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문제 정의
- 내부고장시 ARC상태 시험은 GIS의 모든 외함이 이상상태의 가스압력은 물론 단시간전류로 인한 내부 ARC에 의해 충분히 견딜 수 있는가를 확인하는 것이다. 하지만 본 시험이 파손시험인 관계로 확실한 안전장치가 없는 한 안전, 공해 등의 관점에서 시험의 실시를 보류하고 있는 편이다.
제안 방법
- 2006년 서면변전소 고장을 계기로 많은 대책을 수립하였지만 2010년 동전주 변전소 고장 등 지속적으로 GIS 내부 고장이 발생하여 사회적으로 큰 민원이 발생하고 있는 실정이다. 이에 GIS 내부 고장시 신속한 복구를 위한 고장구간 판정시스템을 개발하게 되었으며 개발된 압력센서의 동작값 설정을 위해 유동해석 등 시뮬레이션 결과의 신뢰성 확보 차원에서 실 GIS를 이용한 내아크 시험을 수행하게 되었다.
- 전체 82%의 변전소가 10kA 이상의 고장전류가 흐르는 것으로 조사되었으나 최소 고장전류에서도 내부 고장위치를 감지하기 위해서는 5kA를 시험 고장전류로 선정하였다. 또한 고장전류 인가시간은 계전기 동작시간 20ms에 차단기 동작시간 30ms를 더한 고장제거 최소시간 50ms로 결정하여 시험하였다.
- 내아크 시험에 앞서 CIGRE SC23-WG03의 실험식과 CFD 유동해석을 통해 압력상승을 검토하였다. 고장전류 20kA를 50ms 인가시 CIGRE실험식은 5kgf/㎠에서 1.
- 고장전류는 5회까지 5kA를 인가하였고 마지막 모선 DS부에는 10kA의 고장전류를 인가하였다. 내부 고장모의는 GIS 내부 도체와 점검창 내부의 흡착제 설치용 볼트 사이에 1mm 동선을 직결하고 고장전류는 모선을 통해 인가토록 하였다. 시험시 건전한 가스구획에 영향을 최소화 하고 불필요한 조작을 피하기 위하여 미리 회로조건을 검토하여 조치하고 수행하였다.
- 내부 고장모의는 GIS 내부 도체와 점검창 내부의 흡착제 설치용 볼트 사이에 1mm 동선을 직결하고 고장전류는 모선을 통해 인가토록 하였다. 시험시 건전한 가스구획에 영향을 최소화 하고 불필요한 조작을 피하기 위하여 미리 회로조건을 검토하여 조치하고 수행하였다.
- 내아크 시험시 탱크 내부와 가스주입구의 압력, 온도, 압력파를 측정하기 위해서 〈그림 6〉과 같이 센서를 설치하였으며 상분리형 GIS인 관계로 건전상으로 압력 전달을 확인하기 위해 압력센서를 설치하였다. P는 압력센서, T는 온도센서, Pw는 압력파 센서, Sw는 고장구간 판정용 압력센서를 나타내는 기호이다.
대상 데이터
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2.2 내아크 시험검토
시험대상 설비는 철거 보관중인 170kV 31.5kA 상분리형 GIS 2대를 이용하였으며 인가할 고장전류 크기 결정을 위해 154kV 변전소별 고장 전류 크기 현황을 조사하여 결정하였다. 전체 82%의 변전소가 10kA 이상의 고장전류가 흐르는 것으로 조사되었으나 최소 고장전류에서도 내부 고장위치를 감지하기 위해서는 5kA를 시험 고장전류로 선정하였다.
- 5kA 상분리형 GIS 2대를 이용하였으며 인가할 고장전류 크기 결정을 위해 154kV 변전소별 고장 전류 크기 현황을 조사하여 결정하였다. 전체 82%의 변전소가 10kA 이상의 고장전류가 흐르는 것으로 조사되었으나 최소 고장전류에서도 내부 고장위치를 감지하기 위해서는 5kA를 시험 고장전류로 선정하였다. 또한 고장전류 인가시간은 계전기 동작시간 20ms에 차단기 동작시간 30ms를 더한 고장제거 최소시간 50ms로 결정하여 시험하였다.
- 170kV 31.5kA 상분리형 GIS T/L Bay 1대와 B/T Bay 1대에 각각 3개소의 시험부위를 선정하였고 총 6회 시험하였다. 고장전류는 5회까지 5kA를 인가하였고 마지막 모선 DS부에는 10kA의 고장전류를 인가하였다.
성능/효과
- 1kgf/㎠로 시뮬레이션 되었다. 이를 바탕으로 안전하게 시험을 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 69℃ 상승하였다. LCP의 가스 주입구에 설치한 압력센서에는 0.28kgf/㎠ 압력이 상승하여 고장구간 판정용 압력센서가 동작한 것을 확인하였다. 인출부인 616 C상 탱크 내부의 압력은 0.
- 68℃ 상승하였다. 건전상인 A, B상 탱크로의 압력전달은 0.05kgf/㎠ 이하로 미미한 것을 확인할 수 있었고 LCP 가스주입구까지 연결된 가스배관을 타고 전달되는 압력은 0.29kgf/㎠로 130ms 이후 압력센서 동작을 확인하였다.
- 41℃ 상승하였다. 건전상인 A, B 탱크로 전달되는 압력은 0.04kgf/㎠ 였으며 LCP의 가스 주입구에 설치한 압력센서에는 0.35kgf/㎠ 압력이 상승하여 고장구간 판정용 압력센서가 동작한 것을 확인하였다. 차단부인 6100 A상 시험결과는 0.
- 32℃ 상승하였다. 마지막 시험은 모선 DS 6102 A상에 10kA의 고장전류를 인가하였으며 시험결과 압력은 1.58kgf/㎠, 온도는 25.7℃ 상승한 것을 확인하였다. 아래 〈그림 14〉는 5회 시험시 탱크 내부의 온도상승 곡선을 나타내는 것으로 시험전 온도를 회복하기까지는 2분 이상 소요되는 것을 확인할 수 있다.
- 5kA GIS를 이용하여 내아크 시험을 시행함에 여러 가지 준비사항과 필요조건에 대해 검토해볼 수 있는 좋은 기회였다. 시험전 시뮬레이션 결과와 비교해 보면 CIGRE 실험식과 CFD 유동해석 결과 5kA 인가시 탱크내부는 0.3kgf/㎠, LCP 가스주입구는 0.07kgf/㎠ 압력이 상승하였는데 실제 시험결과는 탱크내부에는 평균 0.73kgf/㎠, LCP가스주입구에서는 0.27kgf/㎠로 시뮬레이션 결과보다 높게 압력상승이 됨을 확인할 수 있었다. 본 시험으로 GIS 내부 고장시 신속한 복구와 휴먼에러를 예방하기 위해 개발한 GIS 고장구간 판정시스템용 압력센서를 검증할 수 있었으며 현재 성동전력소 관내 2개 변전소에 시운전 결과를 최종 확인 후 확대적용을 추진할 계획이다.
후속연구
- 27kgf/㎠로 시뮬레이션 결과보다 높게 압력상승이 됨을 확인할 수 있었다. 본 시험으로 GIS 내부 고장시 신속한 복구와 휴먼에러를 예방하기 위해 개발한 GIS 고장구간 판정시스템용 압력센서를 검증할 수 있었으며 현재 성동전력소 관내 2개 변전소에 시운전 결과를 최종 확인 후 확대적용을 추진할 계획이다. 차후 362kV, 800kV GIS에도 적용 가능성 검토가 필요할 것으로 사료되며 제작사와 공동으로 성능 개선을 통해 해외 수출용 GIS에 설치하는 것도 고려해볼 필요가 있다.
- 본 시험으로 GIS 내부 고장시 신속한 복구와 휴먼에러를 예방하기 위해 개발한 GIS 고장구간 판정시스템용 압력센서를 검증할 수 있었으며 현재 성동전력소 관내 2개 변전소에 시운전 결과를 최종 확인 후 확대적용을 추진할 계획이다. 차후 362kV, 800kV GIS에도 적용 가능성 검토가 필요할 것으로 사료되며 제작사와 공동으로 성능 개선을 통해 해외 수출용 GIS에 설치하는 것도 고려해볼 필요가 있다.
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