1. 서 론

전력설비 운영의 가장 중요한 임무는 정전없는 양질의 전력을 안정적으로 공급하는 것이라고 할 수 있다. 전력공급에는 복잡한 설비로 구성된 여러 단계의 과정을 거치게 되는데, 이 중 중간 단계에 해당하는 변전소(실)의 역할은 공급신뢰도에 중요한 역할을 담당하고 있다. 따라서 변전설비운영의 신뢰도를 향상시키기 위해 설비에 대한 예방점검,

보수, 교체 등의 많은 노력을 기울이고 있다.

그러나 우리가 사용하고 있는 설비들은 완벽하지 않기 때문에 무고장 운영을 실현하기에는 어려운 것이 사실이다.  모든 설비는 성능보장을 위한 수명이 정해져 있으므로 시간의 경과에 따라 노후되며, 그 결과로서 자연히 설비의 동작신뢰도도 저하되어 간다고 할 수 있다.

현재 국내 변전설비에 관련한 고장률data는 김광화4) 의 연구자료외에는 알려진 것이 없다. 이 자료 역시 조사대상기기 수의 불충분과 제작사의 다양화로 data의 신뢰성이 낮다고 볼 수 있으며 개개의 변전설비 고장률data를 이용한 변전소전체에 대한 신뢰도 분석 사례도 없는 것으로 판단된다. 만약 변전소전체의 신뢰도를 모른다면 지금 운영되고 있는 시스템(변전소)이 어떤 고장확률조건에서 관리 운영되고 있는지를 모르고 있는 경우와 같다고 할 수 있다. 이것은 설비운영관리에 있어 비효율성이 상존할 우려가 크다는 것을 의미하는 것이다. 즉 경제적인 정비(보수)주기의 기준선정이 곤란하므로 설비의 유지보수시 중복투자가 발생할 수 있다.

이와  같은 문제점을 해소하기 위해서는 우선 시스템전체에 대한 신뢰도 산출이 필요한데, 본 연구에서는 한전의 154KV급 배전변전소를 대상으로 하여, 먼저 신뢰도 블록다이그램을 구성하고  여기에 각각의 설비고장률을 대입하여 고장목 분석(FTA:Fault Tree Analysis)기법으로 시스템전체에 대한 신뢰도를 산출하는 방법을 택하였다.

본 연구의 목적은 먼저  각 설비의 수명특성에 따른 고장확률에 의해 고장이 발생하는 것으로 가정하고 이 고장확률을 근거로 시스템에 대한 신뢰도를 구함으로써, 시스템의 현재 신뢰도와 신뢰도 저하의 주요원인(요인)을  분석하여 이를 개선코자하는 것이며, 또  신뢰도향상을 위해 선택된 몇 가지 개선방안에 대한 비용검토를 통하여 그 중 가장 경제적인 방안을 선택하고자 하는 것이다.

2. 154kV 배전변전소

가. 주요 설비별 기능

본 연구에 적용된 변전소는 154kv급 변전소로서 계통도는 <그림 1>과 같다.  변전소는 일반적으로 송전단으로부터 공급받은 높은 전압을 보다 낮은 전압으로 변환하여 전력을 공급하는 일종의 변환소와 같은 역할을 하고 있다고 할 수 있다. 이런 역할을 원할히 수행하기 위해서 많은 설비가 조합되어 운영되고 있는데 주요 기본적인 설비로서 변압기(Main transformer : Mtr), 차단기(Circuit Breaker:CB), 단로기(Line Switch : LS or Disconnecting Switch:DS), 모선(Bus), 피뢰기(Lightnig Arrester:LA), 계기용변압기 (Potential Transeformer:PT), 계기용변류기(Current transformer:CT), 보호계전기(Protective Relay: Ry)등으로 구성되어 있다. 각각의 기능을 간략히 설명하면, 먼저 변압기는 어떤 회로로부터 교류전력을 받아 전자유

도작용에 의해 이것을 더 높거나 낮은 전압으로 변환하여 다른 어떤 회로로 전력을 공급해주는 장치이다. 차단기는 정상상태에서 전류의 흐름을  전달 개, 폐하여 주는 장치로 회로의 단락과 같은 비정상상태에서 전류를 끊고 또는 규정된 시간 동안에 전류를 흘려주거나 연결하여 주는 장치로 정의 할 수 있다. 단로기는 전력계통의 회로에서 변전설비 또는 선로(線路)의 점검·보수를 위하여 무부하상태에서 선로(線路)를 분리하거나 모선(母線)을 변경하기 위해 사용되는 장치로서 차단기와 단로기를 통합하여 개폐장치라고도 부르고 있다.

모선(母線)은 전력계통의 연계역할을 담당

하는 설비로서 전력의 집중 및 배분하는 곳

으로 여기에는 변압기, 송배전선, 또는 조상

설비등이 연결되어지는 도체로 구성되어 있

다.  피뢰기는 변전소 외부의 송전선을 통해

유입되는 뇌의 이상전압이나 개폐시의 이상전압에 의해 전력설비의 절연파괴가 발생하지 않도록 발생이상전압을 대지로 흘려주는 역할을 하는 장치이다.

전력계통은 고전압 대전류 회로가 대부분이다. 전력계통의 보호나 계측을 위해서는 고전 압 또는 대전류를 일정한 비율의 저전압, 소전류로 변환하여 사용하는 것이 필요하다.  이때 전압을 변화시키는 것을 계기용변압기라 하고 전류를 변화시키는 장치를 계기용변류기라 한다. 한편 전력계통에서 □무언의 초

병(Silent Sentinels)"이라고 불리는 장치로 보호계전기가 있는데 이것은 변압기, 모선, 선로 및 기타 전력계통의 구성요소를 항상 감시하여 이들이 고장이 발생하던가 계통운전에 이상이 있을시는 즉시 이를 검출, 동작하여 고장부분을 분리시킴으로서 전력공급지장을 방지하고 고장기기나 시설의 손상을 최소한으로 억제하는 기능을 담당하고 있으며 이 장치는 계기용변압기 및 계기용변류기와 조합되어 사용된다.

나. 배전선로 전력공급 개요

전력공급은 <그림 1>과 같이 송전선로

(154kV #1, 2T/L)로부터 154kV의 2중모선으로 전력을 공급한다. 이때 #1 송전선로(T/L)

의 전력은 #1 모선(BUS)으로, #2 송전선로의 전력은 #2모선(BUS)으로 공급되며 모선연락차단기(B.T: BusTie CB)에 의해  서로 연결된다.  154kV측 모선은 위 그림과 같이 2중모선으로 구성되어 있는데 2중모선은 단모선에 대한 리던던스의 개념으로 운영된다고 볼 수 있다. 여기에 #1, 2두대의 주변압기(Mtr)는 각각 #1, 2모선에 접속되고 변압기의 1차 차단기를 통해 154kV의 전압을 공급받게 된다. 154kV의 전압을 22.9kV로 강하시켜 변압기의 2차 차단기를  거쳐 22.9kV 모선(BUS)에 전력을 전달하게 되며 이 모선에 접속된 차단기를 통해서 배전선로(Feeder)에 22.9KV의 전력을 공급하게 된다. 그리고  22.9kV의 모선구분차단기(Section CB)에 의해 배전선로의 전력공급원이 #1주변압기 인지 아니면 #2주변압기 인지를 구분한다.

<그림 1>에서의 모선구분차단기는 상시 열려있는 상태를 나타내고 있는 경우이므로 이때의 Feeder에 대한 전력공급은  #1 주변압기가 행하고 있음을 나타내고 있다.

그러나 본 연구에서는 정전시간을  22.9kV 측 모선연결차단기의 절체시간(즉, #1주변압기가 어떤 고장으로 부하를 공급하지 못할 때 즉시 Sec CB가 닫혀지는 것으로 가정)보다 긴 것으로 하여  Feeder는 <그림 2>같이 평상시 #1, 2 두 대의 주변압기(MTR)로부터 동시에 전력을 공급받는 것으로 가정하였다.

3. 변전소의 신뢰성 Block         Diagram

신뢰성분석을 위한 시스템은  <그림 2>를 기준으로 하여 다시 <그림 3>과 같이 구성하였다.  설비 또는 부품에 대한 기본사상을 31개로 구성하고 이것을 7개의 서브시스템 즉, 중간사상(Ra, R1, R2, R3, R4, R5, Rb)으로 그룹핑하였다.  <그림 3>의 Block Diagram에서 사상 은 #1, 2T/L(송전선로)을 보호하는 각각의 보호계전기(Ry)가 동시에 오동작하여 변전소전체가 정전되는 경우이며,  사상은 154kV측의 모선(Bus)에 고장발생시 모선에 관련된 차단기를 전부 차단시켜서 계통을 보호하는 모선보호계전기(BUS PRO Ry)가 #1, 2동시에 오동작하여 변전소전체가 정전되는 경우를 나타낸다.      의 BUS PT는 154kV의 전압을 110V정도의 낮은 전압으로 변환시켜 계측이나 보호계전기의 동작전원으로 공급하는 장치로서 #1, 2가 동시고장의 경우이다. 그리고      의 LA동시고장은 154kV의 #1, 2모선을 이상전압으로부터 보호하기 위해 #1, 2모선에 각각 설치된 피뢰기의 고장을 나타낸다.  <그림 3>의 7개의 서브시스템  Ra, R1, R2, R3, R4, R5, Rb  가운데 R1∼R5 5개의 서브시스템은 브리지(Bridge)형태로 구성되어 있다.

또 Feeder측의 서브시스템 즉, 중간사상 Rb는 주변압기에서 출력된 22.9kV전압을 110V로 변환하여 계측기에 공급해주는 장치인 PT가 #1, 2동시에 고장나는 경우 , Feeder측 배전선로의 고장발생시 고장으로부터 Feeder를 분리하는 보호계전기(Ry)의 오동작  과 Feeder측의 공급설비 전원측 LS  , Feeder의 차단기 , Feeder의 최종 부하측 설비 LS 로 구성되어 있다.

<그림 3>의 신뢰성 Block Diagram을 등가 블록 다이어그램으로 나타내면 <그림 4>와 같고 이 시스템의 고장목(FT)은 <그림 5>와 같다.

4. 변전소의 신뢰성

가. 변전소 주요설비의 고장률

□81∼ □93 동안의 ○○전력회사의 주요 변전기기의 사고건수는 총 356건으로서 이중 변압기 고장이 223건(63%), 차단기(GIS 포함) 50건(14%), 피뢰기 58건(16%), 기타 25건(16%)으로 나타났다.

국내에서 운전되고 있는 변압기의 최소 5년간 고장률을 누적파괴확률 63.2% 해당기간을 기준으로 국산변압기 698대에 대한 수명특성은 33.7년이고 외산변압기 94대에 대한 수명특성은 55년으로 국산변압기의 수명특성은 외산변압기의 61.3% 수준을 나타내고 있으며, 국내변압기 전체에 대한 평균 수명특성은 42년으로 계산되고 있다.

변압기 사용기간 10년을 기준으로 하여 변압기의 고장 유형을 구분해 보면 설비불안전사고의 72%와 가스분석 요주의 발생은 10년이내 변압기에서 많이 나타나고 자연열화사고의 81%는 10년 이상된 변압기에서 많이 나타나는 것으로 분석되었다.

한편 차단기의 경우는 □84 ∼ □93년 동안 발생된 32건의 고장중 고장내역 및 이력이 조사된 16대(평균운전년수 : 11.8년)에 대한 수명특성(Weibull분석)은 581년인 것으로 조사되었다. 차단기의 경우는 변압기에 비하면 열화가 없는 것으로 볼 수 있는데 이는 분석을 위한 DATA의 수가 부족한 것이 원인인 것으로 판단된다.

현재까지 국내에서는 변전설비에 대한 고장률 데이터관리가 거의 이루어지지 않고 있

는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 <표 1>과 같이 미군사 자료집의 고장률 데이터를 참고하고, 고장률 계산시점의 사용시간은 10년(87,600h)으로 하여 데이터를 구하였다.

나. 서브시스템 고장목분석

변전소의 신뢰성을 예측하기 위해 <그림 5>에 대한 중간사상별(서브시스템)  FT도를 다음과 같이 구성하고 각 부품 또는 설비의 신뢰도 및 불신뢰도는 <표 2>의 값을 사용하였다.

1)  #1,2 T/L(송전선로) 보호계전기              (Ry) 동시 오동작 (  )

송전선로 보호계전기(Ry)의 동작은 전압형과 전류형 요소가 같이 동작될 경우 발생한다. 전류형 보호계전기는 3상 중 어느 한 상만 고장이 발생되더라도 동작된다.

2) 154kV #1, 2BUS PRO Ry(모선보         호계전기) 동시 오동작 (  )

154kV 모선보호계전기도 전압source 와 전류source가 동시 응동할 때만이 동작되며,  87B1은 #1, 87B2는 #2모선보호용 비율차동계전기를 의미한다.

3) 154kV #1, 2BUS PT동시고장

(  )

4) 154kV #1, 2 BUS LA 동시고장

(  )

5) 154kV #1 T/L(송전선로)측 설비          고장 (중간사상: R1, R2, R3)

송전선로측의 설비는 <그림 1>에서와 같이 송전선 인출 단로기(LS)와 차단기(CB), 그리고 모선용 단로기(LS)로 구성되어 있다. #2T/L과 154kV BUS TIE측 은 #1T/L측 설비와 같은 구조이므로 신뢰도는 각각 동일한 값이  된다.

6) Feeder측 고장발생 (중간사상: Rb)

Feeder측의 기본사상(부품/설비)은 배전선로의 고장발생시 이를 감지하여 Feeder를 계통으로부터 분리하는 보호계전기, Feeder용 차단기(CB)와 앞뒤의 단로기(LS)로 각기 구성되어 있으며 이들은 고장발생에 모두 OR조건이다.

7) 주변압기(Main Transformer:MTR

)측 정전발생(중간사상: R4, R5)

MTR측 사상의 정전발생확률은 다른 서브시스템에 비해 더 높다. 이것은 위 그림과 같이 MTR에 관련된 부속설비가 다른 사상들에 비해 많기 때문이다. 우선 MTR의 앞 뒤에 설치된 차단기(CB) 및 단로기(LS)와 그리고  MTR을 어떤 고장으로부터 보호하기 위한 각종 보호계전기(MTR Ry)로 구성되어 있다. 아래그림의 10개 기본사상들은 MTR에 대해 모두 OR조건으로 운영된다.

다. 브리지시스템(Rs)의 신뢰도계산

라. 변전소 신뢰도 계산

변전소의 전체 신뢰도는 위의 FTA분석 결과에서 얻어진 <표 2>사상별 신뢰도값를 아래의 등가블럭도에 기입하고 브리지

(Bridge)구조 시스템에 대해 신뢰도를 계산한 후 R total 에 대입하므로써 시스템의 전체 신뢰도를 구한다.

지금까지 FTA분석을 통해 산출된 변전소의 Feeder공급점에 대한 신뢰도는 52.6%인

것으로 나타났다. 이는 수리, 교체등을 실시

하지 않고 10년동안 운전한 변전소에서 고장없이 Feeder에 부하를 공급할 확률을 의미

하며 반대로 Feeder의 부하공급에 실패(정

전)할 확률도 47.4%라는 것을 의미한다.

위의 분석 결과에서 시스템의 신뢰도 저하에 높은 비중을 점유하고 있는 부분(사상)은 변압기 부분(R4, R5)으로 나타나고 있으며,  R4, R5의 기본사상중에 보호계전기(Ry)오동작이 집중 개선대상( MTR 보호계전기 오동작 확률: R4, R5 각각에 대해 18.9%∼22.3%점유)으로 제시되고 있다.

따라서 본 연구에서는 변전소의 신뢰도를 높이기 위한 대책으로 < 표 3 >과 같이 3가지 개선방안을 제시하고 이들 각 개선방안에 대한 신뢰도와 경제성 검토를 실시하였다.

5. 신뢰도 개선방안과 경제성 검토

가. 신뢰도 개선방안

신뢰도 개선을 위해 아래 <표 3>과 같이 개선방안을 MTR 보호용 Ry교체, MTR 1, 2차 CB(차단기)교체, Feeder Ry 및 CB 교체의 3가지 방안에 대한 각각의 FTA를 실시하여  신뢰도를 계산하였다.

위의 3가지 개선방안 중에서 변압기(MTR) 보호계전기(Ry) 교체가 신뢰도 개선에 가장 효과적인 것으로 나타났다. 상기 방법 중에서 경제적 측면으로는 어떤 개선책이 효과적인지를 검토하기 위하여 <표 4>의 조건을 상정하여 검토하였다.

나. 손실비용 산정

과거의 고장형태를 가정하여 발생비율을 Ⅰ형  70%, Ⅱ형 20%, Ⅲ형을 10%로 하고  30건 발생시의 손실비용을 산정하면

E = 21건*105,000 + 6건*630,000 + 3건           *1,890,000 = 11,655,000원이 된다.

다. 개선방안에 대한 경제성 검토

교체설비 또는 부품의 비용을 아래와 같이 산정하고 개선방안별로 경제성을 검토한 결과 <표 5>와 같은 결과를 얻었다.

< 교체설비(부품) 가격산정 >

ㅇ  154kV CB(GCB) :  대당  1억 5천만원

ㅇ  22.9kV CB(VCB) : 대당 2천만원

ㅇ  과전류계전기(digital):3상용 대당 60만원

ㅇ  방출안전장치 : 50만원

6. 결 론

<표 3>과  <표 5>의 비교에서 신뢰도를 높이기 위한 시스템의 개선방안은 변압기측(R4, R5) 사상에서 이루어져야 할 것으로 나타났다. 개선방안중 먼저, 변압기 보호계전기( Ry)의 교체와 변압기측의 1, 2차 CB(차단기)를 교체하는 2가지 방법을 비교 할 때 Ry교체(개선방안 1)가 보다 경제적이며 신뢰도가 많이 향상된 것을 확인 할 수 있다. 즉, Ry교체의 경우 차단기교체(개선방안 2)보다

투자비용이 26배 적은 반면 신뢰도는 오히려 높은 27.2%이 것으로 나타났다. 반면

에 Feeder측의 개선방안으로 제시되었던 차단기(CB)와 보호계전기(Ry)교체의 경우는

변압기 보호계전기(Ry)의 교체에 비해서 경

ㅇ  B.H(브흐홀쯔) Ry : 120만원

ㅇ  변압기보호용 비율차동계전기(87) :

1상당 120만원

제적인 투자가 못되며 전체 신뢰도 향상에도 크게 기여하지 못한 것으로 나타났다.

지금까지의  FTA분석 절차를 정리해보면

첫째, 시스템의 각 요소(설비 또는 부품)별로 신뢰도를 결정한 후 시스템 전체에 대한 신뢰도를 FTA로 분석하고,

둘째, FTA분석과정에서 나타난 중점개선

대상설비(또는 부품)를 몇 가지 이상 선정하

고 개선정도에 따른 신뢰도를 결정(□예□신품 교체시는 신뢰도 100%가정)하여 FTA를 재시행하므로서 <표3>과 같이 개선후의 시스템 신뢰도를 확인한다.

셋째, 신뢰도 유지와 비용수반은 비례 관계로 이해 될 수 있다. 즉 설비운영의 신뢰도 유지 수준에 따라 유지비용이 결정된다고 된다고 할 수 있으므로 경제성 검토가 필요하다.  따라서 <표5>와 같이 개선대책별로 경제성을 검토하여 적용효과와 신뢰도 향상치가 가장 큰 개선방안을 최종 결정하여 시스템에 적용한다.

위의 연구결과로부터 설비의 고장률 DATA를 이용한 FTA분석은 설비교체· 보수시 신뢰도를 개선한 설비가 전체시스템에 어느 정도의 신뢰도 개선효과를 가져오는지를 쉽게 파악할 수 있었고, 또 경제성검토를 통하여 우리가 우선적으로 개선할 설비를 파악할 수 있음으로 해서 보다 과학적이고 효율적인 설비의 운영(유지, 보수)을 할 수 있다는 것이다. 본 연구는 154kV급 변전소를 사례로 적용하였으나 소용량 수변전설비의 경우에도 같은 원리로 적용할 수 있다.

참고로 본 논문에서 제시되고 있는 결과치

들은 확률에 기초를 둔 수치들이다. 기본사

상(설비 또는 부품)의 고장률을 어떻게 선택

하는가에 따라 시스템의 신뢰도가 변하므로

실제와 본 연구의 결과치와는 차이가 있을

수 있음을 밝혀둔다.  신뢰성관리에 있어서 중요한 것은 설비의 고장률 데이터를 어떻게 얻는가 하는 것이다. 신뢰성 평가를 위해서는 설비의 고장발생시간, 예방정비시간, 수리시간, 교체된 설비(부품)의 특성수명 등에 대한 기록관리가 필수적이다. 따라서 평상시 설비운영 중에 얻어지는 데이터를 철저히 기록관리하고, 시스템에 대한 주기적인 신뢰도 분석을 통하여 설비의 중장기 보수계획수립에 이를 반영함으로써 효율적이고 경제적인 설비운영을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

<참고문헌>

1. 신뢰성 공학, 이상용(건국대), 형설출판사,     1996

2. 신뢰성 개론, 박경수(한국과학기술원), 영     지문화사, 1997

3. 신뢰성기법관리, 한전 중앙교육원, 1998

4. 우리나라 변전설비의 수명특성, 김광화(한     국전기연구소), 한전 서울연수원, 1997

5. Nonelectronic Parts Reliability Data,        Michael J, Reliability Analysis Center,      Fall 1985  (Ordering No. NPRD-3)