경부하저감형 스위치기어이다. 본 고에서는 이 스위치기어의 개요와 신기술에 관해 서술한다.HS-X형 스위치기어의 개요HS-X형 스위치기어의 개발 개요를 <표1>에 서술했다. 환경부하저감을 위해 탈 SF6가스화 외에도 LCC저감, 안전성·신뢰성 향상을 도모했다.정격 및 사양을 <표2>에, 대표적인 구조를 <그림2> 및 <그림3>에 나타냈다. 밀폐용기 내에 주회로를 수납해 대기압 근방의 저가스압 드라이에어(건조공기)와 다기능 원통홀더(에폭시) 복합절연에 따라 완전 탈SF6가스화를 실현했다. 또한 VCB는 각 상마다 전자조작기구를 탑재해 주접점 스스로 움직이는 것으로 래치래버 리스화와 부품 수 반감을 실현해 신뢰성을 크게 향상함과 동시에 조작기구부 메인터넌스프리를 실현했다.
 HS-X형 스위치기어를 실현한 신기술1. 드라이에어 절연기술 개발드라이에어 내전압은 SF6가스의 약 1/3로 낮다. 필요 내전압을 얻기 위해 충전압력을 0.3MPa.abs. 이상으로 한 고압가스 구조를 취한 방식도 있지만, 가스탱크 기기강도 확보를 위해 판 두께를 증대하는 것만으로는 탱크구조의 제한을 받는다. 때문에 이번 기종에서는 정격가스압력을 0.3MPa.abs.이하로 한 저압가스 구조로 해 도체곡율 반경과 도체간 거리의 최적화 및 절연 베리어(Barrier)배치의 최적화로 내전압 성능을 향상시켰다. 또 다기능 원통홀더의 개발로 절연 베리어를 극소화해 부품 수 삭감과 조립성 향상을 추구했다.(1) 전계 이용률을 이용한 최적 전계 설계도체곡율과 도체간 거리 최적화와 설계기준 작성을 위해서 전계이용율(갭 평균전계/동 최대 전계)와 파괴전계의 기본적 관계를 명확하게 했다. 이것은 C-GIS에서는 가스탱크 내부에 각각의 불평등 전계 갭이 형성돼, 파괴전계는 전계분포에 의존하기 때문이다. <그림4>에 기본 갭(첨단형상과 다른 봉 및 평판-평판)에서의 드라이에어 중에서 전계이용율과 파괴전계의 관계를 나타냈다. 스위치기어 내부에 형성된 각종 갭의 전계이용률은 0.5이하의 경우가 많고 같은 그림에서 전계이용률과 최저 파괴전계를 구하는 것에 따라 각 갭의 전계이용율에 대한 전계설계를 가능하게 해 도체곡율과 도체간 거리를 최적화 했다.(2) 절연 베리어 높이의 최적화도체간 및 도체-대지간에 투입하는 절연 베리어의 최적화에 관해서는 <그림5>(a)와 같이 실제 기기의 모의갭을 제작해 베리어 높이를 바꿔 파괴전압을 측정했다. 같은 그림(b)가 그 결과이고 베리어 높이가 시험전극 높이를 상회하면 파괴전압이 상승하고, 베리어의 실효높이가 약 30㎜에 달하면 파괴전압 상승이 포화한다. 이 결과에 따라 절연 베리어를 극소화할 수 있다.(1)항 및 (2)항의 결과에 기초해 제작한 실제 기기 모델을 활용해 도체간 거리 d와 파괴전압의 관계를 측정한 결과를 <그림6>에 표시했다. 이 시험에 대해 위의 방법을 기본으로 설계한 최적화 구조로 정해진 내전압 성능을 얻을 수 있는 것이 확인됐다.이상과 같이 기본 갭, 모의 갭, 실제기기 모델에 대한 실험결과에서 가스공간 갭의 도체곡율 및 도체간 거리와 파괴전압의 관계 절연 베리어의 높이 및 도체간 거리와 파괴전압의 관계를 명확화 한 하는 등 드라이에어 절연설계 기준을 확립할 수 있었다.
 2. 전자조작방식 VCB(1) VCB의 구조HS-X형 스위치기어용 VCB의 개략구조를 <그림7>에 표시했다. 이 VCB에서는 종래의 스프링 조작식을 대신에 미츠비시전기의 독자적인 MIDY식 전자조작기구를 개발해 적용하고 있다. 부품 수 감소에서의 신뢰성 향상, 소모부품(러치래버 등)리스화, 그리스(grease)리스에 의한 메인터넌스 절감화를 목적으로 진공밸브, 절연로드, 접압스프링 및 전자조작 기구를 직선상으로 배치한 자동형 각 상 개별 구동하는 것으로 3상 링크 기구를 폐지했다. 전자조작기구의 구조를 <그림8>에 그렸다.제1적층 요크, 제2요크, 영구자석, 적층가동자 및 개폐극용 코일로 되는 구조이고 미츠비시전기의 기존품(스프링조작식)에 대해서 부품 수는 55%로 감소됐다. 영구자석을 채용하는 것으로 외부전원을 공급하지 않고 개폐보수가 가능하다. 또, 개폐동작은 개폐용 각각의 콘덴서에 축적된 에너지를 제어회로를 이용해 개극코일 또는 투입코일에 통전하는 것으로 한다. 제2요크의 채용은 미츠비시전기만의 독자적인 구조로 영구자석자로(개폐보수)와 코일 여자자로(개폐동작)을 분할해서, 영구자석의 역여자를 발생하지 않고 개폐동작을 고효율화 할 수 있다. 또한 가동자를 적층구조로 해 구동 시의 와전류를 극소화해 전력절감 구동을 가능하게 한다.(2) 연성해석기술VCB의 고효율에서 안정한 개폐극동작을 실현하기 위해서 그 구동해석으로 과도전자계와 연동의 연성해석방법을 개발했다. 이 방법은 전자조작기구의 가동자 주변에 발생하는 자속, 전자력의 코일 전류 및 가동자 간의 위치 의존성을 3차원 정전자계해석에 의해 구하는 다음 식(1), 식(2)를 연성해석하고 있다. 와전류에 따라 자속 및 전자력이 늦으면 시정수τ를 이용해 표현하고 자속(Ø) 및 전자력(F)으로 얻는다. 시정수τ는 전자조작기구단체의 구동시험결과를 기본으로 구해진다. 또 진공밸브의 접압스프링 힘 및 차단기 가동부의 질량 변화의 불연속성은 운동량보존법칙을 적용해서 고려한다. <그림9>에 차단기 개극에 의한 해석결과(쫜 표시)과 실제 기기에 따른 실측결과(실선)로 표시했다. 같은 그림에서 상측은 개극 스트로크, 하측은 코일전류 시간 변화를 나타낸다. 시정수τ와 운동량보존법칙의 적용에 따라 스트로크, 코일전류와 함께 해석결과가 측정결과로 잘 일치하고 있다.이에 따라 이 해석이 고정밀도에서 전자조작기구의 개폐특성을 재현할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 해석을 적용해서 최적설계를 실시한 결과 구동에너지를 종래의 스프링조작기구에서 80%감소할 수 있었다.또 이 방법을 이용해 제조상의 부품오차, 조립오차에 의한 개폐극시간의 불규칙성을 검토했다<표3>. 표에 나타낸대로 개폐극시간의 불규칙성은 극히 적고 시험조작기에서 개극시간 불규칙성은 0.5ms이하였다.저가스압 드라이에서 절연 스위치기어 HS-X는 환경부하저감을 실현하는 스위치기어로 1999년 시장 출시이후 약 800대를 납입해 운전 중이다. 또 이번 개발한 전자조가기구 탑재형도 시장에서 호평을 얻고 있다. 앞으로 드라이에서 절연기술 및 전자조작식 VCB는 보다 정격으로 전개를 추구해 시리즈화 해 나갈 예정이다.
< Energy News >
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