GIS 예방진단

왜 배우는가: GIS는 변전설비의 핵심 기기로, 내부 절연 결함은 육안으로 확인하기 어려워 운전 중 상태를 진단하는 기술이 필수다. 부분방전 진단은 고장 이전 단계의 징후를 잡아내므로 예방정비와 설비 신뢰도 확보의 기준이 되어 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제125회 2교시 6번, 제92회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

GIS 예방진단은 충전 상태에서 절연가스 내부의 부분방전과 열화 징후를 검출해 고장 전에 설비 상태를 판정하는 기술이다.

• GIS 예방진단
• 부분방전(PD, Partial Discharge)
• 열화 요인
• UHF 부분방전 검출
• SF6 가스 분석
• 온라인 진단

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, GIS 내부를 정전하지 않고 전기가 흐르는 상태에서 "이상이 생기기 직전의 신호"를 찾는 일이다. GIS는 금속 외함 안에 도체와 절연 스페이서를 넣고 SF6 가스로 절연한 설비라서, 안을 직접 볼 수 없다. 그래서 신호로 판단한다.

정식으로는 부분방전(PD, Partial Discharge)을 기준으로 한다. 부분방전은 절연물 내부의 보이드나 공극, 또는 금속 돌기처럼 전계가 불균일한 곳에서 국부적으로 일어나는 방전이다. 절연 전체가 파괴되기 전 단계의 현상이며, 방전이 누적되면 절연 파괴로 진전한다. 방전 시 발생하는 전자파, 초음파, 과도대지전압(TEV), 고주파 전류 등을 검출하는 것이 진단의 출발점이다.

GIS의 열화 요인은 네 가지로 나눈다. 전기적 열화는 전계 집중에 의한 방전 열화이고, 기계적 열화는 반복 충격하중에 따른 응력 누적과 마모다. 열적 열화는 차단기 접점의 아크열로 생기는 마모와 패킹·절연물의 열화이며, 환경적 열화는 분해가스와 산화, 금속 표면 부식에 따른 열화다. 진단 기법은 이 열화 요인 중 어떤 현상을 잡는지에 따라 선택한다.

SF6 절연가스는 공기보다 절연 성능이 높아 GIS의 소형화를 가능하게 했다. 다만 가스 내부에서 방전이 생기면 분해가스가 발생하므로, 가스 성분 분석 자체도 중요한 진단 수단이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

변전소는 도심과 산업단지에 가까이 세워지면서 용지 면적이 제한되었다. 가스절연 방식의 GIS는 기존 기중절연(AIS) 변전소에 비해 설치 면적이 크게 줄어드는 장점이 있어, 도심 변전소에서 주로 채택된다. 면적이 작고 충전부가 밀폐 외함 안에 있으므로 외부 오염과 염해에서도 안정적이다.

그러나 밀폐 구조는 양면성을 가진다. 내부에서 부분방전이 일어나도 외부에서 보이지 않고, 고장이 나면 외함을 열어 복구해야 하므로 정전 범위와 복구 비용이 커진다. 또 이동 가능한 부품이 있는 차단기부는 기계적 열화와 접점 소모가 생긴다. 이런 이유로 정기 점검만으로는 결함을 놓칠 수 있어, 운전 중 상태를 계속 감시하는 온라인 예방진단의 필요성이 커졌다.

온라인 진단은 설비를 정지하지 않고 결함을 찾으므로 정전에 따른 손실을 줄인다. 부분방전 신호의 추이를 장기간 관리하면 결함의 진행 속도를 판단할 수 있어, 교체 시기와 점검 주기를 근거 있게 정할 수 있다. 이 점이 예방진단이 기존 주기 점검을 보완하는 핵심 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

GIS 예방진단은 내부 절연 결함이 만드는 부분방전(Partial Discharge, PD) 신호와 가스·열 변화를 활선 상태에서 검출하는 체계다. 센서, 신호처리부, 진단 판정부로 구성된다.

PD는 절연물 내부의 보이드나 공극에 전계가 집중될 때 생긴다. 방전 한 번마다 짧은 펄스가 발생하고, 이 펄스는 전자파와 음향을 함께 만든다. 두 신호를 동시에 측정하면 결함 종류를 구분하기 쉽다. 전하량은 겉보기 전하량(pC) 으로 나타내며, 위상별 분포(PRPD)로 결함 형태를 판단한다.

UHF 전자파는 GIS 내부 PD를 활선 상태에서 검출하는 대표 기법이다.

절차는 다음과 같다.

• 센서를 GIS 외함의 점검창, 접지 경로, 맨홀 등 설치 위치에 부착한다.
• 배경 잡음을 측정하고 필터 대역을 설정한다.
• UHF·AE·TEV 신호를 동시에 수집하고 시간 기록을 남긴다.
• 신호의 세기, 반복률, 위상 분포를 분석해 PD 여부를 판정한다.
• 결과를 정상·주의·위험 단계로 나누고 점검 주기를 정한다.
• 가스 수분·분해가스 측정 결과를 함께 검토해 열화 원인을 확인한다.

다음은 부분방전 신호의 기본 관계식이다.

$Q_{app}=\frac{\text{겉보기 전하량}}{}\ (\text{pC})$

Q_{app}은 측정되는 겉보기 방전 전하량(pC)이다. 실제 방전 전하량보다 작게 측정될 수 있으므로 교정 값과 함께 해석한다.

5. 관련 법령·기준·표준

GIS 예방진단은 국내 법정 기준보다 국제 측정 표준을 따르는 경우가 많다. 부분방전 측정의 기본 기준은 IEC 60270이다. 이 표준은 전하량(pC) 기준의 측정 방법과 교정 절차를 정한다. 전자기·음향 방법은 IEC/TS 62478(2016) 이 다룬다. 이 표준은 UHF와 AE 같은 비전기적 신호를 PD 진단에 쓰는 방법을 정리한다.

국내에서는 GIS 활선 점검을 위해 UHF 부분방전, AE, 활선 PD, SF6 수분 측정을 함께 실시한다. 154kV GIS와 변압기를 활선 상태에서 점검하는 사례가 보고되어 있다.

개정 연혁으로는 IEC/TS 62478이 2016년에 발행되어 전자기·음향 PD 측정의 기준으로 자리 잡았다. 국내 현장에서는 이 표준을 바탕으로 센서 배치와 판정 절차를 사업장별로 정한다. 기준 수치는 장비 제조사와 설계 조건에 따라 달라지므로 답안에는 표준 이름과 측정 원리를 중심으로 적는다.

판정은 단일 측정값보다 추이 변화로 내린다.

6. 유형과 비교

GIS 예방진단은 측정 원리와 설치 방식에 따라 크게 부분방전 측정, 누설전류 측정, 가스·열화 상태 감시로 나눈다. 세 방식은 측정 대상과 검출 주파수 대역이 달라 답안에서는 표로 구분해 쓴다.