월간전기



[배전설비의 유지 및 보수 대책 ②] 전기 설비 수명 연장화의 과제와 방책

2013-08-02

[배전설비의 유지 및 보수 대책 ②] 전기 설비 수명 연장화의 과제와 방책 일본의 수배전 설비는 고도 경제 성장기에 설치되어 현재까지도 계속 운용 중인 부품들이 상존하고 있으며, 이러한 설비들의 노후화는 전력 계통의 신뢰도에 상당한 변수로 작용하고 있다. 이러한 노후화 설비의 관리를 위해 설치 환경의 습도 조절, 스위치기어의 세정, 전기실 내부의 공기 흐름 조절, 노후 기기의 갱신 시기 조절 등 다양한 방법을 통한 설비 수명 연장화를 위한 노력이 진행 중이다. 번역·정리 전화영 객원기자 수배전 설비를 구성하는 주요 장치로 스위치기어가 있다. 스위치기어의 설치 환경은 옥외, 옥내(전기실)가 있다(<그림 1> 참조). 내부에는 차단기, 계기용 변압기/변류기, 피뢰기, 보호 계전기 등과 같은 제어 기기를 비롯해 다양한 기기가 설치돼 각각 맡은 기능을 다하고 있다. 1960~1970년대 고도 경제 성장기에 설치된 스위치기어는 현재도 계속 운용 중인 것들이 있는데, 적정한 보수·점검을 실시해도 노후화에 따른 고장이나 장해의 발생 확률이 높아져 전력 공급의 신뢰도 저하가 우려된다. 여기서는 스위치기어의 수명 연장화의 과제와 방책을 설명한다. 스위치기어 수명 연장화의 과제 노후한 스위치기어의 운용 상황을 관찰한 결과, 향후 지속적인 운용 과제로 ① 유기 절연물의 절연 성능 수명 연장과 설치 환경 개선(온습도·열화 요인 가스 등의 영향) ② 차단기 갱신과 보조 기기(계기용 변압기/변류기 등)의 지속 사용으로 생기는 교체 시기 연기 ③ 디지털형 기기의 수명과 갱신 시기 판단 ④ 설비 운용에서 본 스위치기어 내 기기의 수명 연장화 우선 포인트가 불명확 ⑤제조종료등사회적수명에다다른기기의대처 이 다섯 가지가 거론되며, 이 과제들에 대한 대책 강구가 스위치기어의 수명 연장화로 이어진다. 수명 연장화 방책 유기 절연물의 절연 성능 수명 연장과 설치 환경 개선(온습도·열화 요인 가스 등의 영향)｜현재 스위치기어 내 기기에 널리 쓰이는 유기 절연물(이하, 절연물)의 열화 과정에는 대기 환경과 습도와 관계가 있으며(<그림 2> 참조), 이에 대한 개선(환경 개선)이 절연물의 절연 성능 수명 연장화에 효과적이다. •대책 1 - 85%를 초과하는 고습도 영역에서는 노후한 절연물에서 <그림 3>과 같이 절연 저항값이 신품에 비해 다섯 자릿수의 차이가 생기며, 공조 등으로 상대 습도를 60% 정도까지 내리면 노후한 제품이라도 절연 저항의 저하를 한층 낮출 수 있다. •대책 2 - 스위치기어 내 기기는 사용하는 동안 먼지와 티끌이 절연물에 붙는데, 이는 습도와 함께 절연물의 열화를 촉진하는 요인이 된다. <그림 4>는 절연물 표면의 청소 전후로 잔여 수명 추정 연도가 어떻게 바뀌었는지를 보여주는 그래프다. 청소 전에 비해 청소 후에 잔여 수명 추정 연도가 늘어났는데, 이를 통해 표면 청소가 수명 연장에 효과가 있음을 알 수 있다. 청소에는 순수한 물과 알코올(에탄올)을 5:5 비율로 섞은 용액을 사용하면 효과적이다. 다만, 청소자의 기술과 절연물의 노후화 정도에 따라 효과에 차이가 있다. •대책 3 - <그림 5>와 같이 전기실에는 바깥공기가 들어올 수 있는 구멍(통용구, 반입구, 흡기구, 환기구)이 여러 개 있어 전기실로 열화 요인 가스(NOx, SOx 등)가 침입한다. 침입한 열화 요인 가스의 농도는 전기실 내 공기 흐름에 따라 같은 전기실이라도 장소에 따라 달라진다. 그 결과 스위치기어 내 기기도 설치된 위치에 따라 절연 열화 정도가 달라진다. 열화 요인 가스가 전기실로 침입하는 것을 막으려면 통용구·반입구는 필요시 외에는 개방하지 않는다. 흡기구·환기구는 차폐한다. 흡기구·환기구 차폐로 전기실 안이 스위치기어의 사용 한도 온도인 40℃(24시간 내내 측정한 평균값은 35℃ 이하)를 넘으면 에어컨 등으로 온도 상승을 억제한다. 차단기 갱신과 보조 기기(계기용 변압기/변류기 등)의 지속 사용으로 생기는 교체 시기 연기｜ •기기 수명 협조의 부정합 - 스위치기어를 장기간 사용하려면 각 수납 기기의 수명에 맞춰 적절한 시기에 갱신이 필요하다. 갱신 실태로 보용補用부품 공급이 가능한 해에 한계가 있는 차단기만 갱신한 사례가 있는데, 차단기 이외의 보조 기기(계기용 변압기/변류기, 보호 계전기 등)가 경년 열화 등으로 고장이 나면 차단기만 따로 떼어낼 수도 없는 노릇이라 보조 기기를 함께 갱신해야 한다. 이러한 기기들의 수명은 보통 차단기보다 짧기에 설비 관리자는 이 점을 놓치지 말아야 한다. •보조 기기의 갱신 실태 - 보조 기기는 갱신 권장 시기를 넘긴 후에 갱신, 또는 특정 부분에서 발생한 고장을 계기로 부분/전체가 갱신되는 실태다. 디지털형 기기의 수명과 갱신 시기 판단｜ •디지털형 기기의 갱신 시기 - 스위치기어에는 기존 아날로그형 기기(기계식)를 사용했으나, 현재는 디지털형 기기가 주류다. 보호 계전기의 갱신 추천 시기는 JEM-TR156 ‘보호 계전기의 보수·점검 지침’에도 기재돼 있듯이 기기를 구성하는 부품 중 수명이 가장 짧은 부품으로 정해지기에 15년을 기준으로 갱신하는 것이 바람직하며, 디지털형 보호 계전기도 갱신 권장 시기를 15년으로 하고 있다. •15년을 경과한 시점에서 디지털형 보호 계전기의 특징 - 보호 계전기는 기계형, 디지털형 모두 <그림 6>과 같이 15년을 경과하면 오동작률과 오부동작률誤不動作率이 높아진다(관계 ①~③). 특히 디지털형은 15년을 경과하면 기계형에 비해 오동작률과 오부동작률이 급격하게 상승하므로(관계 ②) 15년을 기준으로 갱신해야 한다. 설비 운용에서 본 스위치기어 내 기기의 수명 연장화 우선 포인트｜ •설비 운용 상황 관점 - 아래 ①, ②의 설비가 상대적으로 열화가 진행되고 있기에 우선해서 수명 연장 조치를 취해야 한다. ① 기기의 동작 상황 ·개폐 횟수가 많은 차단기(1일 1회 정도 개폐) 주요 조치 내용: 기계적 접동摺動부분의 오버홀 ·상시 ON(폐극 상태) 및 상시 OFF(개극 상태)의 차단기 주요 조치 내용: 그리스Grease의 고체화 방지를 위한 주유 실시 ② 설비의 중요도 분류 수전점에 가까운 설비일수록 정전 범위의 영향이 크기에 전압이 높은 설비에서 낮은 설비 순서로 실시한다(피더반은 중요도가 높은 순으로 수명 연장책을 행한다). •설치 환경(장소) 관점 - 아래 ①~③을 우선해서 수명 연장 조치를 취해야 한다. ① 옥외에 설치한 스위치기어 ② 산간 부분의 볕이 잘 들지 않는 곳이나 하천 부근과 같이 고습도 환경에서 운용하는 스위치기어 ③ 열화 요인 가스(NOx, SOx 등)가 미치는 영향이 높을 것으로 보이는 장소에 설치한 스위치기어 •현재 상태 조사 관점: 아래 ①, ②의 방법이 있으며, 서로 조합해 활용할 것을 권장한다. ① 과거 점검 기록에서 절연 저항의 변화가 큰 기기나 고장 이력이 많은 기기를 추출해 수명 연장 조치를 취해야 할 우선 대상 기기를 판단한다. ② 전기실의 열화 요인 가스 농도를 측정하고, 그 결과에서 스위치기어의 절연 열화 상태를 추정해 수명 연장 조치를 취해야 할 우선 대상 기기를 판단한다. 열화 요인 가스의 농도 측정 방법으로 질산염 테스트 세편細片(시험지)을 사용해 스위치기어의 외피와 그 주변에 NOx의 부착 상황을 확인하는 방법이 있다. 이 방법으로 손쉽게 운전 중에 NOx의 부착 상황을 확인하고, 그 결과에서 스위치기어의 절연 열화 상태를 추정할 수 있다. <그림 7>은 질산염 테스트 세편(시험지)을 사용한 NO₃-(질산 이온)의 측정 사례를 나타낸 것이다. 측정한 질산염 테스트 세편(시험지)의 색을 가지고 기기에 미치는 영향 상태와 절연물의 잔여 수명 추정(※MT법을 이용한 절연물의 열화 진단·잔여 수명 추정)을 했을 때의 수준을 예상할 수 있다. 질산 이온의 부착량이 많으면(시험지 색이 진하면) 절연물에 대해 MT법으로 절연물의 열화 진단·잔여 수명 추정을 할 것을 권장한다. ※MT법:‘ 마하라노비스다구치시스템Mahalanobis Taguchi System’이라고 불리는 품질 공학의 다변량 해석/패턴인식방법 제조 종료 등 사회적 수명에 다다른 기기 증가에 대한 대처｜1960~1970년대 고도 경제 성장기에 설치된 스위치기어(기기)에는 현재도 계속 운용 중인 것들이 있다. 향후 지속 사용에 있어 이미 사회적 수명(제조 종료, 제조사로부터 부품 공급 종료·유지 보수 대응 종료·기술 지원 종료)에 도달한 기기, 또는 향후 순차적으로 사회적 수명을 맞이하는 기기는 제조사의 지원을 기대할 수 없기에 사용자로서 자기 책임 대응력이 필요하다. 운용 중인 스위치기어가 사회적 수명을 맞이할 즈음에 제조사와 어떻게 협력해서 준비하면 되는지에 대해 설명한다. •사회적 수명에 대응 - <표>에서 보듯이 사회적 수명에는 네 가지 항목이 있다. 계속 운용 중인 스위치기어가 사회적 수명을 이미 맞이한 혹은 앞으로 맞이했을 경우, 고장 복구 등과 같은 긴급 상황에서의 대응이 불가능해진다. 이 같은 사회적 수명에서 한정적으로 대처할 수 있는 사항으로는 다음과 같은 세 가지를 들 수 있다. ① 사용자 측에서 보수 부품을 비축한다(제조사가 보수 부품 공급을 중지하기 전에). ② 예비 차단기를 준비해 유지 보수를 한다(제조사가 유지 보수 대응을 중지하기 전에). ③ 스위치기어의 노후도를 파악해 순차적으로 갱신한다. 정리 이상 서술한 사항을 요약한다. (1) 절연물의 수명 연장화를 위해서는 다음의 세 가지가 효과적이다. ① 상대 습도를 60% 정도까지 낮춘다. ② 순수한 물과 알코올(에탄올)을 5:5 비율로 섞은 용액으로 절연물의 표면을 청소한다. ③ 열화 요인 가스(NOx, SOx 등)를 차단한다. (2) 갱신 실시 기기와 갱신 미실시 기기의 수명 협조에 부정합이 잘 일어나므로 유의한다. (3) 수명 연장화의 우선도 포인트는 다음의 세 가지다. ① 설비 운용 상황 관점 •계폐 횟수가 많은 차단기(1일 1회 정도) 및 상시 ON(폐극 상태), 상시 OFF(개극 상태)를 우선 •전압이 높은 설비에서 낮은 설비 순서로 실시 ② 설치 환경(장소) 관점 •옥외에 설치한 스위치기어 •고습도 환경에서 운용하는 스위치기어 •열화 요인 가스(NOx, SOx 등)가 미치는 영향이 높을 것으로 보이는 장소에 설치한 스위치기어 ③ 현재 상태 조사 관점 •과거 점검 기록에서 절연 저항의 변화가 큰 기기나 고장 이력이 많은 기기를 추출해 수명 연장 조치를 취해야 할 우선 대상 기기를 판단한다. •전기실의 열화 요인 가스 농도를 측정하고, 그 결과에서 스위치기어의 절연 열화 상태를 추정해 수명 연장 조치를 취해야 할 우선 대상 기기를 판단한다. (4) 디지털형 보호 계전기는 신뢰성이 높으나, 갱신 권장 시기 15년을 경과하면 기계형에 비해 오동작률과 오부동작률이 급격하게 상승하므로 예방 보전 차원에서 서둘러 갱신하는 것이 중요하다. (5) 사회적 수명에 다다른 기기는 취할 수 있는 대응이 극히 한정적이므로, 갱신 계획을 세워 순차적으로 갱신해 나갈 것을 권장한다. * 지금까지 스위치기어의 수명 연장화에 관한 과제와 방책을 설명했다. 향후 수명 연장화에 대한 요구는 점점 높아지리라 생각한다. 이 보고가 조금이나마 보탬이 됐으면 하는 바람이다. < Energy News >