양회장 블로그

가스절연개폐장치(GIS) 사용 필요성과 장,단점 운전시 유의사항, 향후전망등에 대하여 서술하시오.

1. 개요

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. GIS의 일반 구조

가스절연 개폐장치(G.I.S : Gas Insulated Switchgear)는 차단기, 단로기 등의 개폐설비와 변성기, 피뢰기, 주회로 모선 등을 금속제 탱크 내에 일괄 수납하여 충전부는 고체 절연물(Spacer)로 지지하고 있으며 탱크 내부에는 절연성능과 소호능력이 뛰어난 SF₆ 가스를 절연매체로 하여 충진, 밀봉한 개폐설비 시스템을 말한다

[그림1] GIS의 일반 구조도

3. G.I.S의 내압 주요 기기

  가. 가스 차단기

가스 차단기의 특징은 훌륭한 차단성능과 간결한 설계로된 소위 푸퍼(puffer)형의 SF₆ 가스 차단기이다.

  나. 단로기

단로기는 금속 용기 내에 절연 Spacer로 지지하는 고정도체와 절연 막대에 의하여 움직이는 이동 도체로 구성되어 있는 단일체이다.

  다. 접지 개폐기

접지 개폐기는 G.I.S 설비의 접지 상태를 유지하는 개폐기로서 절연 Spacer로 지지하는 도체인 고정 접촉자와 스프링 조작으로 움직이는 가동 접촉자로 구성 되어 있다.

  라. 피뢰기(Lightning Arrestor)

피뢰기(L.A)는 SiC(탄화규소) 소자를 사용한 갭(gap)방식과 ZnO(산화아연) 소자를 사용한 갭래스(gapless)방식이 있다.

  마. 계기용 변압기(Potential Transformer)

계기용 변압기는 특별고압을 저압(110V)으로 변환하여 보호계통의 동작전원으로 사용

  바. 계기용 변류기(Current Transformer)

계기용 변류기는 계기용 및 보호 계전용 전원으로 사용

4. G.I.S의 특징

  가. 설치면적의 극소화

G.I.S는 SF₆ 가스를 이용하여 개폐기기 및 도체를 금속탱크에 내장하였으므로 공기 절연형 변전소 보다 약 25%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.

  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.

  마. 보수점검 용이

전기적 화학적으로 안전한 SF₆ 가스를 사용한 완전 밀폐형이기 때문에 경년변화가 적고 신뢰성이 높다.

  바. 기타

    ․ 염해등 외부환경 또는 이물질 접촉에 의한 사고가 전혀 없다.

    ․ 인축에 대한 감전사고의 위험이 없다.

    ․ 각 기기가 표준화된 조립방식으로 대량생산이 가능.

    ․ 완전밀폐로 조작 중 소음이 적고 라디오 전파를 줄일 수 있다.

5. G.I.S의 특성

가. 장점

1) 설치 면적의 축소

기존 변전설비의 약 1/4 면적으로 감소되어 건물부지 면적 및 비용절감 된다.

2) 높은 안전성

충전부가 SF₆ 가스탱크에 내장되어 안정성 확보로 도심지에 적합하다.

3) 고신뢰성 확보

충전부가 완전히 밀폐되어 있으므로 염해, 대기오염, 강풍, 폭우, 먼지, 증기 등 기후 또는 외부환경의 영향을 전혀 받지 않으며, 내부사고시 가스 구획되어   사고확대 예방으로 신뢰성이 확보된다.

4) 유지보수점검 용이

절연물 접촉자 등이 SF₆ 가스중에 설치되어 열화, 마모가 적어 유지보수가 용이하다.

5) 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.

6) 저소음

외관 및 구조가 간단하고 단로기, 접지 개폐기, 조작부의 상 일체화로 외관이  간결하며 완전 밀폐형으로 되어 소음이 적고, 라디오 방해 전파가 감소된다.

7) 종합적인 경제성 확보

용지비용 감소, 환경대책 감소 등을 종합적 판단시 더욱 유리하다.

나. 단점

1) 사고대응이 부적절할 경우는 대형사고 가능성이 있다.

초기고장시 조기복구, 임시복구가 불가능하여 장기간 운행정지가 가능하다.

2) 건설비가 높다.

환경문제, 용지문제를 제외한곳에 적용시 비용이 상승한다.

6. 가스 절연형 변전소 운전시 유의사항

가스 절연형 변전소에서도 재래식 공기 절연형 변전소와 비슷한 낙뢰 대책이 요구된다. 그러나 과 전압(over voltage)에 대한 기기 보호의 측면에서 보면 양자 사이에는 다음과 같은 장, 단점이 있다.

가. 가스 절연형 기기의 전압-시간(V-T)특성은 공기절연형기기에 비하여 절연협조가 매우 어렵다. Surge Impedance는 가공 송전선로의 약 1/5, 전력 케이블의 2～3배 정도이며 이로 인한 외부침입 Surge의 진행 및 반사 특성이 공기절연형 변전소와는 다르다. 공기 절연형 변전소에서는 주 변압기 보호 위주로 낙뢰대책을 수립하여 왔으나 가스 절연형 변전소에서는 기기 내부의 Spacer등 유기 절연물에 대한 보호 대책도 함께 고려하지 않으면 않된다.

나. 가스 절연형의 절연특성 및 선로측의 절연협조를 감안하여 선로 인입구 모선 및 변압기 전단 등 의 1개소 또는 여러 개소의 적당한 위치에 소정의 피뢰기를 설치하여야 한다. 가스 절연형 변전소의 경우 선로 인입구에 피뢰기를 설치하면 전체적으로 보호효과가 있으므로 선로측에 설치한다. 다만 345KV 변전소의 154KV 선로측에는 설치하지 않고 모선측에는 변압기 뱅크(Bank)별로 설치한다. 변압기 또는 큐비클에서 직접 케이블로 접속하는 경우에는 피뢰기를 생략하여도 무방하지만 가공 송전선과 지중 송전선의 접속점에는 반드시 피뢰기를 설치하여야 한다.

AC 급전방식에서 BT 급전 방식과 AT급전 방식을 비교 설명하시오

1. 개요

교류 전차선 방식은 대용량 중 장거리 수송에 유리하며 에너지 이용율이 높고 사고 발생시 선택차단의 용이한 특성이 있으나, 통신선에 대한 유도 장애가 발생하므로 이에 대한 대책으로 AT, BT 방식이 사용된다.

2. BT 급전 방식

가. BT(Booster Trance: 흡상변압기) 급전 방식의 특징

1) 약4km마다 설치하여 레일에 흐르는 귀선전류를 부급전선에 흡상시켜 전차선을 통하는 전류와 반대방향의 전류를 강제로 부급전선으로 흐르도록 회로를 구성시켜 줌으로서

2) 전차선 전류에 의한 전로에 접근된 통신선의 유도장해를 감소시켜 주는 급전방식으로 우리나라의 산업선전철에 이 급전방식 채택되고 있다

3) 귀선전류를 강제로 부급전선에 흡상하기 위해 흡상변압기를 사용하지만 흡상변압기를 급전회로에 직렬로 시설함으로써 전차선에는 부스타 섹션을 설치해야한다.

4) 그러나 부하가 대용량이고 속도가 고속화되면 이것이 운전상 또는 보수작업상의 문제점으로 되고 있다.

3. AT 급전 방식

가. AT(Auto-transformer : 단권 변압기) 급전 방식의 특징

1) 급전방식은 변전소에서 급전선을 선로에 따라 가설하여 급전선과 전차선과의 사이에 약 10km 간격으로 AT를 병렬로 설치 접속하여

2) 변압기의 권선의 중성점을 레일에 접속하는 방식으로서 우리나라의 수도권 전철에 이 급전방식이 채택되고 있다.

3) 이 방식은 대용량 열차부하에서도 전압변동, 전압 불평형이 적어 안정된 전력공급이 가능하여 고속전철에도 이 방식을 채택하고 있으며,

4) 레일에 흐르는 전류는 차량을 중심으로 각각 반대방향의 AT쪽으로 흐르기 때문에 근접 통신선에 대한 유도장해도 적게 되는 장점이 있다.

4. BT-AT급전방식의 비교

교류이상구분장치인 PTFE-TYPE (테프론제)

1. 개요

최근 유럽을 중심으로 개발되어 사용되고 있으며 차량의 특성(한국의 경우 더블 팸터그래프)에 맞게 제작된 절연 습동부가 PTFE Type(테프론제)으로 되어 유지 보수성과 속도 향상에 적합하다. 러시아 철도기술연구소인 VNIZht에서 개발 최고열차속도 300㎞/h이상에 사용되고 있으며 다음과 같은 특징이 있다.

2. 특징

가. 습동판에 의한 마모 및 환경 오염을 방지하기 위하여 절연봉 외피를 PTFE(테프론제)를 사용하여 제작.

나. 아크 소호를 위한 아킹혼등의 최적 설계로 인해 최대 1초이하의 아크소호.

3. 설치 일반도

구분장치 설치위치는 곡선당김금구와 경간 1/3 지점 사이에 다음과 같이 설치한다. 

현수애자의 애자련 효율과 열화원인 및 불량애자 검출방법에  대하여 서술하시오.

1. 개요

가. 전선을 철탑 등의 지지물에 연결시킴과 동시에 지지물과 전선 사이를 절연시키기 위해 사용되는 절연지지체를 애자라고 한다.

나. 전철용 애자는 전차선과 곡선당김금구 등을 지지하는 지지애자와 급전선, 전차선, 부급전선 등을 전기적으로 구분하는 구분용 애자로 나눌 수 있는데 이것은 일반적으로 풍설, 심한 기온 변화, 공해물질, 매연, 분진과 염해지역에서의 염분에 의한 오손,

다. 내뢰.외뢰에 의한 이상전압, 특히 전철설비의 고유특성인 진동 등의 가혹한 조건에서 사용되며,

라. 장기간에 걸쳐 사용 중 과대한 스트레스(기계적, 전기적), 취급 부주의 등 여러 가지 원인으로 열화를 초래한다.

2. 애자의 구비조건

가. 선로의 정격전압뿐만 아니라 고장시의 내부 이상전압 발생 시에도 충분한 절연내력을 가질 것.

나. 비, 눈, 안개 등 자연조건하에서도 충분한 전기적 표면저항을 가지고 누설전류가 작을 것.

다. 전선의 무게를 비롯하여 바람, 눈 등 외력이 가해지더라도 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가질 것.

라. 정격전압에 대해서는 코로나 방전을 일으키지 않고 만일 표면에 아크(arc)라든지 코로나가 일어나더라도 그에 의해서 파괴되거나 상처를 남기지 않을 것.

마. 내구력이 있고 가격이 저렴할 것.

3. 현수애자의 애자련의 효율

가. 애자련의 각 애자는 자체의 정전용량 Cm[pF] 외에 애자금구와 철탑(대지), 금구와 전선과의 사이에 각각 Ce[pF], Cd[pF]의 정전용량을 가지고 있다. 각 애자의 전압 분담은 균등하지 않고 전선에 가장 가까운 애자가 가장 분담비가 크고 중간의 것은 낮고 지지물에 가까운 것은 약간 커진다. 이와 같이 각 애자의 분담 전압은 서로 다르기 때문에 그저 애자수를 늘린다고  해서 그 개수에 비례해서 애자련의 절연내력이 증가하는 것은 아니다.

나. 한편, 전압분포가 불평등할 경우에는 분담비가 작은 애자에 비해서 분담비가 큰 애자 쪽이 그만큼 더 열화 되기 쉬우므로 애자 전체로서의 이용률은 저하하게 된다.

다. 인가전압을 증대해 가면 전압 분담비가 큰 전선 측의 애자에 코로나가 발생해서 애자 자체의 외견상의 정전용량이 약간 증가하게 되므로 전압 분포가 개선되어  섬락직전에서는 전압 분포가 거의 균등하게 되고 있다. 이러한 효과를 더 높이기 위해서 전선 측에 초호환(arcing ring) 또는 초호각(arcing horn)을 붙여서 전선에 대한 정전용량(Cd)을 늘리도록 하고 있다. 또 초호환(arcing ring) 또는 초호각(arcing horn)은 선로의 섬락시 애자파괴 방지, 역섬락시 애자파괴 방지하는 데에도 효과가 있다.

4. 애자련의 각 애자 전압분담

가. 애자의 표면이 깨끗한 경우

표류용량의 영향으로 각 애자의 분담전압은 각각의 애자에 대하여 다르게 나타난다. 애자련이 길어지면 분담전압의 불균형은 더욱 커지므로 애자련에 쉴드링을 붙여 전압분담을 고르게 한다.

나. 애자 표면이 더러운 경우

애자 표면이 오손된 상태에서는 표면으로 흐르는 누설전류에 의해 표류용량이 감소되거나 없어져 표면저항의 크기에 비례해 전압분담이 된다.

다. 전압분포가 불평등할 경우

분담비가 작은 애자에 비해 큰 애자 쪽이 그만큼 더 열화되기 쉬우므로 애자 전체로서의 이용률은 저하된다. 따라서 전압분포를 균등하게 하기 위하여 애자금구와 대지간의 커패시턴스를 늘려서 애자금구와 전선사이의 커패시턴스를 같은 정도로 하면 상호간의 작용은 상쇄되어 전압분포는 매우 좋아진다.

5. 애자의 열화 원인

애자는 오래 사용하는 동안에 여러 가지 원인으로 자기 절연층에 균열 또는 관통 구멍이 생겨 절연저항과 절연내력이 저하되어 전기적 특성이 열화되고 인장강도가 저하하여 기계적으로도 열화된다. 이러한 애자의 열화는 그 사용 상태와 설치위치에 따라 다르다. 현수상으로 설치된 현수 애자련에서는 맨 위쪽의 애자가 제일 열화 되기 쉽고, 내장성의 애자련에서는 전선에 가까운 애자가 열화되기 쉽다. 이러한 열화는 대부분이 전기적이며, 기계적인 열화는 매우 드물다.

가. 애자 제조시의 결함

1) 애자 제조상 자기질의 불량

2) 시멘트의 불량

3) 접속 방법의 불완전

4) 자기소성 냉각법의 부적당

나. 온도의 영향

햇빛의 직사에 의하여 고온으로 된 애자가 비에 젖어 급격히 냉각되면 심한 온도의 변화를 받는다. 애자는 팽창계수가 다른 자기, 철, 시멘트 등으로 되어 있으므로 각부에 스트레스가 생기고 애자가 열화 된다.

다. 시멘트의 화학 팽창

시멘트는 오랜 세월이 지남에 따라 공기 중의 수분, 탄산가스를 흡수하여 경화 팽창을 한다. 이 때문에 자기에 스트레스를 주어 열화의 원인이 된다.

라. 자기적 스트레스와 코로나에 의한 영향

선로전압에 의한 전기적 스트레스, 그 밖의 이상전압에 의하여 큰 스트레스를 받으면 자기가 열화한다. 현수애자는 클레버스 부분이 약간 뾰족하고 또한 이것을  2개 이상 연결했을 경우 클레버스 선단과 위쪽 애자 사이의 공기가 스트레스를 받아서 열화한다. 또 해안지방은 바다 바람 때문에 표면에 누설전류가 흐르든지, 코로나 때문에 국부적으로 가열되어 열화되고 나중에는 전기적으로 파괴된다.

6. 열화 검출방법

가. 정전 상태

1) 육안 검사에 의한 방법

열화 진단을 위한 육안 관찰 방법은 소수성(물을 빨아들이지 않는 성질)의  정도, 하우징의 트래킹정도, 하우징의 변형 및 관통, 코아의 노출여부, 씰링부의 열화정도 등에 초점을 두고 있다. 이 방법은 고성능 망원경과 같은  검사 장비를 이용하여 지상 또는 헬기에서 절연물 표면의 손상을 검사하기도 하며 카메라를 이용하여 검사하기도 한다.

2) 절연저항 측정에 의한 방법 - 1000[V] 절연저항계로 측정하여 대체로 1000[MΩ] 이상이면 양호.

나. 활선 상태

1) 분담 전압기의 조사에 의한 방법

가) 캡식 및 네온관식 불량애자 검출기

애자의 캡에 접촉자를 대고 그 애자의 분담전압에 상당하는 방전음 또는 방전관에 의해서 양부를 판단한다.

나) 음향 펄스식 검출기

애자 개개의 분담전압을 정량적으로 측정하며, 애자 중 불량애자가 개재하면 그 애자의 분담전압이 전후의 건전한 애자의 분담전압에 비해서 크게 저하되는 것을 이용하여 애자의 양부를 판단한다.

2) 코로나 방전 모니터링

광 증폭 장비를 이용하면 애자 표면에서 발생하는 방전현상을 감지해 낼 수 있다. 연속적이고 안정화 된 방전현상은 하우징 재료에 상당한 침식을 일으킬 수 있다. 부분방전에 의해 방사되는 대부분의 에너지 파장은 300~380 nm로 UV-A 파장 범위에 해당한다. 이 기법은 밤에만 사용될 수 있고 이 장비를 이용하여 진단할 때 방전 현상이 있어야만 쉽게 검출해 낼 수 있으므로 상당한 불편을 야기한다. 최근에는 낮 시간에도 검출 가능한  코로나 검출 카메라에 대한 연구가 활발하다.

3) 적외선 분석

자연 상태에서 애자가 열화 되면 표면의 누설전류가 증가하게 되어 애자 표면에서 열이 발생하게 되므로, 이를 검출하기 위해 적외선 열분석기가  사용된다. 이를 이용한 경우 지상에서도 애자의 건전상태를 판단할 수 있으며, 애자의 열화된 부분이나 정도까지도 검출해 낼 수 있다.

4) 전위분포 측정법

캡 금구에 접촉자를 대고 고저항을 통한 대지에서의 누설전류를 정류기를 통해 마이크로미터에서 읽어 애자의 양부를 판단한다.

5) 전계측정

애자의 길이 방향으로 전계분포를 측정하여 결함 상태를 검출하는 방법이다. 대체로 전계 분포는 결함이 있는 위치에서 다소 급격한 변화를 갖게 된다. 프로브를 애자의 길이 방향으로 이동하면서 측정하고 이를 컴퓨터를 이용하여 분석하게 된다. 그러나 이 방법은 프로브를 설치하기 위해 애자 근처까지 접근하여야 하는 불편함이 있다.

 가동브래킷의 종류, 장단점, 구성하고 있는 주요자재에 대해 설명하시오.

1. 개요

가. 전차선을 지지하기 위하여 전주에 취부한 외팔보를 브래킷이라 하며, 사용목적에 따라 브래킷은 고정브래킷과 가동브래킷이 있고

나. 가동 브래킷은 브래킷의 본체와 전주의 접합부를 회전축으로 하여 자유로이 좌우로  회전하며,

다. 조가선과 전차선의 온도변화에 의해 신축함으로써 생기는 전선의 이동에 따라 동시에 그 방향으로 이동할 수 있는 구조로 되어 있으며

라. 이 브래킷은 장간애자에 의해 전주와 절연되어 있다.

2. 가동 브래킷의 종류

가동 브래킷의 종류는 I형, O형, F형으로 분류하며 각 전주의 선로 조건에 따라  현장에서 제작하여 설치하는 방식과 표준화하여 공장에서 제작하여 설치하는 방식이 있다.

가. I형(In type)

곡선 당김 금구를 전주 쪽에 설치하는 것을 I형이라 한다.

나. O형(Out type)

곡선 당김 금구를 전주의 반대쪽에 설치하는 것을 O형이라 한다.

다. F형(Flat type)

에어 섹션, 에어 조인트 등 전차선의 평행 개소, 말단개소, 전차선의 무효 부분에 설치하는 것을 말한다.

3. 가동 브래킷의 특성

가. 회전성능

수평방향의 회전가능 각도는 90˚이며, 회전에 의해 전차선 위치 변동이 ± 500mm 미만에서는 조가선 변동이 없어야 한다.

나. 회전억제저항

1) 회전억제저항은 전차선의 수직하중과 횡장력을 받았던 사용상태로 1개소당 3Kg 이하로 한다.

2) 전차선의 이동에 대하여 지지점의 회전억제저항이 작은데 가선 장력의 불균일 방지가능하여야 하고 집전장치(Pantograph)의 집전상태가 양호하여야 한다(가선상태, 용수철 정수가 양호)

4. 가동 브래킷의 장.단점

가. 장점

1) 온도가 변하여도 가선구조가 흐트러지지 않으므로, 고속운전에 적합하다.

2) 장력의 변동이 적다.

3) 하중에 의한 전차선의 경점을 적게 할 수 있다.

4) 조가선을 절연하지 않으므로 지지물 높이가 감소한다.

5) 지지점에서 풍압에 의한 편위의 변화가 적다.

6) 가선이 경량화 된다.

7) 활선 작업의 안전도가 높다.

8) 절연애자(장간애자)가 전주측에 취부되므로 보호설비의 배선이 용이하다.

9) 진동방지 및 곡선당김장치 등은 가동브래킷의 부속품으로 단독 절연할 필요가 없다.

10) 가동브래킷은 경량이므로 가선효율이 양호하게 된다.

나. 단점

1) 허용편위를 초과하면 전차선으로부터 팬터그래프의 이탈이 우려된다.

2) 가동 브래킷은 단주를 사용하므로 기초를 강화시킬 필요가 있다.

3) 복잡한 역구내에서는 사용 곤란하다.

5. 가동 브래킷의 설치

가. 가동 브래킷은 체결금구로 전주, 하수강, 벽체 등에 설치한다. 정거장 구내 등 사람의 접촉이 우려되는 장소에는 절연 브래킷을 설치한다.

나. 가동 브래킷의 지지재는 필요에 따라 압축에 견디는 구조로 한다.

다. 평행 개소에는 2본의 브래킷을 평행틀 또는 2본의 전주에 설치한다.

라. 터널 시․ 종단에 설치하는 터널 브래킷은 터널 시․종점으로부터 5[m] 이내의 위치에 설치함을 원칙으로 한다.

6. 가동 브래킷의 주요자재

가동브래키트의 구조는 주파이프, 지지파이프 및 이에 부속하는 곡선당김, 진동방지장치 등 여러 가지로 구성되어 장간애자로서 절연한다.

가. 수평파이프 : 버팀재

나. 경사파이프 : 주파이프

다. 곡선당김장치 : 곡선구간에 사용

라. 진동방지장치 : 직선구간에 사용

마. 장간애자 : 압축력과 인장력이 작용하는 지점에 사용

7. 가동 브래킷의 구성도