2.1 수명연장을 고려한 해외 자산관리 기술 동향

1970년대 영국에서는 높은 복지 비용의 지출과 매우 낮은 노동 생산성으로 경기 침체를 겪었다. 1970년대 말에는 광산 노동자의 파업이 극심했고 석탄이 주 발전원이던 전력산업은 발전비용 상승과 에너지 품질 저하로 이어졌다. 이후 시장 내 경쟁을 통한 산업 효율성 제고를 위해 공기업의 민영화가 시작되었으며, 전력산업은 1990년대부터 민영화되었다 ^[4]. 2000년대에 들어서면서 가스와 전력 시장의 투명성, 공정성 증진과 함께 소비자 보호를 위해 에너지 규제 기관인 Ofgem (Office of Gas and Electricity Markets)이 출범하였다. 이러한 시대적 흐름과 전력설비의 진단 및 모니터링 기술의 발전에 동반하여 자산관리 기법 또한 발전하였으며, 현재는 자산의 성능과 비용을 동시에 고려하여 위험도를 관리하는 자산관리 기법인 RBM이 주를 이루고 있다.

RIIO (Revenue = Incentives + Innovation + Outputs) 프레임워크는 안전, 환경, 사회적 책임, 신뢰성 및 가용성 측면에서 위험도 완화를 위한 송전 및 배전 사업자들의 성과뿐만 아니라, 지속가능한 에너지 공급을 위한 혁신에 대해 Ofgem으로부터 평가를 받고 일종의 인센티브를 부여받는 메커니즘을 가진다. 이러한 규제 정책에 부응하기 위해 DNOs (Distribution Network Operators)에서는 Ofgem과의 합의를 거쳐 CNAIM (Common Network Asset Indices Methodology)을 개발하여 성과 및 혁신에 대한 전반적인 내용을 규제 기관에 보고하기 위한 도구로 사용하고 있다. CNAIM은 자산의 건전도가 위험도에 반영되어 더욱 경제적이고 효율적인 위험도 관리 방법인 CBRM과 DNOs 간 위험도를 정량적으로 비교하고 위험도 완화를 위한 유지보수 우선순위를 선정할 수 있도록 하는 위험도의 현금화 (Monetising)에 대한 공통 방법론을 다룬다 ^[5].

영국의 스코틀랜드 남부 및 웨일즈 지역의 배전 사업자인 SPEN (SP Energy Networks)에서는 그림 1과 같이 자산의 생애주기를 제시하고 RIIO 프레임워크의 요구사항에 맞춰 경제성 및 효율성과 지속가능성을 고려하기 위해 CNAIM에 근거한 CBRM 기법을 사용하여 자산을 관리하고 있다 [6,7]. CBRM의 구현을 위한 자산의 생애주기는 자산 가치 극대화 및 규제 기관의 요구사항에 부응하기 위한 자산관리 전략 수립, 자산관리 전략에 근거한 자산의 취득과 운용에서부터 수명연장 또는 교체 및 폐기까지 구성되어 있다. CBRM에 접근하기 위한 수단으로 노후 전력설비의 건전도 평가를 사용하고 있으며, 이 결과는 수명연장 의사를 결정하는 데 유용한 도구로써 작용한다. 또한, 교체 또는 폐기 대상 설비에 대해서도 건전도 평가를 수행하고 있으며, 이러한 과정을 통해 도출된 데이터는 효율적인 유지보수 전략을 수립하는 데 있어 중요한 요소로 작용하고 있다.

그림 1. 효율적인 자산관리 전략 수립을 위한 자산 생애주기

Fig. 1. Asset life cycle to establish an efficient asset management strategy

그림 2. 수명연장 의사결정 프로세스

Fig. 2. Life extension decision-making process

수명연장이란 자산 가치 극대화를 위해 기대수명에 도달한 전력설비에 대해 열화의 진전이 빠른 부위를 수리하고 기능을 유지하는 것을 의미한다 ^[8]. 그림 2는 수명연장 의사결정 프로세스를 나타낸다. 수명연장 의사결정 프로세스는 크게 세 가지 핵심 요소로 구성된다. 먼저, 기대수명에 도달한 전력설비의 건전도 평가를 통해 설비의 기능적 건전도를 파악하고 해당 설비의 부품 공급 여부 및 기술자 현황과 같은 가용성 측면에서 수명연장 적합성을 평가한다. 이후 교체와 수명연장 간 비용 소요를 비교하고 생애주기 비용을 고려한 경제성을 복합적으로 고려하여 최적의 투자 옵션을 선정하게 된다. 투자의 옵션은 수명연장과 교체가 있으며, 수명연장의 구체적인 옵션은 그림 3과 같다. Refurbishment는 상태의 개선을 요하는 구성요소의 부분적 교체를 의미하고 Retrofit은 오래된 구성요소를 새로운 기능이 추가된 구성요소로 교체하는 업데이트를 의미하며, Remanufacturing은 설비를 초기 성능과 동일한 수준으로 만들고 그 성능에 대한 보증을 포함하는 작업을 의미한다 ^[9].

그림 3. 전력설비의 수명연장 옵션

Fig. 3. Life extension options for power equipment

경우에 따라 건전도 평가를 통한 수명연장이 교체에 비해 비용 효율적일 수 있다. 이는 초기 투자 대비 더 많은 가치를 창출할 수 있음을 의미한다. 실제로 일본에서는 CBRM을 적용하여 노후 GIS에 대해 건전도 평가를 수행한 결과를 바탕으로 경제성 측면에서 수명연장 적합성을 검토한 결과, 교체 대비 약 14 %의 비용적 이점이 있음이 보고된 바 있다 ^[10]. 또한, 최근 들어 기후 변화에 대응하기 위해 2014년에 시작된 RE 100 (Renewable Energy 100 %)과 2021년부터 효력을 발휘하는 파리 협정 등 온실가스 감축과 같은 환경적 문제 개선을 위한 노력에 이목이 집중되고 있다 [11,12]. 이에 따라 해외에서는 전력설비의 건전도 평가 시 SF6 누설량을 고려하고 있으며, 설비의 위험도에 반영되고 있다 ^[5]. 실제로 RIIO ED-1 프로젝트를 통해 DNOs의 탄소배출량이 약 12.7 % 감소되었으며, 정전 건수 또한 약 10 % 감소한 것으로 보고된 바 있다 ^[13]. 이는 RIIO 프레임워크를 준수하기 위한 노력, 즉 전력설비의 건전도 평가를 기반으로 한 효율적인 유지보수 및 수명연장 전략 수립은 지속가능한 에너지 공급과 전력 시스템의 신뢰성 향상으로 이어져 환경적 문제 해결과 안정적인 전력 공급을 기대할 수 있음을 간접적으로 나타낸다. 특히, 전력설비 수명연장의 옵션 중 하나인 Remanufacturing의 경우, 신품 제작에 필요한 에너지와 자원 소모량의 85 % 가량 절감할 수 있는 것으로 보고된 바 있다 ^[14]. 이는 수명연장을 통해 전력설비의 신뢰성 증진과 초기 투자 대비 더 많은 가치를 창출하여 자산관리의 중요한 개념 중 하나인 자산 가치 극대화를 기대할 수 있음을 의미한다. 따라서 노후 전력설비의 건전도 평가를 통해 부품과 구성요소의 열화 상태를 파악하고 이러한 데이터를 기반으로 효율적인 유지보수 전략을 수립하는 것은 전력설비의 수명연장을 위한 기틀을 마련하며, 결과적으로 자산 가치 극대화와 더불어 탄소중립과 순환자원 목표를 달성하는 데 있어 매우 유용한 수단이 될 수 있다.

2.2 수명연장을 고려한 해외 자산관리 기술 동향

NGET (National Grid Electricity Transmission)는 웨일즈, 잉글랜드 지역에 400 kV와 275 kV 송전망을 보유한 영국의 송전 사업자이다. NGET에서는 SF6 가스를 사용한 전력설비에서 가스 누설이 증가하고 있는 추세에 있어 이에 대한 위험도 완화 방안으로 다음과 같은 수명연장 옵션을 제시하였다 ^[15]. 그림 4(a)는 코팅을 통해 SF6 가스 누설에 따른 위험도를 완화하는 방식으로 사용년수가 20년 이하인 설비에 적용될 때 가장 효과적이며, 약 10~15년의 수명연장 효과를 가진다. 그림 4(b)는 기밀 구조의 보강을 통해 위험도를 완화하는 방식으로 약 10년의 수명연장 효과를 가진다. 이러한 옵션들을 통해 최대 약 17,500 kg에 해당하는 SF6 가스 누설에 따른 위험도를 완화할 수 있음을 제시하였다.

그림 4. SF6 가스 누설에 따른 위험도 완화 사례

Fig. 4. Case of risk mitigation due to SF6 gas leakage

그림 5는 핀란드의 전력사인 Fingrid에서 사용년수가 20년이 된 GIS의 부품 교체를 통한 위험도 완화와 수명연장 사례를 나타낸다. GIS의 수명을 제한할 만한 고장률이 높은 기존 차단기 조작장치를 교체함으로써 위험도를 완화하였다. 또한, 조작장치의 교체와 동시에 안전 및 환경적 위험도 완화를 위해 방압장치 및 O-ring 등의 부품을 전반적으로 교체하여 30년 이상 GIS의 수명을 연장한 사례가 보고된 바 있다 ^[3].

그림 5. 구성요소 교체를 통한 GIS의 수명연장 사례

Fig. 5. Case of life extension on GIS through replacement of component

4.1 노후 GIS

그림 8에는 1994년에 제작되어 약 27년간 운전된 후 철거된 노후 GIS의 모습을 나타내었으며, 표 1에는 노후 GIS의 사양을 나타내었다. 또한, 표 2에는 수거한 O-ring의 정보를 나타내었으며, 그림 9에는 O-ring을 수거한 실제 개소를 표시하였다. 수거한 O-ring의 재질은 NBR (Nitrile Butadiene Rubber)이고 경도 (Hardness, HS)는 70 HS이었으며, 5가지 Type으로 분류된다. Type 1, 2, 3, 5번 O-ring은 차단기를 제외한 각 부분에 부착되어 계기압 0.8 bar의 압력 조건에서 사용되었으며, Type 4번 O-ring은 차단기의 아크 소호 챔버에 부착되어 계기압 6.5 bar의 압력 조건에서 사용되었다.

그림 8. 옥내용 노후 GIS

Fig. 8. Obsolescent indoor GIS

그림 9. O-ring 수거 개소

Fig. 9. O-ring collected points

4.2 노후 GIS O-ring의 열화 특성 평가

O-ring의 건전도를 도출하기에 앞서 열화 특성을 평가하였다. 정량적인 열화 특성을 도출하기 위한 방법으로 영구 압축 변형률 (Compression Set, CS)을 측정하였다. O-ring의 CS 값이 80 %를 초과할 때, O-ring의 기밀 성능을 신뢰할 수 없다는 연구들이 보고되고 있다 [8,10,19,20]. CS는 O-ring이 압축된 이후에 원래의 두께로 복원되지 못하는 비율을 의미한다. 이외에도 경도, 인장강도 (Tensile Strength, TS), 연신율 (Elongation, EL) 측정, 그리고 FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석을 통해 정성적 평가를 수행하였다. 경도는 O-ring의 기계적 변형 저항력, 인장강도는 인장하중에 의한 파단 시 최대 응력, 연신율은 인장하중에 의한 신장 정도를 각각 나타낸다. O-ring의 재질인 NBR과 같은 고분자 물질의 노후화는 산화의 정도로 정의할 수 있으며, FT-IR 분석을 통해 Carbonyl 작용기에 해당하는 약 1850~1650 cm-1의 Peak 강도를 관측함으로써 그 정도를 확인할 수 있다 ^[21].

식 (1)에 CS의 계산식을 나타내었으며, 그림 10에는 CS 계산을 위한 매개변수를 시각화하였다. CS 계산식은 ASTM D395 및 일본 전기협동연구 70권 2호를 기반으로 하였으며, O-ring의 두께 측정은 Mitutoyo CD-182-30 모델을 사용하였다 ^[22].

그림 11에 O-ring의 열화 특성 평가를 위한 HS, TS, EL 및 FT-IR 분석에 사용한 장비를 나타내었다. HS 측정은 찬주테크(주) HT-6510 모델을 사용하였고 ASTM D1414를 준용하여 측정하였다. TS 및 EL 측정은 Shimadzu AG-250kNX 모델을 사용하였고 ASTM D2702를 준용하여 표점 거리 50 mm, 인장 속도는 300 mm/min으로 설정하였다. FT-IR 분석은 Agilent Technologies Cary 660 모델을 사용하였고 ASTM D2240을 준용하여 그림 12와 같이 O-ring의 내부에 대해 4000~650 cm-1 영역에서 4 cm-1의 분해능으로 32번의 스캔을 수행하였다.

그림 10. CS 측정 매개변수

Fig. 10. CS measurement parameters

그림 11. 열화 인자 측정 장비

Fig. 11. Degradation factors measuring equipments

그림 12. O-ring의 FT-IR 분석 위치

Fig. 12. FT-IR analysis point of O-ring

그림 13. Type 5 O-ring의 FT-IR 분석 결과

Fig. 13. FT-IR analysis result of type 5 O-ring

표 3과 4에는 각각 신품과 노후품의 Type 별 CS, HS, TS 및 EL의 측정 결과를 나타내었으며, 그림 13에는 Type 5에 대한 FT-IR 분석 결과를 예시로 나타내었다. Type 4의 경우에는 추후 기밀시험을 위해 O-ring을 파단해야 하는 TS, EL, FT-IR 분석은 수행하지 않았다. CS는 각 O-ring의 Type 별로 4~10회 반복 측정한 결과값의 평균을 사용하였으며, TS와 EL은 2~4회 반복 측정한 결과값의 평균을 사용하였다.

노후 GIS O-ring의 열화 특성 평가 결과를 다음과 같이 요약하여 정리하였다.

① CS 측정 결과를 통해 각 O-ring 샘플의 CS 측정값은 12.0~35.1 % 사이로 나타났으며, Type 2의 열화도가 가장 낮음을 확인하였다. Type 2는 피뢰기 탱크부의 점검창에 부착되는 O-ring으로, 점검창 개방 시 교체되어 다른 Type에 비해 사용년수가 적기 때문에 열화도가 낮은 것으로 추정된다. Type 3, 4, 5의 사용년수를 동일하다고 가정했을 때 각 Type의 CS가 상이함을 확인하였으며, Type 3의 열화도가 가장 높았다. 이와 같은 결과는 옥내에서 사용되어 각 부분의 일조량이 동일함을 고려할 때 해당 Type의 CS 측정값 차이는 볼트 체결부의 체결 토크가 상이함에 따라 발생한 결과로 추정된다.

② 경도 측정 결과를 통해 신품 대비 최대 9.4 %의 경화가 진행됨을 확인하였다. 제조사가 제시한 신품 O-ring의 경도 공차가 ±7.1 %인 것을 고려할 때, 노후화에 따른 경화 정도는 크게 우려할 수준이 아닌 것으로 판단된다.

③ 인장강도 및 연신율 측정 결과를 통해 일부 O-ring은 신품과 유사하거나 심지어 신품보다 더 우수한 인장 특성을 보임을 확인하였다. 이는 경화 과정 중 인장강도가 소폭 증가한 것으로 해석될 수 있다 ^[23]. 연신율 측정 결과에서 100 %를 초과하는 값들이 관찰되었으며, 이는 노후 GIS O-ring이 여전히 건전한 신장 특성을 유지하고 있음을 나타낸다.

④ FT-IR 분석 결과, Carbonyl 작용기의 Peak 값이 미미하게 나타난 것으로 보아 O-ring의 산화 정도가 미약함을 확인할 수 있다. 이는 O-ring의 화학적 안정성이 높음을 나타내며, 플랜지 면과의 밀착되는 구조로 인해 산화가 어려웠을 것으로 추정된다 ^[20].

4.3 노후 GIS O-ring의 건전도 평가

그림 14에는 노후 GIS O-ring의 건전도 평가 결과를 나타내었다. 현재까지 O-ring의 HS, TS 및 EL의 열화 정도가 GIS의 가스 기밀 신뢰성에 미치는 영향은 보고된 바 없으므로 건전도 평가 인자는 CS를 중심으로 하였다. CS 측정값 중 가장 높은 값은 35.1 %이므로 GIS의 기밀 성능 측면에서 본 연구에 사용된 O-ring의 건전도는 ‘매우 양호’ 등급으로 도출되었다.

그림 14. 노후 GIS O-ring의 CS 측정 결과

Fig. 14. Measurement results of CS for Obsolescent GIS O-rings

4.4 결과 고찰

노후 GIS O-ring의 건전도 평가에 있어서 Type 1의 경우, 다른 Type에 비해 공칭 두께가 2배 이상 작은 2.4 mm이므로 0.5 mm 오측정 시 약 75 %의 CS 측정 오차가 발생할 수 있다. 기밀 신뢰성을 보장하기 위한 CS 한계값은 80 %이므로 Type 1에 대해서는 건전도 평가 결과치의 유효성을 보장하는 것이 어려울 수 있을 것으로 생각된다.

본 연구로부터 HS, TS 및 EL과 CS의 상관관계를 도출하기 어려운데, 이는 상관관계 분석에 가용할 수 있는 데이터 수량의 부족에 기인한 것으로 판단된다. 이는 추후 지속적인 노후 GIS 샘플의 확보를 통한 열화 특성 평가로 극복이 가능할 것으로 판단되며, 충분한 데이터가 축적되는 경우 각 열화 인자 간 상관관계 분석과 HS, TS 및 EL이 기밀 신뢰성에 미치는 영향 또한 분석이 가능할 수 있을 것으로 판단된다. 이와 더불어, 본 연구 결과로 제시된 그림 14의 건전도 구간 값을 보정해야 할 필요성이 있으므로 향후 지속적인 샘플의 확보를 통해 추가적으로 분석할 계획이다.

노후 GIS O-ring의 CS, HS, TS, EL 특성을 확인함으로써 O-ring이 가지는 기능적 측면에서의 건전성을 확인하였으며, 건전도 평가 결과 ‘매우 양호’ 등급에 해당함을 확인하였다. 이를 바탕으로 노후 GIS의 부품 단위 수명 관리와 재료 선택 및 유지보수 전략 수립에 중요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 1건의 노후 GIS 시스템의 O-ring에 대한 평가로 한정되어 있지만, 실제 27년간 운전된 옥내용 노후 GIS O-ring의 건전도를 평가함으로써 열화 상태에 대한 포괄적인 이해를 제공하고 열화 데이터를 활용한 O-ring의 효율적인 교체주기 선정의 초석을 다지는 데 있어 중요한 의미를 가질 수 있을 것이다.