중부대학교 전기전자과 김정부 교수

<지난호에 이어>
5. TNA와 Impulse Generator를 이용한 절연협조 연구

시험선로 건설 전 지지물의 최소 절연거리와 시험 변압기의 BIL을 정하였으나 한전 765kV 계통의 절연설계를 위하여 이태리 CESI에서 TNA를 도입하여 연구실에 설치하고 독일의 High Volt사에서 4000kV 충격 전압 발생기(Impulse Generator, I.G)를 도입하여 고창 시험장에 설치하여 이의 연구를 1992년부터 1995년까지 연구를 시행하였습니다. 그림3은 TNA를 이용하여 개폐과전압을 연구하는 광경입니다.

▲ <그림 3>TNA로 계통을 모의하여 개폐과전압을 연구하는 광경.
계통의 개폐과전압은 EMTP와 TNA를 통하여 분석하였습니다. 대 상-대지 개폐과전압은 고장제거시 1.9 배수(per unit;p.u)로 가장 높게 나왔으며 최대 상간 개폐과전압은 재폐로시 약 3.25p.u로 나타났으며 상간 절연거리는 8.4m가 소요되는 것으로 설계되었습니다.
이 값으로 송전선로 지지물에서 최소 절연거리와 가스 절연 변전소(GIS)에서 가공선 인입철구에서 최소 대지 철연거리 약 5.0m로 하고, 인입 또는 인출선 철구에서 마진을 고려하여 상간 이격거리를 11m로 정하였습니다.
지-상간 절연거리는 개폐 충격 전압 발생기(Switching Impulse Generator)를 사용하여 확인시험하였습니다. 그림4는 개폐 충격 전압 발생기로 공기절연거리를 시험하는 광경입니다. 전선로의 애자의 개수를 결정하기 위한 일선 지락시 건전상의 일시과전압 배수 1.2p.u를 얻었으며 청정 I지구[등가 염분 부착량(ESDD)가 0.01mg/㎟이하]에서는 300kN 애자개수가 30개 II지구(0.03mg/㎟이하)에서는 37개로 설계되었습니다. 이 연구 결과를 2000년 1월에  IEEE Transaction on Power Delivery에 1편과 국제 고전압 연구회(ISH)에 여러 편의 논문을 발표하였습니다. 위의 EMTP와 TNA 분석은 전력연구원에 근무하는 심응보 처장이 수행하였고 Impulse 시험은 심정운 부장이 수행하였습니다.
TNA로 765kV 2회선 송전계통 연구 중 200km가 넘는 선로에서 병렬 리액터 설치시 병렬공진이 발생하는 현상을 발견하였습니다. 공진 현상은 한 상이 개방되었을 때 선로의 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C)가 서로 공진하여 개방된 상의 정전 유도전압이 5~6p.u가 되는 것입니다.
▲ Switching Impulse로 공기 절연거리를 시험하는 모습.
대책으로 송전선의 길이를 160 km이하로 제한하여 변전소 위치를 정하도록 하였습니다. 선로가 160km 이하가 되더라도 재폐로시 선로에 충전전류가 많이 남아 있으므로 고속도 접지 스윗치(High Speed Ground Switch, HSGS)를 설치하여 충전 전류를 대지로 방출한 다음에 재폐로 하도록 설계하였습니다. 한편 변압기의 기준 충격 절연 수준(BIL)은 2050kV이고 차단기 BIL은 2250kV로 정하였습니다.

6. 765kV 기자재 개발연구

연구와 별도로 한전에서는 제조회사에 기기개발비를 지원하여 765kV 기자재를 개발하게 하였습니다. 중요한 기기개발의 기자재 명칭은 다음 표와 같으며 지원한 개발비는 건설장비를 포함하여 100억원이었습니다.
그러나 한전과 제조회사의 이득은 이의 시험선로의 효과에 중복된 것을 빼고 이의 10배로 보면 약 1000억원이 될 것으로 추정할 수 있나 생각합니다. 개발 완료 후 상용화에 성공하였으며 제조회사로 하여금 개발 지원비를 한전에 상환하도록 하였습니다. 중전기 제조회사인 효성 중공업과 현대 중공업은 해외와 기술제휴 또는 자체기술로 GIS 차단기와 변압기의 개발을 하여 한전에 납품함은 물론이고 해외 수출의 기반을 마련하는 기반을 구축하였습니다.

7.결론

해외에서 배운 765kV 2회선 송전기술을 우리나라에 실제 적용하기 위하여 이론적인 연구뿐만 아니라 단상 모의 설비인 코로나 케이지와 또한 실규모 시험선로를 통하여 연구함으로써 기술개발과 기기 국산화를 촉진시켜 신뢰성 있는 설계를 함은 물론 경제적인 건설을 하도록 하였습니다.
765kV 송전선로 운전 후 2008년까지 765kV 송전선로의 운전 실적을 보면 년 평균 사고율은 평균 0.5(회/100km 선로 긍장)으로 신뢰성이 아주 높다고 할 수 있습니다. 재폐로율은 100%이어서 영구 사고로 진전된 것은 하나도 없습니다. 이는 정부와 한전 및 민간 제조업체와 공동노력으로 765kV 사업을 성공적으로 개발하였다고 볼 수 있습니다.
우리나라에서 765kV를 운전함으로써 아시아에서 아직까지 제일 높은 전압을 보유하게 됨으로써 다른 나라에 비하여 기술우위를 차지하게 되고 우리나라 중전기 회사들이 해외에 기기수출 기반을 마련하였다고 볼 수 있습니다. 1960년대 초에 우리나라에 345kV 전압을 결정하신 원로분께서는 그 당시 345kV 대신에 500kV를 도입하지 못하였다는 것을 후회하셨다는 말씀을 하신 이야기를 하셨는데 현재 765kV 계통을 운전하고 있는 우리나라 전력계통을 생각하여 보면 오히려 그 때 결정이 잘 되었다는 것을 알 수 있습니다.
앞으로 우리나라 전력기술은 여기에 만족하지 않고 고전압 직류(HVDC) 송전 연구, 지중선 케이블 시험 연구 및 배전 자동화 연구 등의 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어 연구를 포함해서 계속 연구에 매진하여 전력기술 강국을 이루기를 기원합니다.
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