2.2.1 퓨즈 소손 사례

소손 퓨즈는 설치 후 6개월 만에 운전 중 조기 소손되었는데 동일 Lot로 구매하여 사용 중인 퓨즈들에서는 유사한 조기 소손 사례가 없었다. 그림2는 VT 1차측 퓨즈가 소손된OO발전소 4.16kV 고압배전계통 및 퓨즈가 설치된 위치를 나타내고 있다. 소손된 퓨즈는 한류형 퓨즈로 정류정격이 0.5E, 최대전압 5.5kV이고 최대 차단용량은 80kA 이다⁽⁶⁾.

Fig. 2. VT Fuse Location in OO Power Plant

2.2.2 한류형 퓨즈 특성

한류형 퓨즈는 고장전류가 발생하면 퓨즈 엘리멘트가 급속히 과열되고 엘리멘트 전체에 걸쳐 용융 및 증발이 진행되면서 소호 매질(규사) 속으로 열이 흡수된다. 이 때 아크 및 아크열에 의해 생성된 유리질 절연물이 퓨즈의 저항을 급속히 증가시킴에 따라 과전압이 발생되고 전류의 통과를 강제적으로 억제시켜 고장전류의 크기를 제한시키는데, 그림3은 일반적인 한류형 퓨즈의 내부구조를 보여준다⁽⁴⁾.

Fig. 3. The internal structure of current limited fuse

한류형 퓨즈는 대전류에서 0.5 Cycle 이내에 용단되는 특성을 갖고 있기 때문에 그림4에서 보여주는 것과 같이 실제적으로 전류가 아크저항에 의해 제한을 받아 크기가 현저히 감소하게 된다. 예를 들면, 400A Rating을 갖는 한류형 퓨즈에 100kA의 사고전류가 유입될 때 퓨즈의 아크에 의한 한류특성으로 인해 실제적으로는 18kA 정도의 크기로 감소하게 된다⁽³⁾.

Fig. 4. The characteristics of current limited fuse

발전소 고압계통에 사용되는 VT Fuse는 “E" Rating을 사용하도록 IEEE C37.101 등에서 권고하고 있다. 관련 규격에 따르면, E Rating 퓨즈는 정격전류가 100A 이하인 경우 정격의 200∼240% 전류 인가시 300 sec 이내에 용단되어야 하고 정격전류 100A 이상에서는 정격의 220∼264% 전류 인가시 600 sec 이내에 용단되어야 한다. 또한, 0.5E Rating 퓨즈의 경우 VT 가압시 정격의 12배 크기의 자화돌입전류가 흐를 때 0.1초 이상 견디어야 하며, 정격의 25배 크기의 자화돌입전류가 흐르는 경우에는 0.01초 이상 견디는 특성을 보유하여야 하는데 그림5는 0.5E Rating Fuse의 용단시간-전류 특성을 보여주고 있다⁽²⁾. 따라서 E Rating이 아닌 일반 퓨즈는 돌입전류(Inrush Current)와 같은 단시간 대전류 내량이 현저히 적어 발전소 고압계통에 사용이 적합하지 않다.

Fig. 5. Characteristics curve of the 0.5E rating

2.3.1 열정격을 고려한 퓨즈 용량 적정성 검토

OO발전소 4.16kV 소내고압모선 VT 1차측에 설치된 퓨즈의 적정용량을 검토하였는데 표1은 그 결과이다. 열정격은 VT 2차측에 1000VA의 부담을 연결하고 정격전압을 인가할 때 정해진 온도상승 한도를 초과 하지 않는 정격이다. VT가 V결선 되어있고 부하도 단상이므로 VT 1차측에 인가되는 전압은 4200V이며 VT 2차측 단락고장을 상정할 경우에 열정격 1000VA를 적용하여 계산하였다. 돌입전류에 견디는 정도는 정격의 12배의 전류가 흐를 때 0.1초, 25배의 전류에는 0.01초 이내에 용단되지 않아야 하는 관련 규격을 만족시키고 있다. 적정 퓨즈용량은 정격전류의 300%를 적용하는데 0.5E Rating 퓨즈를 사용하는 경우에는 이 기준을 만족시킨다⁽⁶⁾.

2.3.2 2차측 부하를 고려한 퓨즈 용량 적정성 검토

0.3등급 VT는 75VA, 역율 0.85에서 0.3%의 오차범위를 벗어나지 않아야 한다. 75VA 정격부하에서 VT 1차측에 흐르는 전류의 크기는 0.018A이며, 0.5E 퓨즈는 정격부하전류의 28배 용량이나, VT 가압시 발생 가능한 돌입전류의 크기에 따라 용단 가능성도 배제할 수 없다. OO발전소 4200V 모선에 설치된 VT의 부하가 매우 작은 관계로 VT 가압시에 부하만에 의해 산출된 정격전류의 28배의 돌입전류가 흐를 경우에도 VT 1차측 전류는 수mA에 불과하나, VT의 포화특성이 좋지 않을 경우 가압시 과전류(여자전류+돌입전류)가 VT 1차측에 유입되어 퓨즈의 열화를 촉진함에 따라 정상 수명보다 조기에 용단을 초래할 가능성이 있다⁽⁶⁾.

2.4.1 VT 여자특성이 퓨즈 소손에 미치는 영향

VT의 여자특성이 퓨즈 소손에 미치는 영향을 검토하였는데 표2는 VT 특성시험 결과이다. ANSI 45° 기준에서 포화전압($V_{knee}$)은 62.5V로서 정상운전중 VT에 인가되는 운전전압(120V)에서 흐르는 누설전류 크기가 0.46A 이다. 이 누설전류는 퓨즈의 정격용량 이내 이므로 짧은 시간내 퓨즈의 소손을 유발할 가능성은 적으나, VT 절연물의 열화를 촉진하고 계통 동요시 L값의 변동에 의해 공진을 유발하여 과전류로 인한 퓨즈 소손의 원인이 될 수 있다⁽⁶⁾.

계기용변압기의 여자특성이 좋지 않은 경우에는 정격전압 이하에서 철심이 포화될 수 있다. 철심이 포화되면 여자전류 증가로 인해 변환비 오차가 증가하여 관련된 보호계전기의 오부동작을 초래할 수 있고, 절연물의 열화를 촉진시켜 VT 수명을 단축시킬 수 있다. IEC(60044-1)에서는 여자전압을 10% 변화시켰을 때 여자전류의 크기가 50% 증가하는 지점을 포화전압(Knee-Point)으로 정의하고 있는데, 그림6-a는 IEC 기준의 포화전압을 나타내고 있고, 그림6-b는 양호한 VT의 여자특성 곡선인데 포화전압이 200V로 기준치(120V)를 초과하고 있다. 그림6-c는 운전 중 정격전압 이하에서 포화되는 여자특성이 좋지 않은 VT의 특성곡선을 보여주고 있는데, Knee-point 전압이 77V로 정격전압인 120V 이하로 확인되어 기준치에 미달하는 상태임을 알 수 있다⁽⁵⁾.

Fig. 6-a. Knee Voltage in IEC standard

Fig. 6-b. Good excitation characteristics of VT

Fig. 6-c. Bad excitation characteristics of VT

2.4.2 공진에 의한 퓨즈 소손 가능성

전력계통에서 발생하는 공진에는 직렬, 병렬공진이 있는데, 직렬공진은 인덕턴스 성분인 코일과 정전용량의 커패시터가 직렬로 연결된 회로에서 유도성 리액턴스($X_{L}$)와 용량성 리액턴스($X_{C}$)가 같아져 회로의 임피던스가 최소로 되고 전압과 전류가 동위상이 되며 회로의 전류는 최대가 되는 것을 말한다. 병렬공진은 코일과 커패시터가 병렬로 연결된 회로에서 회로의 서셉턴스가 0이 되어 회로의 임피던스가 최대로 되고 전압과 전류가 동일한 위상이 되어 회로의 전압이 최대가 되는 상태이다. 전력계통에서 철공진 현상이 발생하면 계기용변압기의 철심이 포화되어 과전류 발생으로 VT가 소손되거나, 공진으로 인한 이상전압이 발생하여 회로에 연결된 보호계전기 등의 부하 기기들이 손상될 수 있다. OO발전소 소내 고압전력계통에서도 VT의 인덕턴스 성분과 계통의 커패시터 성분이 L-C 직렬공진을 일으킬 경우 임피던스가 최소로 되어 VT 1차측에 과전류 유입으로 인해 퓨즈가 용단될 수 있다. 발전소 소내 고압배전계통에서 관련 차단기(CB, Circuit Breaker) Open/Close시 VT의 공진발생 가능성을 알아보기 위해 전력계통을 간략화 하였는데 그림7-a는 간략화한 계통도이고 그림7-b는 GIS 변전소에서 차단기를 개방하였을 때 검출된 공진 파형(전압)이다⁽¹⁾.

Fig. 7-a. Simplified LC resonance circuit

Fig. 7-b. Voltage waveform when resonance occurs

차단기가 Closed된 상태에서 회로는 L-C 병렬 형태이나, 차단기 Open시에는 L과 C가 축적된 에너지를 상호 주고 받는 형태로 진동하기 때문에 L-C 직렬공진 현상으로 해석이 가능하다. 차단기 개방시 발생하는 공진 전압의 크기는 저주파수 진동인 경우 전원 전압의 0.5-1.5배, 60Hz 진동의 경우는 전원 전압의 1.8∼2.2배까지 나타난 사례가 있다. 또한 공진이 발생할 때 나타나는 현상으로는 VT 포화로 인해 철심에서 이음이 발생하거나 VT 2차회로의 보호계전기나 계측기 등에서 떨림 현상이 발생할 수 있다⁽¹⁾.

2.5.1 산업용 X-Ray를 이용한 소손 퓨즈 단층(CT) 촬영

소손 퓨즈의 내부 용단 상태를 확인하기 위해 XAVIS사 Xscan-H160(최대전압 160kV) 산업용 X-Ray 장비를 사용하여 단층 촬영하였다. 그림8의 1번 부위는 퓨즈 종단 접속부이며 퓨즈가 용단될 경우 엔드캡이 바깥쪽으로 튀어나오는 구조이다. 2번 부위는 퓨즈가 용단된 위치로 퓨즈의 용단 상태를 살펴보면, 용단이 1 point 에서 발생하였으며 휴즈 용단시 표시장치가 바깥쪽으로 튀어나옴에 따라 약 10mm 정도 용단점의 간격이 발생한 상태이다. 3번 부위는 중간에 퓨즈 엘리멘트를 연결하여 주는 중간 연결부이고 4번 부위는 퓨즈 종단 접속부를 나타내고 있다⁽⁶⁾.

Fig. 8. fuse appearance & X-Ray photograph

2.5.2 퓨즈 절개 후 소손 부위 육안 점검

퓨즈의 내부 용단 상태 확인을 위해 절개 후 소손 부위를 육안으로 점검하였는데 그림9는 퓨즈를 절개한 사진이다. 1번 부위는 퓨즈의 외함인데, PVC 재질의 원통으로 되어 있으며 내부는 소호재인 규사로 충진되어있다. 2번 부위는 퓨즈의 내부로서 PVC 외함을 제거한 상태이다. 3번 부위는 성형 자기봉으로 펠렛 형태로 되어있으며, Fuse Element가 성형 자기봉 내부의 Hole을 통과하여 End Cap에 연결되어 있다. 4번 부위는 용단부위로서 Fuse Element가 용단되어 끊겨져 있는 상태를 보여주고 있다.

Fig. 9. Fuse melting part micrograph

Fig. 10. Fuse cutout picture

2.5.3 퓨즈 용단부 형태 및 재질 정밀 확인

퓨즈 용단부의 용단 원인을 확인하기 위해 전자현미경으로 용단부를 정밀하게 촬영하였는데 그림10은 소손된 퓨즈의 용단부 사진이다. 또한 용단부 재료분석 결과 Pb 성분이 63%로 나타났는데, 이 용단부는 퓨즈에 과전류가 흐를 경우 Melting Point를 만들어 주기 위해 퓨즈 중간지점에 납으로 접속한 것으로 확인되었다.