월간전기



도호쿠전력, 초소형·고성능 고압순저대책장치 COMPACT의 개발

2013-11-05

도호쿠전력, 초소형·고성능 고압순저대책장치 COMPACT의 개발 도호쿠전력은 '설치공간의 절약'을 실현하기 위한 콤팩트한 설계에 중점을 두어, '세계 최소 수준의 소형화', '세계 최고 수준의 에너지 절약성', '세계 최고속 수준의 고속전환'이라는 특징을 보유한 새로운 순저대책장치, '초소형·고성능고압순저대책장치 COMPACT'를 개발했다. 이에 본개발 장치의 특장점과 신기술 및 그 효과를 소개한다. 번역·정리 김대근 기자 배경과 목적 발전소에서 생산된 전기는 변전소 등을 거쳐 송전선을 통해 수요가로 전달된다. 이 송전선에 낙뢰 등이 발생하면 송전선이 쇼트(섬락: 공기절연이 파괴되어 물리적으로 떨어진 물체 사이를 전류가 흐르는 현상)되어 순간적으로 대전류가 흐르게 된다. 이러한 경우, 변전소의 보호장치가 순간적으로 작동하여 쇼트된 송전선을 차단해 쇼트를 해결한다. 이때 0.07~1초 정도의 극히 짧은 사이에 쇼트된 송전선과 주변에 송전선의 전압이 저하된다. 이 단시간 내의 전압저하를‘순시전압저하’또는‘순저瞬低’라고 한다. 이 순저가 발생한 경우 공장 등지에서는 제조 라인이 정지하는 등 적잖은 영향을 받게 될 우려가 생긴다. 전력회사에서는 이러한 영향을 줄이기 위한 설비대책으로서 가공지선과 피뢰기를 설치하는 등의 대응을 하고 있지만, 전력계통은 가혹한 자연환경에 노출되어 있으며, 또한 이러한 대책을 실시해도 막대한 에너지를 지닌 벼락의 피해와 순저를 완전히 예방하기는 어렵다. 이 때문에 순저의 영향이 예상되는 고객에 대해 순저의 설비적 대책 마련이 필요하다. 그리하여 도호쿠전력은 이러한 순저의 설비대책 마련으로‘설비 공간의 절약’을 실현하기 위한 ▲고효율, ▲콤팩트한 구조, ▲순저보상 전환시간의 고속화 등의 특장점을 지닌 초소형·고성능‘순시전압저하대책장치’를 개발하게 되었다. 개발장치의 특장점 순저대책장치란 순저대책장치는 순저가 발생했을 때 전력계통으로부터의 전력공급을 차단하고 축전부의 전력공급으로 빠르게 전환하여 순식간에 전압을 복구하고 순저의 영향을 최소화하는 장치이다. 회로 구성은 크게 ▲전력공급을 전환하는‘전환스위치’, ▲교류와 직류를 쌍방향으로 변환하는‘변환기’, ▲에너지원인‘축전부’로 구성이 된다. 장치의 설비개소는 순저에 의한 피해를 예방할 필요가 있는 중요 부하에 전력을 공급하는 회선에다가 주로 설치한다. 순저대책장치 COMPACT의 개요 개발한 순저대책장치 COMPACT의 사양은 정격 전압 3상 3선 6600V의 고압 유형이며, 정격 용량은 1㎹A, 2㎹A 3㎹A, 순저보상 시간은 10초 이하이다. 또 본장치의 큰 특징으로서 고속 전환스위치를 전력용 반도체와 기계식 스위치에 직렬 연결한 하이브리드 방식을 채용하고 있다. 본장치는 부하측에 정전이 발생하지 않도록 하기 위해 상황에 따라 아래 3가지 패턴의 전력 공급 방법이 있다. (1) 전력계통으로부터 전력공급이 가능한 경우 (순저보상 대기 시) 전력계통으로부터 전력공급이 가능한 경우는 순저를 보상하기 위해 대기하며 전력계통으로부터 차단기 52RS⇒고속 전환스위치⇒차단기52CS를 통해 부하에 전력을 공급한다. (2) 전력계통에 순저가 발생한 경우 전력계통에 순저가 발생한 경우는 순저를 보상하기 위해 고속 전환스위치를 개방하고 축전부에 저장한 전력을 축전부⇒쌍방향 변환기⇒변압기⇒차단기52CS를 통해 부하에 전력을 공급한다. (3) 본장치의 보상기능을 정지하는 경우 (장치 정지 시) 본장치의 보수점검 등에 의해 보상기능을 정지시키는 경우는 차단기52RS, 고속 전환스위치, 차단기 52CS를 개방하고, 전력계통에서 차단기52MB를 거쳐 직접 부하에 전력을 공급한다. 개발 장치의 특장점 및 독자성 개발한 순저대책장치는 '세계 최소 수준의 소형화'와 '세계 최고 수준의 에너지 절약성' 그리고 '세계 최고속 수준의 전환시간'을 실현했다. 또한 용이한 보수성 및 사용의 편리함 등 고객의 편의를 최대한으로 배려한 구조·기능을 보유하고 있으며, 축전지뿐만 아니라 전기이중층 커패시터 등 모든 축전장치에 대응이 가능하다는 특징을 가지고 있다. 순저대책장치 COMPACT의 신기술 본개발에서는 특히 '고속 전환스위치'와 '변환기'의 새로운 기술 개발에 주력했다. 고속 전환스위치 관련 전력반도체로 고속 차단하고 기계식 스위치로 내압을 지니는 하이브리드 방식을 개발했다. 이를 통해 전력 반도체의 설계내압을 낮출 수 있게 되었다. 그리고 고내압 전력 반도체의 적용에 따른 수량 감소를 통해 장치폭 기존 대비 30% 및 전력손실 기존 대비 50%를 달성했다. 변환기와 관련해서는 보상시간을 10초 이하로 특화시킨 단시간 정격 설계를 통해 장치폭 기존 대비 50%를 달성했다. 또한 축전부에 전기이중층 커패시터를 채용한 경우, 부동충전할 필요가 없는 간헐충전의 제어모드 설정을 통해 전력손실을 기존 대비 50% 달성했다. 개발장치의 효과 개발장치는 순저대책장치로서의 성능 향상뿐만 아니라, 공간을 절약하면서 비용은 기존 이하의 수준이기 때문에 지금까지 도입이 어려웠던 고객에의 도입 기회가 확대되었다. 세계 최소 수준의 소형화 개발한 순저대책장치 COMPACT는 전환스위치에 고성능의 반도체 소자를 채용함으로써 세계 최소 수준의 소형화를 실현하여 설치 공간을 대폭 절약할 수 있게 되었다.(용량 3㎹A의 경우, 가로 폭은기존 60% 정도의 사이즈) 이를 통해 설치 공간을 확보하지 못해 도입을 보류하고 있던 고객들에게도 도입이 가능하게 되었다. 세계 최고 수준의 에너지 절약성 전환스위치에 고성능 반도체 소자의 채용과 축전부의 충전 제어 방식의 개선을 통해 세계 최고 수준의 운전 효율 99.5%(용량 3㎹A, 고효율 운전 모드시)를 달성했다. 기존 장치와 비교해 운전 시 전력손실 저감뿐만 아니라, 순저대책장치에서 발생하는 열을 줄이기 위한 공조 설비의 축소와 더불어 대폭적인 비용 절감이 가능해졌다. 세계 최고속 수준의 고속 전환 전환스위치에 고성능의 반도체 소자를 채용함으로써 같은 규모의 장치에서 세계 최고속 수준의 전환 시간, 1/1000초를 실현했다. 이를 통해 순저 발생 시 고객 설비에의 영향을 최소한으로 줄일 수 있게 되었다. 개발한 장치의 성능 확인으로 장치에 3㎹A, 역률 0.9의 부하를 연결한 상태에서 입력전압에 순저를 발생시키는‘순저보상동작시험’을 <그림 5>에 나타냈다. 순저 발생을 통해 입력전압이 크게 변동하면서 감쇠해가는 반면, 출력 전압의 변동은 거의 없고 부하 전압의 변동이 매우 작기 때문에 매우 빠른 보상 동작이 실현되고 있음을 확인할 수 있다. 기타 특징과 효과 • 용이한 보수성 컬러 대형 화면 터치 패널의 채용과 완전 자동화등 유저 인터페이스의 향상을 꾀하여 조작성이 대폭 향상되었다. 또 인출모듈 구조의 채용을 통해 점검이나 부품교환 등의 보수가 용이하고, 운전 및 상태 변화 등을 기억함과 동시에 정전 및 고장 시의 파형 데이터 보존 기능을 탑재하고 있다. •축전 디바이스 프리 납축전지는 물론, 환경대책면에서 근래 도입 중인전기이중층 커패시터 등 모든 축전장치에 대응 가능한 멀티 타입의 순저대책장치이다. * 2006년 1월에 착수한 이 개발은 '고속 전환스위치’'와‘변환기’에 새로운 기술을 도입하는 등 각종 검토와 실제 기기에 의한 검증을 거듭한 성과이며, 2008년도에 상품화가 시작되었다. 이 개발 장치는 지금까지 반도체 관련 고객을 중심으로 일본 국내에 30시스템 141㎹A가 도입되어 많은 고객의 순저에 의한 피해를 경감시키는 데 크게 기여했다. 이번에 얻은 성과는 순저대책장치의 성능 향상뿐만 아니라, ‘공간의 절약화’를 통해 지금까지 도입이 어려웠던 고객에게도 도입이 가능하게 되어 향후 순저 대책의 확대 및 순저에 의한 피해 경감에 크게 한몫할 것으로 보인다. < Energy News >