1. 서 론

전 세계는 21세기 가치를 안전, 보건, 복지의 확대로 보고 있다. 이 중 인명의 보호를 위해 안전 확보에 주력하고 있으며 이러한 움직임은 산업 재해 예방을 위한 안전관리 강화라는 결과로 나타나고 있다. 미국의 경우 OSHA에서 현장을 관리 감독하고 안전성 기준에 대해 관리하며 산업 재해 발생과 규모에 대해 매년 발표하고 관리자 책임의 중요성을 강조하고 있다. 국내에서도 산업안전보건법 강화 및 중대재해처벌법 제정으로 선진국과 같이 산업안전 및 보건에 관한 기준을 확립하고 있다. 안전에 관한 전기 분야의 최대 관심사는 전기화재와 감전사고의 발생이다. 미국의 NFPA의 발표에 따르면 아크성 화재의 발생은 55%⁽¹⁾이며, 우리나라의 경우 한국전기안전공사에서 발표한 2018년 전기재해통계분석⁽²⁾에 의하면 아크성 사고로 인한 화재는 78%, 인명사고는 93%(부상 92%)로 높은 비율을 나타나고 있다. 특히 아크성 사고로 인한 발전사들의 사고는 10년간 9회⁽³⁾로 안전에 대한 강조에도 불구하고 계속 발생하고 있다. 이러한 사례와 같이 아크 사고에 대한 중요성과 대책에 대하여 일본(Hitachi-ABB), 유럽(Siemens, Arcteq)등 각국에서도 많은 연구가 진행되고 있다^(4-10).

지금까지 사용되고 있는 전형적인 계통 보호 방법은 전류 변성기(CT)와 차단기, 그리고 과전류계전기를 이용한 방법이 널리 적용되어 왔으며, 최근에는 구조부를 보강하여 아크가 내부에서 발생하여도 전면과 후면으로 열 및 화염등이 방출되지않고 상부로만 방출할 수 있도록 한 내아크 수배전반이 대형 전력 수요처를 중심으로 적용되어 왔다⁽⁸⁾. 이때 과전류계전기에서 동작 신호를 받아 차단기가 동작하여 계통에서 분리되는 시간은 최소 57ms에서 400ms이상이 소요되고 있어 내부 기기의 소손에 따른 인명 피해 및 정전에 따른 피해, 복구비용이 크게 발생하게 된다. 최근 들어 아크를 감지하는 센서와 전류변성기 그리고 아크보호계전기를 전형적인 계통 보호 방법에 추가적으로 적용하여 아크 센서에서 빛을 검출하고, 전류변성기에서 비정상전류를 검출한 신호가 동시에 아크보호계전기에 전달하게 되면 차단기를 트립시켜 계통을 분리하는 방법이 적용되고 있다. 이 방법은 아크가 발생한 후 60~100ms가 소요되어 아크사고로부터 인명 및 재산 피해는 감소하였으나, 설비의 동작 특성에 의존하는 만큼, 신뢰성이 부족하다.

국제 공인 시험 기관인 네덜란드 KEMA의 시험보고 및 ABB의 자료⁽⁴⁾, VAMP의 자료⁽⁵⁾에 따르면 35ms이내에 아크를 제거해야 설비 및 인명 사고를 안전하게 보호할 수 있다고 실험을 통하여 발표했다. 35ms내에 아크를 소호하기 위하여 동작 기구에 적용하는 최근 기술은 마이크로가스발생기⁽⁶⁾를 이용한 초고속접지스위치와 화약의 폭발력⁽⁷⁾을 이용하는 두 가지 방법이 있으며, 이 두 가지 방법은 작동시간 2ms이내에 아크를 제거하는 장점이 있으나, 1회 작동만 가능하고 투입 상태에서 복귀가 불가능한 구조적 문제를 가지고 있어 새로운 제품으로 교체하기 전에는 아크를 제거하지 못하게 되므로 사고가 재발할 우려가 있다. 또한 1회 사용 후 교체가 필요하기 때문에 가동 정지에 따른 경제적 손실 및 보수에 따른 제품 교체 시간 및 비용이 발생하게 된다. 따라서 다회 사용이 가능하면서도 고속 동작이 가능한 아크제거기의 개발이 필요하다.

본 연구에서 제시한 아크제거기의 개념 설계에는 계통 상황과 아크제거기의 상태 정보에 따라 꼭 필요한 경우에만 선별하여 동작하는 판단 능력을 가지면서 4ms이내 고속 동작하며 다회 사용이 가능한 구조로 하여 정전 시간을 최소화 시키는 신뢰성을 갖도록 한다. 우선 고속 동작이 가능하고, 다회 사용이 가능한 구조로 하기 위하여, 고속성이 입증된 톰슨코일 원리를 도입하여, 더 빠른 동작을 위해 원통형 구조로 하고 개폐내구성을 위해 요철부가 있는 가동 접촉부와 경사형 코일 스프링 구조를 새롭게 설계하여 자체로 개발했던 두 개의 프로그램⁽¹³⁾에 의해 톰슨코일의 최적설계를 수행한다. 그리고, 새롭게 제안하여 포함한 선별 능력은 아크제거기가 동작하면 전류 내구성이 약한 구성요소의 소손이 있을 수 있으므로 3상 단락급의 대전류에서만 동작하도록 구현하고 모든 고장 전류에서는 차단기가 동작하도록 하는 두개의 고장전류설정값으로 나누어 구별한다, 여기에 아크와 유사한 빛에 의한 오동작 방지를 위해 고장전류와 동시 조건이어야 하고 또 워치독 회로로 아크제거기 자체도 정상이라고 판단될 때만 차단기가 동작하도록 스마트한 기능을 넣어 설계한다.

실제 운영되고 있는 발전소의 소내 전력계통을 사례로 하여 ETAP(Electrical Transient Analyzer Program)를 이용하여 아크제거기 설치전과 후의 개인보호등급의 차별성을 시뮬레이션으로 보는 설치여부 결정 절차도를 제안한다. 이에 따라 설치한 사례 실 계통에서 3상단락 사고가 발생한 경우의 측정된 결과와 발생 피해를 통해 스마트 아크제거기의 효율성을 입증하였다.

2. 스마트 아크제거기의 개념설계

본 연구에서 새롭게 제안하는 아크제거기는 고속 동작하면서 다회 사용이 가능한 개폐 내구성을 갖도록 설계하였고, 그 위에 고장전류 크기에 따른 아크제거기 동작여부를 판단하고, 아크에 의한 빛만 선별하여 동작하는 기능 및 자가 진단 기능이 설계되어 있으므로 ‘스마트 아크제거기’라고 정의한다.

이것의 개념 설계는 다음과 같다.

2.1 기존 아크제거 방법들의 문제점과 설계요구사항

아크가 발생하면 그림 1과 같이 여러 위해 요인이 발생한다. 이러한 위해 요인 중 빛이 가장 검출이 빨라 이용사례가 많다.

그림 1 아크의 위해 요인

Fig. 1 Arc Hazard Factor

CT, 과전류계전기 및 차단기를 이용하는 기존 기술과 이를 보완하기 위한 최근 아크제거에 적용되는 기술은 IEC62271 -200⁽⁸⁾ 및 IEEE C37.20.7⁽⁹⁾에는 Mechanical Venting(Arc Re- direction) 및 Arc Quenching(Arc Elimination)의 2가지 방법이 있으며, 비교하면 표 1과 같다.

표 1. 아크제거기술비교

Table 1. Comparison of Arc Elimination Technology

표 1에서 나타난 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안되는 스마트 아크제거기의 설계 요구사항은 4ms이내 고속 동작을 유지하면서 다회 개폐 가능하며 주변 피해를 최소화하면서 오동작 우려가 없는 선별 능력⁽¹⁰⁾을 가지는 것이다.

2.2 스마트 아크제거기의 개념 설계

빛을 감지하고 톰슨 코일을 이용하는 스마트 아크제거기는 그림 2(a)와 같이 3상 시스템에 설치되고, 구성은 그림 2(b)와 같다. 스마트 아크제거기는 그림 2(b) 중에서 광센서를 이용한 감지부를 제외한 모든 구성부를 새롭게 설계하여 제작하고 결과품을 공인시험을 통하여 표준 등에서 요구하는 성능을 만족하도록 하는 개념으로 설계한다.

그림 2 (a) 설치 개념도

Fig. 2 (a) Installation Conceptual Diagram

그림 2 (b) 스마트 아크제거기 구성도

Fig. 2 (b) Smart Arc Eliminator Configuration Diagram

2.2.1 작동기구부의 개념설계

작동기구부는 톰슨 코일 작동원리를 도입한 기구부 구조 개념 설계와 코일 설계 방안은 다음과 같다.

가. 톰슨 코일 작동원리 및 코일 설계

아크가 발생해 아크제거기에 작동전류가 흐르면 톰슨코일에 전기가 인가됨과 동시에 전자반발력이 발생하여 가동 접점을 고정접점으로 고속 이동시키고 전기회로가 구성되어 아크를 제거한다⁽¹¹⁾,⁽¹²⁾. 구동장치가 전류의 흐름에 의해 그림 3과 같이 4ms이내 동작하는 고속 동작이 가능하며, 투입 후 초기 상태로 복귀하여 다회 재사용이 가능하다.

톰슨코일 작동기구의 고속 동작 및 가공 용이성을 고려하여 원형 모양으로 가동 접점부 및 고정 접점부를 구성하며, 톰슨코일 작동기구부의 설계를 위해 유한 요소 프로그램 MEGA 3D에서 시뮬레이션⁽¹³⁾을 수행하였으며, 중.저주파수에 대한 맥스웰 방정식이 적용된 FEM 프로그램의 과도현상 솔버를 사용하여 설계한다. 이렇게 설계된 톰슨 코일은 다음 그림 4 및 그림 5와 같다.

그림 3 톰슨코일 액추에이터의 구조

Fig. 3 Structure of Thomson Coil Actuator

그림 4 고속 동작 톰슨 코일 설계

Fig. 4 High Speed Thomson Coil Design

그림 5 톰슨 코일 자속 분포

Fig. 5 Magnetic Flux Distribution of Thomson Coil

나. 새롭게 제안된 기구부 구조

모선에 연결된 고정접점과 톰슨코일에 의해 동작하는 가동접점이 움직여 통전되면, 전류는 가동접점 하단의 단락부에 의하여 3상 단락됨과 동시에 접지부를 통해 대지로 방출된다. 또한, 고정접점으로 이동한 가동접점이 진동이나 충격에 영향을 받지 않고 고정될 수 있는 구조의 설계가 필요하기에 가동접점 부는 그림 6과 같이 요철부 구조를 적용하여 지진 및 진동등 외부 충격에 의한 오동작이 없도록 기구부를 구성하고, 톰슨코일에 전기가 인가되면 그림 7과 같이 가동 접점이 요철부를 지나 고정접점으로 이동하도록 설계한다. 고정접점 상단에는 그림 8과 같은 경사형코일 스프링을 설치하여 충격을 흡수하여 통전함으로 다회 사용이 가능하도록 설계한다. 통전되는 순간 3상 단락으로 인해 발생하는 대전류로 인한 위험이 발생할 수 있기 때문에 단락전류의 흐름을 견디도록 설계하며, 절연유지 및 전자파 힘과 열응력을 견디도록 설계한다.

그림 6 작동 기구부 구조

Fig. 6 Structure of operation mechanism

그림 7 톰슨코일에 전기 인가시 가동접점의 이동

Fig. 7 Movement of the operating contacts when electricity is applied to Thomson coil

그림 8 일반스프링 및 경사형 코일스프링의 차이와 기구부 설치 모습

Fig. 8 Differences between normal and canted coil springs and installation form of equipment part

2.2.2 판단부의 개념설계

판단부는 오동작 방지 및 대전류 판단 등 두 가지의 논리로 설계한다. 판단부의 개념 설계는 빛이 감지되었다고 해도 다른 빛일 가능성이 있으므로 ETAP을 통하여 구한 1선지락 전류의 80% 또는 사용자 요구에 의해 결정되어지는 전류(제1설정값)이어야 작동한다. 이때 아크제거기가 정상작동이 가능한 상태인지에 대한 정보가 주어져야 비로소 작동지령을 아크제거기에 내리도록 설정한다. 이것은 오동작 방지를 위함이다.

제2설정값은 ETAP의해 구하여진 3상 단락전류 값을 참고로 사용자 요구에 의해 결정한다. 그 이유는 단시간 내전류 특성이 약한 설비가 대전류에 의해 소손가능성이 있으므로 제2설정값이상인 경우 아크제거기가 작동하도록 스마트하게 설계한다. 판단부의 흐름은 그림 9에 나타나 있다.

2.2.3 구동부 및 복귀부의 개념설계

구동신호를 수신하는 구동부는 소형 경량화 및 초고속성을 위하여 톰슨코일 기구부로 설계하며, 이를 작동하기 위하여 사이리스터부와 커패시터부로 구성하고 충전된 전류를 톰슨코일에 방전하도록 한다. 복귀부는 아크 사고 후 모든 원인을 해결하여 원상복구를 실시하며, 정상운전을 위하여 아크제거기를 복귀상태로 유지하여 발생할 수 있는 2차 사고에 대비하여 설계하고 수동으로 재투입하도록 한다.

2.2.4 구체화된 아크제거기의 개념 설계

아크제거기는 작동시간 4ms이내에 작동 할 수 있는 작동기구부와 상용주파내전압 38kV/1min, 임펄스 전압 95BIL을 견딜 수 있는 절연 구조, 그리고 단시간전류 50kA/1s를 견디는 주회로 통전용량을 보유하도록 설계한다. 또한, 기구적으로 내진 성능, 진동, 개폐 내구성을 발전소 및 대형장치산업 표준에 적합하도록 설계한다.

개념 설계된 아크제거기는 그림 9와 같은 흐름도에 따라 작동한다.

그림 9 아크제거기 작동을 위한 흐름도

Fig. 9 Flowchart of Arc Eliminator Operation

3. ETAP을 이용한 현장 조건 하에서의 최적화

적용 현장의 계통도와 관련 임피던스 지도(map)를 확보한 후 기존의 CT, 과전류계전기와 차단기의 경우와 아크제거기의 채용하는 경우를 비교하여 ETAP-11에 내장되어있는 IEEE1584 및 NFPA70E를 기준으로 최적의 개인보호등급(PPE category) 및 이에 따른 최소 안전거리(AFPB)에 대한 두 가지 경우의 결과를 도출하여 수배전반의 수명 및 인명피해, 소손 등 기술적 및 경제적 측면을 고려하여 결정하게 된다. 결국 아크 감지에서부터 아크제거를 할 때까지 걸리는 시간을 4ms 이내로 설계해야 한다.

그림 10 ETAP 이용한 작동 시간과 개인보호등급의 결정 절차도

Fig. 10 Flow Chart for Decision of Operation Time and Personal Protection Equipment Category

4. 스마트 아크제거기의 성능에 대한 실험적 입증

스마트 아크제거기의 성능은 이론적으로 전개한 참고 문헌⁽¹⁵⁾ 및 ⁽¹⁶⁾과 달리 본 연구에서는 앞에서 제시한 개념설계에 의한 제품으로 한국전기연구원의 공인시험 성적서⁽¹⁷⁾를 통한 실험적 입증을 하였다. 입증하여야할 항목은 개폐내구성과 고속성이고 각각에 대한 것은 다음과 같다.

5. 사례 연구

아크제거기 적용을 위한 사례 연구를 위하여 그림 12와 같은 발전소 시스템을 선정하였다.

5.1 사례 시스템 선정 및 계통도

사례 시스템은 발전용량 1080MW, 소내전압 11kV의 최근 적용되는 발전소를 선정하여 스마트아크제거기 설치 전후를 분석하였다.

그림 12 사례 시스템 계통도

Fig. 12 Sample System Diagram

5.2 스마트 아크제거기 적용을 위한 ETAP실행 및 보호등급 산정을 통한 설치 여부 결정

“X”모선부에서 아크사고가 발생하였다고 가정하고 ETAP을 분석하였다. 그림 10 절차도에 의한 분석 결과는 그림 13과 같다.

그림 13 ETAP에 의한 아크제거기 설치 전, 후 전력계통 분석 결과

Fig. 13 Results of power system analysis before and after installation of Arc eliminator by ETAP

작동 시간에 따른 개인보호등급(PPE)은 미설치시 Category 4에서 아크제거기 설치시 Category 0으로 되어 아크제거기를 설치하는 것으로 결정해서 사례 시스템에 적용하였다.

그림 14 사고 기록 파형

Fig. 14 Fault Event Wave Form

6. 결 론

본 연구에서는 톰슨 코일을 이용한 새로운 개념의 스마트 아크제거기의 개념 설계를 수행하였다. 작동기구부는 모두 원형으로 하여 유한 요소법으로 시뮬레이션과 과도현상 솔버로 설계하여 4ms 이내의 고속성을 유지하였고 가동접점부의 요철 구조와 고정접점부의 경사형 코일 스프링을 도입하여 충격을 완화하도록 하였으며, 그 위에 복귀부를 추가 설계하여 20회 이상 재폐로가 가능하도록 설계하여 공인 시험을 통하여 입증하였고, 판단부는 자가 진단이 포함된 오동작 방지기능과 함께 3상단락시 대전류인 경우만 아크제거기를 작동시키도록 설계하여 전력설비의 단시간 소손가능성을 최소화하기 위해 2개의 설정값을 ETAP의 고장 시뮬레이션을 통해 정한 후 최적의 개인보호등급을 제안한 절차도에 의하여 결정하도록 하였다.

사례 시스템은 스마트 아크제거기 설치 전과 후의 ETAP 결과로부터 구한 안전관리 비용과 아크제거기 설치비용을 고려하여 설치한 발전소 전력시스템으로 선정하여, 이 시스템에서 작업 중 실수로 발생한 3상 단락에 의한 사고시 아크는 신속히 소호되어 인명피해와 인접한 배전반 폭발 및 화재를 방지하였음을 보였다.

결론적으로, 스마트 아크제거기는 판단부의 지능과 작동기구부의 새로운 복합적인 개념 설계를 통하여 재폐로성, 선별성 및 고속성을 확보한 것으로 향후 인명과 전력설비를 보호하는데 크게 이바지할 것으로 기대된다.