월간전기



[동계 전기사고 예방 점검 포인트 ③] 전기설비의 사고 원인과 대책, 콘덴서 불량·퓨즈 용단·컨트롤 센터 사례

2013-01-03

수전용 PAS가 버튼 조작 시 SOG의 표시는 변했지만 개폐기는 동작하지 않는 이상 현상이 발생했다. 그 원인은 PAS가 교체되기 전 콘덴서의 불량사고가 발생해 파급사고에 이른것이다. 또조기에저압전동기가멈춰 플랜트 전체가 운전을 정지한 경우가 있었으며 어떤플랜트는 건설공사 완료직후 유닛장착에 신중을 기하지않아 컨트롤 센터에 사고가 난 적이 있었다. 콘덴서 불량 파급 사고, 전력용 퓨즈 용단에 따른 전원 결상 사고, 컨트롤센터의 사례를 통해 전기설비의 사고 및 원인을 살펴보고, 아울러 과거 발생한 똑같은 사고가 재발하는 악순환을 겪지않도록 그 방지대책을 제시한다. 여러 형태의 전기설비 사고가 해마다 발생하지만 그 가운데 눈에 띄는 것은 같은 사고가 반복적으로 발생한다는 것이다. 사고의 배경에는 제각각 나름대로 발생 이유가 다르겠지만, 반복적으로 자주 발생하는 사고에는 비교적 유사한 원인이 도사리고 있는 경우가 많다. 그리고 사용자들은 같은 종류의 사고를 반복해서 겪고 싶지는 않을 것이다. 더더군다나 같은 원인으로 일어나는 사고는. 콘덴서 불량 파급 사고 <그림 1>은 전원 계통에 2010년 정기 점검 시 발생한 사고를 나타낸 것이다. 이때 수전용 PAS가 버튼 조작 시 SOG의 표시는 변했지만 개폐기는 동작하지 않는 이상 현상이 발생했다. 이 이상 현상의 경우 밀어내는 끈으로 횟수 개방 및 투입 조작한 후에는 정상적으로 동작했다. 사업자에게 이상 내용을 설명하고 PAS가 설치 후 약 20년 경과했음을 알리며 교체할 것을 권고했다. PAS가 교체되기 전 콘덴서의 불량 사고가 발생해 파급 사고에 이르게 된 경우였다. 사고 상황 및 추정 원인 ① 사고를 발생시킨 콘덴서에 본체의 팽창 및 소자 일부 소실, 탄화 등이 발견됐다. 이런 상황과 설치 후 약 20년 경과했다는 이유에서 이번 사고는 콘덴서의 노화가 원인이었던 것으로 추정했다. ② 콘덴서 개폐용 LBS는 PF의 퓨즈 링크가 과열·파열되어 절연부가 소실, 탄화됨으로써 지락 및 단락에 이르렀다고 추정했다. ③ 수전용 LBS의 PF에도 이상 전류가 흘렀지만 PF는 용단되지 않았다. ④ PAS의 SOG 표시는 변했지만 PAS 개폐기는 동작하지 않았다. ⑤ PAS 내부 기구의 윤활 성능 불량에 따른 개폐 불량이 이뤄져 파급 사고에 이르게 됐다고 추정했다. 사고 후 대책 ① PAS를 VT, LA 내장품으로 교체했다. ② LBS용 퓨즈는 한류 퓨즈로 교체했다. ③ 그 외 노화된 부품을 교환했다. 재발 방지 대책 ① 노후 기기의 계획적 교체 \| 제조업체 또는 각 관련기기에 공표돼 있는 교체 권고 시기를 참고해 계획적으로 교체하도록 한다. <표 1>에 일본 전기공업회의 교체 권고 시기를 나타냈다. 교체 권고 시기는 일본 전기공업회 외에도 각종 기관에서 제안하고 있으므로 교체 시기는 기관마다 조금씩 다르다. 따라서 교체 시기에 대해서는 각자 스스로 매일 기록해 정리해 둘 필요가 있다. ② 교체 예산의 획득 \| 노후 기기의 교체는 많은 비용을 들여야 하는 경우가 많으므로, 사전에 사업자 또는 사내 관련 부서의 동의를 구할 필요가 있다. 그러나 동의를 얻는 것은 쉽지 않으므로 기기 노후화의 현상과 교체하지 않을 경우의 리스크 등을 산정해 관계자의 마음을 돌릴 수 있도록 하는 것이 중요하다. ③ 보수 유지 방법의 재검토 \| 지금까지 전력용 콘덴서 점검 시에는 본체의 온도 및 팽창 정도를 점검해 왔다. 그러나 노화 상태를 조기 검출하는 데는 각 상의 전류 불평등 계측이 효과적이지 않다고 판단해 정기적으로 전류를 계측하게 됐다. 고압 콘덴서는 △결선 또는 Y 결선으로 결합돼 있고 또 다른 상은 복수의 소자로 구성돼 있다. 콘덴서 고장 시에는 모든 소자가 동시에 노화되는 일은 거의 없고, 일반적으로 약한 소자가 고장이 난 후 그 주변의 소자까지 차례차례로 노화한다. 이때 각 상의 전류 변화는 <표 2>와같다. 여기서 각 상의 전류 변화를 정기적으로 계측하면 보다 빠른 시기에 즉, 콘덴서가 파열 혹은 변형하기 전에 이상 현상을 검출할 수 있을 것으로 판단된다. 전력 퓨즈 용단에 따른 전원 결상 사고 조기에 저압 전동기가 멈춰 플랜트 전체가 운전을 정지했다. 이때 고압 수전반의 전압이 'RS : 2680V, ST : 2400V, TR : 3080, 각 상의 전류가50A, 0A, 50A'로 불평등한 상황이었다. 사고 발생한 해당 전기실은 <그림 2>와 같이 로컬 변전소보다 약 100m 떨어진 위치에 있었으며, 그 후 조사에서 로컬 변전소 송출반의 전력 퓨즈(3.45㎸, 100A, 250㎹A)의 S상이 용단돼 있음이 밝혀졌다. 사고 상황 및 추정 원인 ① 기기의 외관 점검, 케이블·기기의 절연 저항 측정(모두 2000㏁ 이상) 등으로는 불량 개소가 판명되지않았다. ② 전력 퓨즈의 내부는 앨리멘트의 중간점 부근이 과열 용단됐다. <그림 3>에 전력 퓨즈 용단 원인 이미지를 나타냈다. 용단 현상으로 판단하면, 부하 측 어떤 것이 원인이 되어 과대 전류로 용단된 경우인 것으로 추정된다. ③ 로컬 변전소 송출반 전력 퓨즈는 설치 후 약 8년밖에 경과하지 않아 노후 노화가 원인이라고는 판단하기 어렵다. ④ 용단된 로컬 변전소 송출반 전력 퓨즈 용량은 250㎸A로, 해당 전기실의 변압기 용량(300+30)㎸A에 대해 부족함을 확인할 수 있었다. 사고 후 대책 로컬 변전소 송출반 내 전력 퓨즈 3개를 한류 퓨즈로 교체했다. 재발 방지 대책 ① 기설(로컬 변전소) 용량이 작은 예비 피더를 사용하도록 한 특수 사정이 있는 경우에는 설비 건설 시의계획 내용을 건설 기록으로 남기도록 한다. ② 부하 용량이 증가되도록 한 경우에는 수전점의 차단기 용량뿐 아니라 전원 계통 전체에 대한 청사진이 필요했다 - 본 사례의 경우 당초에는 해당 전기실의 부하가 작아 문제가 없을 것으로 판단됐다. 그러나 그 후 부하가 증가한 경우에 용량의 재검토가 불충분했던 것으로 판단된다 전력 퓨즈 운용상 주의사항 전력 퓨즈의 특징 ① 전력퓨즈는 퓨즈앨리멘트에 일정이상의 전류가 일정시간 이상 흘렀을 때 퓨즈 앨리멘트가 줄 열로 용단해 전기회로를 보호하는 장치로, 고압수 변전설비의 보호에는 주로 한류퓨즈가 사용된다. ② 진공 차단기 등은 차단 시간이 3서클 및 5서클인 데 반해, 한류 퓨즈는 반 서클 이내에서 차단되기에 사고 전류가 케이블 및 전기기기에 흐르는 시간이 상당히 짧아져(진공 차단기의 1/6~1/10) 기기의 손상을 최소한으로 억제할 수 있다. <그림 4>에 한류퓨즈의 차단 동작을 나타냈다. 단락 사고 발생 후 반서클 사이 큰 단락 전류되기 전에 차단이 완료됨을 알 수 있다. ③ 전력 계통의 백파워의 중요성에 대한 인식은 나날이 더해져 수전 차단기에 요구되는 차단 용량도 커지는 추세다. 그러나 소규모 설비의 경우 차단 용량이 큰 차단기를 설치하는 것은 경제적으로 맞지 않으므로 저렴한 가격으로 차단 용량이 큰 전력 퓨즈를 사용하는 경향이 있다. 일반적으로 부하 전류는 개폐기로, 사고 전류는 전력 퓨즈로 차단하는 LBS 타입을 주로 사용한다. 전원 측 차단기와의 보호 협조 전력 퓨즈는 뛰어난 기능이 있지만, 전원 측 차단기와의 보호 협조 측면에서는 주의가 요구된다. <그림 5>와 같이, 계통의 '×'표시 지점에서 단락 사고가 발생했다. 이 계통은 전원 측에 200/5A의 CT가 있어 OCR은 탭 10A, 레버 1에서 정전된 순간, 시리즈 트립으로 2차 변전실이 모두 정전됐다. OCR의 탭은 10A이기 때문에 OCR은 400A 이상으로 동작하는 데 반해, 전력 퓨즈는 200A이므로 전력 퓨즈 쪽이 먼저 차단된다고 생각할 수 있지만 사실은 그렇지 않다. <그림 6>은 전력 퓨즈의 용단 특성 곡선을 나타낸 것이다. 전력 퓨즈는 완전 단락의 경우 즉단이 가능하지만 과전류 영역, 예를 들어 2000A 정도에서는 0.2~0.3초 정도의 시간이 걸림을 알 수 있다. <그림 7>은 OCR의 동작 특성 곡선을 나타낸 것이다. CT 1차 측에 2000A가 흐른 경우 CT 2차에서는 50A가 흐르기에 탭 10A의 5배에 달하는 전류가 흘러, 레버 1의 경우 OCR은 0.2~0.3초 정도로 동작하게 된다. <그림 8>은 퓨즈와 OCR의 동작을 공통의 '전류 - 시간'좌표에 표시한 것이다. <그림 8>에서 2000A이상의 과부하 전류의 경우에는 전력 퓨즈보다 OCR 쪽이 빠르게 동작함을 알 수 있다. 이로써 이번 사례의 경우 2000A 이상의 과전류 영역에서의 이상 현상으로, 전력 퓨즈보다 OCR이 먼저 동작함을 추정할 수 있다. 재발 방지 대책 ① 동작한 OCR과 그 상위 OCR과의 보호 협조를 지속하면서 동작한 OCR의 정정 값을 재검토했다. ② 퓨즈에 의한 과부하 보호에는 한계가 있기 때문에 3E 레버 등에 의한 과부하 보호도 검토한다. 그 외 퓨즈 취급상 주의 ① 전동기 부하처럼 시동 정지를 반복하려는 경우 장기간 사용하면 퓨즈 앨리멘트가 바싹 말라 시동 시 대전류 등으로 용단하는 것이 있다. 그 때문에 부하의 시동 빈도 및 시동 전류 값 등을 토대로 퓨즈의 교체계획을 세우고 계획적인 교체를 실행해야 한다. ② 퓨즈가 용단한 경우 내부를 조사해 노화인지 과부하인지 단락인지 등을 끝까지 지켜본 후 그 다음에 대처할 필요가 있다. ③ 용량 부하에 적용되는 퓨즈는 제조업체에 따라 달라지므로 사전에 이용 가능한 퓨즈를 정하고 예비품을 준비해 둘 필요가 있다. ④ 만일 용단된 경우에는 3상 되지 않도록 하고, 예를 들어 1개에서 용단한 경우에도 3개 모두 교체하도록 한다. ⑤ 단로기 형태의 전력 퓨즈 조작은 단로기처럼 '전류가 살아 있는 상태'가 절대로 되지 않도록 부하 전류가 흐르는 상황에서 조작하지 않도록 주의한다. ⑥ 고압 한류 퓨즈의 용단 특성 및 온도 상승 한도를 아래 표에 나타냈다. 과부하 영역에서는 용단까지 장시간 걸린다는 사실에 주의할 필요가 있다. 컨트롤 센터의 사고 사례 어떤 플랜트의 건설 공사가 끝나고 영업 운전이 시작된 직후의 사고였다. 납입된 기기의 제조업체 검사원이 해당 컨트롤 센터(이하 CC) 유닛 내부의 결선 상황을 확인하기 위해 문을 자신의 몸 앞으로 50~60㎜ 여는 순간, 해당 유닛 하부에서 발광 및 이상 음이 생기고 계기 전반의 지락 경보가 울리며 MCCB가 트립했다. * 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다. 사고에 따른 손상 상황 ① 유닛 내 MCCB, 전자 개폐기, 보조 릴레이 등의 납입 부품에는 이상 현상 및 소손도 없었다. ② 유닛 외면의 '자물쇠 손잡이'가 정규 상태가 아닌 중도 반단된 위치에 있었다. ③ 유닛 외면의 전원 공급용 수직 모선의 하단부가 10㎜정도 용손돼 주변에 아크 흔적이 있었다. ④ 동력 케이블 및 모터에도 이상 현상은 없었다. 사고의 추정 원인 ① 공사 완료 시점에 유닛이 완전히 장착되지 않았다. 그 결과, 유닛과 수직 모선을 접합하는 전원 클립의 수직 모선에의 납입이 충분하지 않았다. <그림 9>에 유닛과 수직 모선의 위치 관계를 나타냈다. ② MCCB용 환형 핸들이 'OPEN COVER'의 위치에 있지 않았기에 문의 인터록 기구로 말미암아 문이 50~60㎜ 열린 위치에서 잠겼다. ③ 문이 잠긴 상태에서 문을 무리하게 열어 유닛 본체가문과 함께 전면 측으로 이동하고, 전원 클립이 수직모선에서 떨어져 나갔으며, 이때 부하 전류 차단에 따른 아크가 발생했다. ④ 아크는 직근의 철판(유닛 격변판)으로 튀어 지락으로 이행했으며, 더욱이 아크 단락이 발생해 해당 CC용 계기 전반의 MCCB가 트립했다. 사고 후 대책 사고는 CC 유닛이 정상 위치에 장착돼 있지 않았기 때문에 발생했다는 가능성이 높아 그 외 모든 CC에 대해서는 유닛의 장착 상태를 점검했다. 재발 방지 대책 ① 사고 시의 체크리스트에 유닛 장착 상태 체크 항목을 추가했다. ② 영업 운전 중 설비에서 이상 현상이 발생한 경우에는 그 즉시 조작을 멈추고 원인 및 영향을 신중하게 조사 후 처리하도록 한다. ③ 영업 운전 중 설비를 관계자 외 다른 사람이 무단으로 조작하는 것을 엄중하게 금한다. 한국전기안전공사에서 실시한 '고압 이상 변압기 보호용 전력 퓨즈'검토 한류 퓨즈(Current-limiting fuses, 고압 전류 제한 퓨즈)는 소호원리상 큰 고장 전류의 한류 차단은 용이해도 용단 시간이 긴 최소 차단 전류 영역에서는 차단하기 어려워 최소 용단 전류 가까이에서는 용단해도 차단되지 않고(용단은 해도 아크가 끊어지지 않음) 어느 정도 전류치가 크게 돼야만 차단할 수 있는 영역이 있다. 이런 특성으로 현재 사용하는 대부분의 한류 퓨즈는 단락 보호에는 최적이나 과부하 영역에 대한 보호는 충분치 않다. 따라서 과부하 영역에 대한 보호는 다른 기기와 보호협조를 취하는 경우에 가능하다. 최근 콤팩트하게 제작되고 있는 큐비클 내부 등에 변압기 1차측 보호 장치로 한류 퓨즈가 사용되고 있다. 변압기 1차측에 보호 장치로 한류 퓨즈를 사용할 경우 과부하 영역에 대한 보호가 충분치 않으므로 과부하 영역은 다른 기기로 보호할 수 있어야 하는데 설계, 감리 및 시공 시 이에 대한 검토가 제대로 이뤄지지 않는 실정이다. 비한류형 퓨즈 또는 COS 퓨즈 ANSI-C37(1988) 규정에 의거 정격 100A 이하의 퓨즈 유닛은 연속 정격 전류의 200∼240% 범위 실효치 전류에서 300초 이내에 용단되고, 100A를 초과하는 퓨즈 유닛은 연속 정격 전류의 220∼264% 범위 실효치 전류에서 600초 이내에 용단된다. 퓨즈를 용단시킬 수 있는 전류로부터 퓨즈의 정격 차단 전류까지의 단락전류를 차단할 수 있는 차단 특성이 있다. 따라서 변압기 허용 과부하 내량을 고려해 적정한 정격 전류의 퓨즈를 선정하면 변압기 과부하 보호 장치로 적용 가능하다. 한류 퓨즈 대부분의 한류 퓨즈는 Back-up용으로 일정치 이하 소전류 범위에서는 용단돼도 차단할 수 없어 제조자의 보증치로써 최소 차단 전류를 명시하도록 규정돼 있다. 퓨즈는 열동적으로 작용하므로 대전류 영역에서는 아주 빨리 동작해 산포도 작으며 우수한 한류 작용(차단 I2t 및 한류 파고치가 아주 작다)을 발휘한다. 허나 소전류 영역에선 장시간 동작해 통과 전류의 변화에 대해 용단 시간의 변화가 크며 그 산포도 크게 돼 신뢰성이 낮다. 따라서 회로의 과부하 영역 보호를 위해서는 변압기 1차측에 최소 차단 전류 이하의 층간 단락이나 아크 지락 등의 고장 전류에 대처하도록 최소 차단 전류 이하의 전류 영역 보호를 분담하는 과전류 차단 장치를 직렬로 조합해 협조를 취한다. 또 저압측의 고장에 대해서는 MCCB 등으로 차단해 협조를 취하는 경우 과부하 영역 보호로는 최적이다. 그러나 ▲과부하 영역 보호에 대한 실효성 ▲과부하에 따른 변압기 소손사고 발생 빈도 ▲한류 퓨즈와 과전류 차단 장치를 직렬로 조합하는 경우의 경제성 ▲변압기 내부 고장의 경우 대부분 단락 사고로 진행되는 점 ▲변압기 1차측에 보호 장치로 사용되는 전력 퓨즈는 일반적으로 과부하 영역에 대한 보호보다 단락 보호에 주로 적용되는 점 등을 고려해 과부하 영역에 대한 보호는 변압기 2차측에 설치된 MCCB 등으로 해결하는 것이 바람직하다. 변압기 과부하 보호 장치 적용 방법 변압기 1차측에 보호 장치로 비한류형 퓨즈 또는 COS 퓨즈를 사용한 경우 과부하 영역 보호를 위해 변압기 1차 정격 전류에 가까운 최소 정격 전류의 퓨즈를 선정한 경우에는 변압기 과부하 보호 장치로 적용 가능하다. 변압기 1차 정격 전류에 비해 과대 정격 전류의 비한류형 퓨즈 또는 COS 퓨즈를 사용하거나 한류 퓨즈를 사용한 경우 과부하 영역의 보호가 충분치 않다. 따라서 변압기 2차측 MCCB 등의 정격이 변압기 2차 정격 전류에 가까운 정격 전류의 주차단기를 시설해 전력 퓨즈와 보호협조를 취하는 경우에는 과부하 영역에 대한 보호가 가능한 것으로 적용한다. ※ 자료 : 한국전기안전공사 < Energy News >