2.1 최대 허용온도(θmax)

과부하 허용 시간 산출의 절대적인 열적 한계 기준인 θmax는 IEC 62271-1:2017 Table 14에서 설비의 부위 및 재질별로 세분화되어 규정된다. 이 기준값은 접점 재료의 산화 특성, 절연물의 열화 메커니즘, 그리고 온도 변화에 따른 접촉 저항의 증가분을 종합적으로 고려하여 설정된다 ^[6]. 특히, 비산화성 가스인 SF6 환경(NOG: Non-Oxidizing Gas)에서는 공기(OG: Oxidizing Gas) 환경 대비 산화 억제 효과가 뛰어나기 때문에 상대적으로 더 높은 θmax를 허용한다. 362kV GIS 차단기(SF6 환경)의 과부하 계산에 적용되는 핵심 온도 기준값은 Table 1과 같다.

2.2 IEC 62271-306 수식 체계

국제 규격인 IEC TR 62271-306은 고압 차단기의 단시간 과부하 허용 운전 시간(ts)을 산출하기 위한 수식 체계를 제공하고 있다. 해당 규격은 기기의 열적 한계를 계산하기 위해 다음과 같은 개별적인 물리 법칙들을 산재하여 규정하고 있다.

2.3 열적 한계 도달 상태에서의 논리적 충돌

앞서 언급한 IEC TR 62271-306의 산출 수식을 EMS 등 실시간 제어 알고리즘에 직접 적용할 경우, 다음과 같은 심각한 시스템적 결함이 발생한다. 기기가 이미 열적 한계에 도달한 상태임에도 불구하고, 목표 과부하 전류가 안전선 이내로 입력되는 특수 조건에서 심각한 논리적 모순이 그것이다. 이 조건에서는 물리적으로 과부하 운전이 불가한 상황임에도 불구하고, 수식 연산 결과로는 연속 운전이 가능한 상황이 동시에 출력되는 논리적 충돌을 일으킨다. 이러한 시스템적 결함은 계통 보호 계전기의 오동작을 유발하여 전력망의 보호 신뢰도를 크게 저하시키는 원인이 된다.

3.1 온도 변수 약분을 통한 단순화 수식 산출

식 (4)에 산재되어 연산 부하를 가중시키는 복잡한 온도 변수(θmax, θr, θa)들을 식 (2)와 식 (3)을 이용하여 치환하면, 절대 기준 온도 변수인 θr과 정격 전류 Ir이 수학적으로 완벽하게 약분되어 소거된다. 결과적으로 실시간 측정 가능한 현장 데이터 기반의 전류값(Ia, Ii, Is)과 열 시상수(τ)만으로 ts를 도출할 수 있다.

3.2 3단계 판별 알고리즘

4.1 해외 TSO 과부하 운전 사례 및 동적 운영의 필요성

국내 345kV HCSC 도입에 따른 GIS의 실무적 과부하 운영 기준을 도출하기 위해, 우선 미국, 유럽, 일본 등 주요 해외 전력회사의 GIS 과부하 운전 사례를 조사하였다. 해외 선진 전력사들의 운영 사례를 분석한 결과, 계통의 신뢰성 확보를 위해 단일하고 고정된 허용 기준이 아닌, 다각적인 환경 변수를 고려한 유연한 운영 체계를 공통적으로 채택하고 있음을 확인하였다.

시간 및 심각도에 따른 비상 등급을 세분화한 미국 ISO-NE는 과부하의 지속 시간에 따라 단시간 극한 비상(STE)과 장시간 비상(LTE)으로 등급을 엄격히 구분하고 있으며 ^{[8- 10],} 유럽 RTE 및 Elia 역시 단시간(30분 이내)에 한정하여 125% 수준의 과부하를 허용하는 등 '시간에 기반한 제한(time-bound limits)'을 명확히 하고 있다 ^[11].

주변 환경 변화에 대한 실시간 추종을 수행하는 일본 TEPCO는 도심 밀집 지역의 GIS 운영 경험을 바탕으로, 일본 국가표준 JEC를 기반으로 하되 고정된 정격 용량이 아닌 주위 온도 변화를 적극적으로 반영하여 설비의 열적 한계를 동적으로 관리하는 사내 운영 기준을 병행 운용하고 있다 ^[12].

열적 안전성 미확보 시 즉각적인 차단을 수행하는 미국 ATC는 제조사의 비상 정격 데이터로 열적 안전성이 완벽히 입증되지 않은 경우, 과부하 운전 자체를 원천 불허하는 매우 보수적인 원칙을 명문화하여 기기 소손 위험을 차단하고 있다 ^[13].

영국 National Grid는 400kV GIS 설비에 대해 N-1 비상 조건에서의 과부하 운전 기준을 Grid Code에 명시하고 있으며, ENTSO-E 네트워크 코드 체계와 연계하여 운영하고 있다 ^{[11, 14]}.

해당 내용은 요약하여 Table 3에 정리하였다. 이러한 글로벌 운영 기조는 국내 HCSC 도입 계통에 시사하는 바가 크다. 즉, 특정 과부하율에 대해 고정된 허용 시간표를 부여하는 경직된 방식으로는 변화무쌍한 계통 비상 상황에 안전하게 대응할 수 없다. 따라서 ISO-NE의 시간 기반 등급화(STE/LTE), ^{[8, 9]} TEPCO의 온도 추종 특성, ^[12] 그리고 ATC의 원칙 ^[13] 을 모두 통합하여, 실시간 계통 변수에 따라 허용 시간을 능동적으로 계산해 내는 '동적 산출 알고리즘'의 도입이 필수적이다.

4.2 해외 사례 시사점을 반영한 과부하 운전 시간 동적 산출 체계

4.1절에서 고찰한 해외 선진 전력사들의 GIS 과부하 운영 철학은 크게 두 가지 시사점을 제공한다. 첫째, 미국 ISO-NE의 사례처럼 과부하의 심각도에 따라 비상 등급(STE, LTE 등)을 세분화하여 허용 시간을 엄격히 차등 관리해야 한다는 점이다. 둘째, 일본 TEPCO의 사례와 같이 기기 주변의 주위 온도(θa) 변화를 적극적으로 추종하여 설비의 열적 한계를 동적으로 모니터링해야 한다는 점이다.

본 연구는 이러한 해외의 '비상 등급 세분화' 및 '환경 온도 기반 동적 모니터링' 기조를 국내 HCSC 신전선 계통(120%~150% 과부하)에 실무적으로 접목하고자 한다. 이를 위해 특정 과부하율에 따라 고정된 허용 시간 테이블을 일괄적으로 제시하는 기존의 경직된 방식이 아닌, 대상 차단기의 물리적 특성과 실시간 계통 상태를 입력 변수로 직접 활용하는 동적 산출 체계를 제안한다 ^[15].

이는 동일한 수준의 극한 과부하 전류가 유입되더라도 차단기의 고유 사양(τ, 정격 전류 Ir), 유입 당시의 주변 온도(θa), 그리고 직전 부하 이력(Ii)에 따라 실제 기기가 견딜 수 있는 허용 시간(ts)이 상이해지는 물리적 현실을 EMS 제어 알고리즘에 정확히 반영하기 위함이다. 과부하 운전 시간 동적 산출을 위해 시스템이 수집 및 연산해야 하는 6가지 핵심 입력 변수의 정의는 Table 4과 같다.

제안 알고리즘은 EMS가 위 6개 변수를 실시간으로 입력받아, 3.1절의 단순화 수식과 3.2.2절의 판별 로직을 순서대로 적용하여 ts를 산출하는 구조로 구현된다. EMS는 계통 상태 변화(부하 전류 변동, 기상 예측 갱신)가 발생할 때마다 동적 허용 연속 전류(Ia)와 ts를 실시간 재계산하여 운전원에게 제공한다.

4.3 산출 사례 - 비상 등급 및 변수 조합별 과부하 허용 시간

제안 알고리즘이 해외 선진사 수준의 다단계 비상 상황(STE, LTE 등)을 어떻게 동적으로 방어해 내는지 구체적으로 검증하기 위해, 대표적인 변수 조합에 대한 ts 산출 결과를 Table 5에 제시한다. 모든 사례에서 θmax = 115 °C, θr = 75 K, Ir = 6,300 A를 적용하며, Ia는 식 (3)으로 동적 산출한다. Table 5는 동일한 과부하 전류(Is)에 대해서도 τ, θa, Ii의 조합에 따라 ts가 유연하게 변동됨을 보여주며, 단계별 고정 시간표 방식이 지닌 모니터링 한계를 직접적으로 확인시켜 준다.

Table 5의 산출 결과는 해외 선진사들이 겪는 고민(비상 상황의 세분화와 온도 관리)을 제안 알고리즘이 수학적으로 어떻게 해결하는지 명확히 보여준다. 사례 ①과 ②의 비교는 일본 TEPCO처럼 주변 온도를 실시간으로 추종할 때, 동계 환경(10°C)에서는 정적 시간표보다 2.36배 연장된 장시간 비상(LTE) 대응 시간(3.80h)을 확보할 수 있음을 증명한다. 사례 ①, ③, ④는 초기 부하(Ii)가 높을수록 잔여 열 여유가 감소하여 허용 시간이 단시간 비상 수준으로 급감함을 정량적으로 나타낸다.

특히 사례 ⑥은 본 알고리즘의 1순위 판별이 정상 작동한 결과로, 미국 ATC처럼 안전 마진이 확보되지 않은 위험 상황을 사전에 판단하여 즉각 과부하를 불허(ts=0)하는 보수적인 보호 능력을 입증한다. 결론적으로 본 연구의 동적 산출 알고리즘은 해외 규정의 단순한 차용을 넘어, 고정 시간표로는 표현할 수 없는 물리적 현실을 직접 반영함으로써 운전원이 더욱 신뢰성 있는 과부하 운전 판단을 내릴 수 있게 한다.