가스절연모선 (GIB : Gas Insulated Bus)

가스절연모선 (GIB : Gas Insulated Bus)

가스절연모선은 가스절연개폐장치의 일종으로서 가스 (SF 6 gas)로 절연된 밀폐 금속용기에 모선도체를 설치한 것을 말한다. GIS변전소에서는 모선방식과 GIS의 구성방 법에 따라 주모선, 분기모선 및 인출모선 등으로 구분하고 있다.
주모선은 본래의 모선기능을 하는 주가되는 모선(2중모선 방식에서는 #1,#2 Bus)을 말하며 3상분리형 또는 3상일 괄형으로 제작된다.
분기모선은 CB, DS등 주기기가 배치되어 있는 모선으 로서 1.5CB방식에서는 #1모선과 #2 모선을 연결하는 역할을 하며, 1CB방식에서는 주모선과 선로간을 연결하는 역할을 한다. 분기모선은 차단기의 형태(3상일괄형 또는 3상 분리형)에 따라 결정되어 지는데, 3상분리형 분기모선은 배치방법에 따라 분산형(선로 인출 붓싱간격과 동일한 인출모선 간격으로 배치)과 밀집형(각상의 분기모선 간격을 최대한 밀집시켜 배치)이 있다.
인출모선은 Full GIS형의 1.5CB방식에서 T/L 또는 M.Tr과 분기모선을 연결하여 주는 GIB를 말하는데, 엄밀한 의미에서는 모선은 아니지만 GIB형태이므로 편의상 인출모선으로 부른다.

1. 3상 일괄모선
3상일괄모선이란 모선의 3상 각도체가 단일 외함내에 설치된 형태를 말하며 설치공간이 축소되고 상간 유도전 류가 상쇄됨에 따라 外皮誘導電流가 작고 설치가 간편한 장점이 있다. 반면에 1상의 사고 시에도 3상고장으로 확대될 가능성이 많고 복구비용도 많이 소요되는 결점이 있다.

2. 3상 분리모선
3상분리모선이란 모선의 3상 각도체를 각각 별개의 외 함 내에 설치한 형태를 말하며 유사시 고장의 여파가 1상에 국한되며 상간단락고장이 발생하지 않으므로 안전성이 높으며 상별로 점검 및 해체보수가 가능하여 복구비용이 절감된다. 그러나 설치공간이 3상일괄형에 비해 많이 소요되고 설치작업이 복잡하며 외피유도전류가 커서 상간단 락바를 설치하는 등의 대책이 필요하다. 일반적으로 3상 일괄형이 경제적이나 대전류용의 경우 동일조건에서 3상 분리형이 더 유리한 경우도 있다.

3. 밀집형 배치모선
가스절연모선의 배치방법중 하나인 밀집형 배치는 각상의 분기모선의 간격을 최대한 밀집시킨 형태의 배치를 말한다. Full GIS형에서 주로 적용하는 밀집형 배치에서는 각상간을 연결하는 배선, 배관의 길이가 축소되고 각 Bay간의 공간활용에 유리하다.

4. 분산형 배치모선
가스절연모선의 배치방법중 하나인 분산형 배치는 각상의 분기모선의 간격을 선로 인출 붓싱간격과 동일한 인출모선 간격으로 배치한 형태를 말한다. Hybrid형 GIS에 서는 분기모선에서 바로 인출붓싱이 설치되므로 분산형 배치로 하여야 한다.

GIS 부분방전 (PD : Partial Discharge)

부분방전(Partial Discharge)이란 전극과 전극사이가 아닌 곳에서 발생하는 국부적인 방전현상으로 GIS내부 절연성능을 악화시키고 내부고장에 이르게 하는 현상으로 종류는 아래와 같다.

1. 부유전극 방전(Floating electrode)
1) 접지 또는 도체와 전기적 접속이 불완전한 상태에서의 금속체간의 방전으로 주위의 전압은 접속부가 부분방 전이 발생할 때 까지 증가한다.
2) 1주기 당 두 번 발생하며, 양극성 반주기 부위에서 증가하고 매우 큰 방전량을 가진다.

- 금속부에서 발생 - 금속부위의 침식 및 손상 - SF 6 Gas 오염에 의한 절연내력 저하 - 1, 3분면에 집중

PD의 크기가 일정 - 방전량 : 수천 pC이상

2. 절연체결함 방전(Void, Crack, Tree, Track)
절연체의 공극이나 표면오염에 의해 발생하는 방전으로 높고 낮은 진폭이 동시에 나타나므로 판단에 혼란을 겪을 수 있으며 전압이 최고치에서 가장 큰 진폭을 가진다.

- 절연물 이상, 표면오염 등에서 발생 (Void, Crack, Tree 등) - 전력케이블, EBG 발생파형 동일 - 막대형, 토끼형 등 다양한 형태 - 1, 3분면에 주로 발생 - PD의 크기가 다양 - 방전량 : 수 pC ∼ 수천 pC

3. 자유도체 방전(Particle)
내부 이물질이 강한 전계의 영향으로 움직이면서 접지된 GIS Enclosure로부터 전하를 얻어 다른 위치로 이동 하며 되돌아오는 순간 방전을 일으킨다.

- 자유운동하는 금속이물질 - 금속 이물질이 GIS 중앙 도체에 접근 - 분포위치 : Random - 위상에 관계없이 발생(산계형) - 방전량 : 수 pC ∼ 수백 pC

4. 돌출전극 방전(Protrusion Electrode-Corona)
접지 또는 도체의 뽀족한 부분에서 일어나는 방전으로 돌출부 끝에 스트레스가 가해지고 전압의 최고치에서 발생한다.

금속돌출부에서 발생 - 90° 270° 위상에서 발생 - 분포위치 : 산형 - Surge 유입시 사고 원인 - 방전량 : 수 pC

5. 잡음(Noise)
부분방전 신호와 같이 센서에 검출되는 UHF신호로 측정에 방해가 되는 요소이다.
다음은 노이즈 종류별 주파수 분포이다.

GIS 부분방전 진단방법

GIS 내부 열화로 PD(Partial Discharge)가 발생되면 여러 가지 종류의 부가 생성물이 발생되며, 부가 생성물의 특성별로 진단 가능한 장비를 사용하여 내부 부분방전 유무를 진단할 수 있다. 부분방전 진단방법으로는 각각의 부가 생성물의 특성에 따라 전기적 검출법, 초음파 검출법, 화학적 검출법, 전자파 검출법 등이 있다. 현재는 전자파 검출법을 활용하여 GIS 부분방전 진단에 널리 사용되고 있다.

1. 전기적 검출법
GIS 내부도체를 지지하는 스페이서에 도전성 Ring(센 서)을 삽입하여 측정하는 절연 스페이서법과 탱크와 접지 간에 생기는 미소 전위차를 검출하는 외피전극법이 있다.

2. 초음파 검출법(AE)
기계적인 부분방전 검출법으로 GIS 내부에서 부분방전에 의한 기계적인 미소 진동을 탱크외벽에 부착한 고감도의 진동 가속도계로 검출하는 방법이다. GIS 탱크 내에 미소금속 이물질이 있을 경우 이물질은 탱크 내 표면의 전계에 대응한 정전력을 받아 이동하고 탱크 내 표면과 충돌하며 이때, 탱크 벽에 발생하는 미약한 초음파를 검출 하여 진단하는 방법이다.

3. 전자파 검출법(UHF)
부분방전 검출에 있어서 감도 및 신호/잡음비의 관점에서 우수한 고주파 안테나 센서를 부분방전의 검출에 이용 하는 방법이다.  센서를 GIS 내/외부에 설치하고 전자파의 스펙트럼을 측정하여 신호/잡음비가 뛰어난 주파수를 선정하면 현장 에서도 수(pc)의 부분방전을 검출할 수 있다.
부분방전에 의한 전자파의 스펙트럼은 방전전류의 상승 시간 및 하강시간 2(ns) 이하의 펄스이므로 수백(MHz) 이하에서는 거의 평탄하며, 전자계 신호 크기를 증폭시켜 절연파괴가 진전되는 과정을 검출할 수 있다. 그러므로 주파수 스펙트럼을 분석하여 금속이물에 대한 존재 여부의 확인도 가능하다.
부분방전에 의해 발생되는 전자파는 주파수 대역이 저주파에서 (수) (GHz) 대역에 이르기까지 광범위하게 분포 되어 있다. 이중 GIS 내에서 부분방전 시 발생하는 주파수 대역은 대부분 500MHz∼1,500MHz이다.

 GIS 부분방전 진단방법 종류

종류	방법	측정 범위	위치 추정	외부 잡음 영향	비고
UHF 법	방전시 발생하는 UHF 신호 측정	○	○	△	-
VHF/ HF법	방전시 발생하는 VHF 신호 측정	○	△	×	Cable, 회전기 기 진단에 사용
Conventional	방전전류 측정	△	×	×	현장용으로 부적합
초음파 법	기계적 진동음 측정	×	○	×	상시감시용으로 부적합
가스분석법	방전에 의한 가스오염 분석	△	×	-	응답성이 늦음 Gas 구획 영향

4. 화학적 검출법
GIS 내부 부분방전 발생 시 농도 검출을 하는 Gas Check법, 시료성분 2쌍 사이의 분포차이를 다성 혼합물에서 각 성분을 분리, 분석하는 Gas chromatography법, 아크 전류 발생 시 SF 6 가스 분해에 의한 아황산 함유량을 측정하는 아황산가스 함량 측정법 등이 있다.