가스절연 개폐장치(G.I.S : Gas Insulated Switchgear)

  

가스절연 개폐장치(G.I.S : Gas Insulated Switchgear)

 

1. 개론

 

산업의 발달로 인한 전력수요의 급증에 따라 전력 계통도 대용량, 초고압화 되어가고 있으며 이에 따른 전력설비의 안정화와 신뢰도는 매우 중요한 사항이다. 전력수요의 급증에 따른 초고압 변전설비는 용지확보의 곤란, 유지보수 비용의 과다, 안전성 확보 등의 이유로 변전설비의 추세가 주회로 계통은 밀폐, 은폐화 되고 제어계통은 전자화로 급속도로 변화하고 있으며 기존의 공기 또는 유류 절연형 변전설비에서 가스 절연형 변전설비로 변화되어 가고 있다.

 

2. G.I.S의 발전

 

가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear)의 개척은 1965~1966년에 서독, 프랑스, 영국, 스위스등 유럽국가에서 110~270KV정격의 시제품 또는 구상이 점차 개발되고 만국 송변전회의연구위원회에서도 채택됨으로써 세계에 커다란 반응을 일으켰다. G.I.S가 실제로 상업운전에 들어간 것은 1966년 서독의 엣센 지구가 최초이고 그 해에 본격적으로 프랑스 파리, 리용, 스위스 취리히에서 245KV 급과 더불어 170KV 급의 G.I.S를 운전하기 시작하였다.

 

개폐설비로서 기술적으로 분류하면 절연 매질 및 차단기 형식으로 구별된다. 절연용으로 초기에는 SF6 가스가 아닌 고압공기가 검토되었으나 SF6 가스가 가격이 저렴하고 취급 기술이 진보함에 따라 SF6 가스가 전면적으로 채용되게 되었다. SF6 가스는 2~3[kg/㎠]에서 절연유에 필적하는 절연 특성과 공기의100배 정도의 소호 성능을 가지고 있으며 또한 소호용과 절연용을 동일 종류의 가스를 사용하게 되므로 취급이 매우 간편하다. 이웃나라 일본에서는 1968년 부터 70~80KV 급의 G.I.S가 현지에서 시운전에 들어 갔으나 그후 특고압, 초고압 부문에서 급속히 발전하여 400KV 이상의 정격에서는 일본이 최초라고 한다.

 

철도청에서는 1986년 경원선에 의정부 변전소를 시작으로 1987년 구로 변전소 4호 주변압기 1차측에, 1994년 과천선 군포변전소와 선바위 과천청사SSP, 분당선 모란 변전소와 분당SSP, 1996년 경인선 주안 변전소와 부개SP, 역곡SSP에 G.I.S설비를 설치하였으며 1997년에는 영동선 영주～철암간의 6개 SSP(거촌, 법전, 임기, 분천, 승부, 동점)에 G.I.S를 설치하여 운용하고 있으며 현재는 경부 고속전철 사업에 따라 구로 변전소 전체와 안양SSP의 제반 설비를 G.I.S로 개량하고 있다.

 

 

 G.I.S의 열화요인

 

① 열적인 열화

 

  ㉠ 패킹(packing)또는 Spacer 재료의 열화

  ㉡ 절연물의 열 열화

  ㉢ 접촉자의 소모량에 의한 열화

 

② 전기적 열화 

③ 기계적 열화 

④ 환경적 열화

 

수분에 의한 전극재료의 성분변화

 

전극 재료	온도 (℃)	수분 100[ppm]			수분5,000[ppm]
		N2(%)	O2(%)	SO2(%)	N2(%)	O2(%)	SO2(%)
Ag	250	0.01	0.01	0.19	0.01	0.01	0.23
Ag-WC	250	0.03	0.01	0.25	0.03	0.01	0.27
Cu	250	0.05	0.01	0.09	0.03	0.01	0.18
Cu-W	250	0.06	0.01	0.11	0.01	0.01	0.22

 

금속재료 표면의 부식

 

금속재료 표면의 부식은 화학반응에 의한 부식(전기 화학적 기구)이 전형적인 부식이며 부식의 정도는 금속 종류와 주위환경에 따라 상당한 차이가 있다. 다음 표는 여러 가지 환경에 따른 금속표면의 부식의 속도를 표시한 것이다.

 

습윤 환경에서의 부식속도

 

	부식(μ/10년)
	공기			물			토양
	공장지역	도시	공원 지대	하천	바닷물	상수도	고부식성	부식성	저부식성
방수처리 하지 않은 철강 아연도금 철강 알루미늄 합금 동	1000   100	500   50 10 10	100   20 0.5 5	500   300	1000   200	100   150	1000   150 350 30	300   100 35 15	50   30 5 5

 

환경과 사용년수

 

환 경	사 용 년 수
해안 지대	3.9 년
공장 지역	6.0 년
공장 지대	6.9 년
산야 지대	7.8 년

 

수분 관리

 

가. 수분관리 실태

 

G.I.S에 다량의 수분이 혼입될 경우에는 절연 파괴전압이 저하된다. 또한 아-크 발생시 활성 분해가스는 절연기기에 부분방전을 일으키고 수명을 저하시킨다. 수분량은 일반적으로 발호 기기에서 발생하는 분해가스와 수분이 반응하여 활성 불화수소가 발생하며 극도로 수분농도가 높은 경우에는 완전히 가수 분해된다. 그래서 수분 및 그 외의 분해가스를 고려하여 흡착제를 주입하고 있다.

 

제 작 사	기 기 별	정격가스압력 ㎏/㎠(20℃)	수분 관리치 ppm(체적당)
A	G.C.B탱크	5.0 6.0	200 150
	기 타	3.0	300
B	G.C.B탱크	5.0 6.0	150
	기 타	3.0	150
C	G.C.B탱크	5.0	150
	기 타	5.0	300

 

가스중 수분량 관리치

 

현재 국내,외 제작사에서 관리하는 수분 관리치는 다음 표와 같으며 분해 가스를 발생하는 기기는 150[ppm], 분해가스를 발생하지 않는 기기는 300[ppm]이하로 관리하고 있다.

 

나. 수분의 발생요인

 

G.I.S의 가스 중에 혼입 되는 수분의 발생 요인은 다음과 같다.

① 새로운 가스 중에 포함된 수분 량은 최소치로서 통상 15[ppm]이하로 관리한다.

② 조립시 및 제작시에 혼입되는 수분 량은 기기 조립시 기기 내부의 잔류 수분과 주위환경에 의하여

    기기 내벽에 부착되는 수분으로 구분한다.

③ 유기 절연재료에서 석출되는 수분 량은 가스중의 유기 절연 재료 중에 함유된 수분 량은 일반적으

    로 0.1～0.5[%](wt)로 추정할 수 있으며 장기간에 걸쳐 유기 절연재료의 내부에서 가스 중으로 점차

    적으로 스며들고 있는 것으로 분석된다.

 

다. 수분과 절연특성

 

SF6 가스 자체의 절연강도는 가스중의 수분 함유량에 따라 결정되며 SF6 가스 중에 수분 혼입시와 분해가스가 존재하는 이상 절연특성에 막대한 영향을 미친다. SF6 가스 중에 고체 절연물이 존재할 때와 절연물 표면에 수분이 부착되어 있을 때 연면 절연특성이 영향을 받는다.

 

한국전기 안전공사의 실험자료에 따르면 노점온도 τ=0℃ 이상에서와 주위온도 0～10℃에서 섬락전압의 급속한 저하가 일어나고 주위온도 0℃이하에서 재 회복된다. 이는 노점온도가 τ=0～-5℃이하에서 연면파괴전압은 급격하게 상승하는 것을 알 수 있으며 노점 0℃, -5℃에서 제작사가 관리하는 분해가스 발생시의 수분량은 아래 표와 같다.

 

제작사별	정격가스압력 ㎏/㎠(20℃)	가스중 수분(ppm)
		노점-5℃일때	노점 0℃일때
A	2.7	1070	1630
	3.0	990	1500
B	3.0 4.0 5.0	990 790 660	1500 1200 1000
C	3.5	880	1300
D	4.0	790	1200
E	1.3 2.7 3.1	1700 1070 960	2600 1630 1460
F	1.0 2.0	1980 1320	3000 2000

 

G.I.S의 절연 설계

 

가. 절연 협조

 

① 기기의 절연 협조

기기의 절연 협조를 고려할 때 안전계수가 매우 중요하다. IEC Pub 71에 의하면 안전계수는 내부 절연과 외부절연, 현지 설치가 있다. G.I.S의 내부 절연은 외부 절연(예, 가공선 인입용 부싱의 연면)보다 높고 내부 절연은 flash- over를 일으키지 않도록 설계하여야 한다. 그렇지만 내부 절연을 너무 강화하면 비용이 과다하게 소요되기 때문에 경제성과 협조를 이루는 설계가 되어야 한다.

 

② 기기 내부에서의 절연 협조

절연물을 통한 부분 즉 연면 절연에 있어서는 가스 전체의 특성보다 복잡하고 약점이 되는 것이 있기 때문에 절연 협조상 아주 중요한 문제이다. 연면 섬락(flash-over)을 일으키면 절연을 회복할 수 없는 종 연면을 손상하는 것이 있어 절연내력의 저하를 초래한다. 이것으로부터 연면에 flash-over가 발생하지 않도록 하기 위해서 절연내력으로는 가스 갭 절연내력에 의한 연면 절연내력이 커 지도록 설계하여야 한다. 가스 갭에 있어서의 flash-over는 자기 절연을 회복하기 때문에 절연내력이 저하되는 일은 없다.

 

나. 내전압의 향상

 

① SF6 가스의 절연특성

SF6 가스의 절연 특성 최대 전계강도로 결정되기 때문에 최대 전계를 억제하는 것과 내전압을 향상시키는 것이 있다. 전계 이용율 U(U=평균전계/최대전계)를 향상하는 

 

② 전계이용율의 향상

G.I.S는 저 압력 SF6 가스를 절연 매체로 하고 있기 때문에 전계이용율이 낮은 영역만으로도 공기 절연보다 충분한 축소효과가 있다. 그러나 저 압력의 영역이라고 하더라도 역시 전계이용율이 높은 곳에서는 flash-over전압이 높아지고 있다. 그래서 G.I.S에서 flash-over전압을 축소하기 위해서는 전계이용율을 향상시킬 필요가 있다.

 

전계이용율을 향상시키기 위해서는 G.I.S의 수납 기기를 금속 쉴드(shield)로 덮는 방법이 일반적으로 사용된다. 이 방법은 쉴드로 전계를 내려서 약간은 축소화할 수 있지만 쉴드 자체의 전계가 커지기 때문에 G.I.S의 종합적인 축소화율 기여효과는 그다지 크지 않다. 다른 방법으로서는 복합 절연 방법으로서 금속 쉴드에 비해 기기를 작게 할 수 있고 또한 피복 절연물 자신도 작기 때문에 G.I.S의 축소화율은 매우 크다.

 

 G.I.S의 특성

 

가. 설치면적의 극소화

 

G.I.S는 SF6 가스를 이용하여 개폐기기 및 도체를 금속탱크에 내장하였으므로 공기 절연형 변전소 보다 약 25% 정도의 면적 만으로도 설치가 가능하다. 특히 대도시, 공업단지, 산악지방, 지하 발전소 등에 유리하다. 그리고 3상 일괄형 구조는 3상 분리형에 비하여 약 70%정도의 면적만으로도 설치가 가능하다.

 

나. 높은 안전성

 

SF6 가스는 무독, 무취, 불연성의 가스로서 절연성이 탁월하며 부싱 이외의 금속제 탱크는 대지와 완전히 접지되어 있기 때문에 작업자의 안전성 확보가 가능하고 운전원이 충전부에 접촉될 염려가 없다.

 

다. 고도의 신뢰성

 

도전부, 절연부, 접속부 등의 충전부가 전부 SF6 가스로 충진된 금속제 용기 중에 완전히 밀폐되어 있으므로 염해, 대기오염, 강풍, 폭우, 먼지, 증기 등 기후 또는 외부환경의 영향을 전혀 받지 않는다. 또한 곤충, 조수 등에 의한 단락사고, 지락사고의 발생 우려가 없고 탱크내의 가스 압력이 대기압 보다 높으므로 분진 등의 침해 우려가 없고 탱크는 절연 Spacer로 가스 구획이 구분되어 있으므로 누기 방지와 가스 누출사고 시에는 해당 가스 구획 내로 국한 시킬 수 있다.

 

  

 

라. 설치비용 절감 및 설치기간 단축

 

G.I.S는 완전 조립된 상태로 현지에 수송이 가능하므로 설치작업이 간단하고 공기가 종래의 철구형에 비해 1/2정도로 단축되므로 설치비용도 절감된다. 그리고 외관 및 구조가 간단하고 단로기, 접지 개폐기, 조작부의 상 일체화로 외관이 간결하며 완전 밀폐형으로 되어 있어 외관상 미려할 뿐만 아니라 소음과 공해가 없어 환경 친화적인 설비이며 주변 환경과 조화를 이룰 수 있다.

 

마. 보수점검 용이

 

전기적 화학적으로 안전한 SF6 가스를 사용한 완전 밀폐형이기 때문에 경년변화가 적고 신뢰성이 높다. 보수 점검은 거의 필요가 없으나 점검시의 작업성을 고려하여 합리적인 기기 배치로 가스실을 구분한다. 가스밀도 검출기(온도 보상부 압력저하 경보장치), 접지 개폐기 등 충분한 보호대책이 강구되어 있다.

 

 G.I.S 구성 기기별 구조

 

가스 차단기

 

가스 차단기의 특징은 훌륭한 차단성능과 간결한 설계로 된 소위 푸퍼(puffer)형의 SF6 가스 차단기이다. 이것은 아-크의 소멸효과와 높은 절연성을 얻기 위하여 아-크 소멸실에 SF6 가스를 20℃를 기준으로 5~6[kg/㎠]의 압력을 유지하는 차단부가 있다. 차단기는 개로 동작에 따라 버퍼 실린더 내의 SF6 가스가 압축되고 압축된 가스를 접점부에 생긴 아-크에 내 뿜어 전류를 차단하는 방식이다. 조작기계 장치부는 차단부를 제어하는 링크부분, 스프링 부분, 유압 완충장치부분으로 나누어져 있다.

 

 

단로기

 

단로기는 금속 용기 내에 절연 Spacer로 지지하는 고정도체와 절연 막대에 의하여 움직이는 이동 도체로 구성되어 있는 단일체이다. 이는 미세전류와 무부하시 선로의 충전전류 등을 차단하고 선로의 개폐 역할 만을 할 수 있으며 Motor 기계 동작에 의한 것과 Motor 스프링 기계동작에 의한 것, 수동 조작에 의한것으로 나누어 진다. 조작 공기압이 약 10~12[kg/㎠]이하가 되면 공기 조작기의전자변이 쇄정되어 동작하지 않으며 특히 정상 운전 시에는 선로가 충전된 상태이므로 조작 시 각별한 주의를 하여야 한다.

 

Bus형

 

Line형

 

 

 

G.I.S의 구조 및 특성

 

G.I.S의 구조는 아래 그림과 같이 차단기, 단로기 등의 개폐부와 접속부분 등으로 구성되어 있다. 내부는 SF6 가스로 충진되어 있는 구조로 각각의 기기는 Spacer로 구분되어 가스 누설시 사고가 전체로 확산되는 것을 방지할 수 있다. G.I.S의 구조는 용량에 따라 3상 일괄형 또는 3상 분리형으로 구성되어 있고 탱크내의 통전부는 고체 절연물(Spacer)을 사용하여 금속 탱크에 지지, 이격하여 절연을 유지하고 있다.

 

 

 

G.I.S의 구조

 

모선 구조에 따른 분류

 

G.I.S는 모선 구조에 따라 3상 일괄형과 3상 분리형으로 나눌 수 있다. 3상 일괄형은 주로 170 KV급 이하에서 사용하며 3상 분리형은 362 KV급 이상에서 사용한다.

 

G.I.S 모선 구조에 따른 분류(비교)

항목＼정격전압		170 KV급	362 KV급
정 격 전 류		1,200~4,000[A]	2,000~5,000[A]
절연레벨(BIL)		750[KV]	1,175[KV]
모 선 구 조		3상 일괄형	3상 분리형
차단기	차단전류	31.5[KA], 50[KA]	40[KA], 63[KA]
	차단시간	3 싸이클	3 싸이클
	조작방식	유압(공기압)	유압(공기압)
단로기	조작방식	전동, 전동스프링 수동	전동, 전동스프링 수동
	차단능력	없음	없음
접 지 개폐기	조작방식	전동, 전동스프링 수동	전동, 전동스프링 수동
	차단능력	없음	없음
계기용 변압기		가스절연 권선형	가스절연 권선형
계기용 변류기		가스절연 권선형 관통형	가스절연 권선형 관통형

 

철도청에서는 사용전압이 170KV급 이하이지만 설비의 신뢰도와 수도권 전철의 안전운행을 확보하고 안정적인 전력계통의 확보를 위하여 3상 분리형의 구조를 채택하고 있다.

 

 

 

3상 일괄형 G.I.S 구조(단면도)

 

 

 

3상 분리형 G.I.S 구조(단면도)

 

 

 G.I.S 실체도

 

조작 방식에 따른 분류

 

G.I.S는 조작방식에 따라 공기조작과 유압조작 및 전동방식이 있다. 공기 조작방식은 수시로 조작기의 보수 점검이 필요하며 유압조작 방식은 큰 조작력을 얻을 수가 있고 가스 절연 기기를 축소할 수 있는 장점이 있다. 전동방 식(전동 스프링 방식)은 단로기, 접지 개폐기 등의 조작방식에 주로 이용된다. 철도청에서 사용하는 G.I.S설비는 의정부, 모란, 주안변전소는 공기 조작방식을, 군포변전소와 영동선 변전설비는 유압 조작방식을 채용하였으며 접지 개폐기는 모두 수동조작 방식을 채용하고 있다.

 

사고 및 장애 발생의 특징

 

No

구분

사고부위

원인

요 인

진 전 도

발견동기

A

B

C

①

②

③

직후

중간

최종

1

GCB

CB

가동 접촉자

고정 접촉자

설계불량

재질불량

분해 생성물

접촉불량

접촉 저항 증대

과열용손

단락

진단

2

GCB

CB

〃

절연물

자연현상

뇌

이상 전압

절연 파괴

지락

진단

3

GCB

CB

〃

기타

자연현상

뇌

이상 전압

절연 파괴

지락

진단

4

GCB

CB

연결 기구부

롯드

조립불량

조정불량

파손

투입 불량

투입불량

진단

5

GCB

CB

중간 접촉부

지지 절연물

조립불량

청소불량

이불 혼입

이상전압

절연 저하

절연파괴

지락

진단

6

G.I.S

ES

연결 기구부

기타

설계불량

구조불량

조정 불량

개방 불량

지락

진단

7

G.I.S

모선

직선 도체부

지지 절연물

자연현상

뇌

이상 전압

절연 파괴

지락

진단

8

G.I.S

모선

도체 지지부

지지 절연물

시공불량

조정불량

이물혼입

절연 저하

절연파괴

단락

진단

9

G.I.S

공통부

기중 노출부

스페 이서

자연현상

뇌

이상 전압

훼손

부분 방전

절연파괴

지락

진단

10

공통부

케이블해드

접촉자

설계불량

제작불량

조립 불량

접촉불량

접촉 저항 증대

과열용손

결상개방

진단