변전기기 내진대책

왜 배우는가: 변전기기는 지진 시 파손되면 송전 신뢰도와 변전소 전체 기능에 큰 영향을 준다. 내진설계 개념은 발송배전 실무와 설계 검토에서 기본이며, 시험에서는 개요, 동적 내진설계 고려사항, 공진 회피와 부재 강화 대책을 묻는 방식으로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제108회 2교시 6번, 제102회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변전기기 내진대책은 지진에 의한 진동과 충격이 변압기·차단기·단로기 등 변전기기에 가해져도 구조적 손상과 기능 상실이 일어나지 않도록 설계, 설치, 고정 방법을 정하는 것이다.

변전기기 내진대책은 지진동에 의한 구조적 파손과 동작 불능을 막기 위한 설계·설치·고정 대책이다.

핵심 키워드

• 내진설계
• 지진응답해석
• 설계응답스펙트럼
• 공진 회피
• 부재 강화
• 구조적 건전성(structural integrity)
• 작동성(operability)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 지진이 오면 기기가 흔들리는데 그 흔들림을 견디도록 미리 계산하고 튼튼하게 만드는 일이다. 변전소의 기기는 무겁고 높이가 있어 흔들림이 증폭되기 쉽다. 그래서 기기 자체뿐 아니라 받침대, 앵커, 연결 도체까지 함께 검토한다.

정식 정의는 다음과 같다. 내진설계는 지진에 의해 기기에 발생하는 관성력과 변위를 구조해석으로 구하고, 그 응답에 대해 기기의 구조적 건전성(structural integrity)과 작동성(operability)을 만족하도록 설계하는 것이다. 여기서 구조적 건전성은 기기가 부서지거나 누설되지 않는 성질이고, 작동성은 지진 후에도 차단, 투입, 절연 기능이 유지되는 성질이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

설계응답스펙트럼은 지진동의 진동수 특성을 고유주기별 최대 응답으로 나타낸 그래프이다. 기기의 고유주기에 따라 받는 응답이 달라지므로 설계에서 기준이 된다.

지진응답해석은 설계지진을 입력하여 기기의 변위, 가속도, 부재력을 구하는 계산이다. 얻은 값은 자중·운전하중 등 다른 하중과 조합하여 설계에 반영한다.

입력지진은 최대 지진가속도, 설계응답스펙트럼, 지속시간으로 정의한다. 설계지진은 부지의 역사지진 기록과 지질·지체구조 특성을 조사하여 정한다.

설계기준지진 0.3g(신고리 3·4호기 이후 원자력 안전관련 시설 기준)

여기서 0.3g는 원자력 안전관련 시설의 사례이며, 변전기기에 그대로 적용하는 값이 아니라 설계 입력 수준의 예시로 이해한다.

3. 등장 배경과 필요성

지진은 발생 시점과 규모를 예측하기 어렵고, 한 번 발생하면 전력설비가 동시에 피해를 입는다. 변전소는 송전망의 결절점이므로 기기 한 대의 정지가 광역 정전으로 이어질 수 있다. 따라서 평상시 정격 기준만으로는 대응이 부족하여 지진하중을 별도 하중으로 고려하기 시작했다.

건축구조 분야에서도 풍하중과 지진하중의 성질 차이가 정리되었다. 풍하중은 외형과 외벽면에 비례하는 정역학적 하중으로 볼 수 있다. 반면 지진하중은 질량과 강성에 따른 관성력이며 지반 특성에 따라 크게 달라지는 동역학적 하중이다. 변전기기는 질량이 크고 상부가 높은 경우가 많아 관성력 영향이 크므로 동역학적 관점의 검토가 필요하다.

또한 지진 시 기기 고정부 파손, 애자 파손, 절연유 누설이 반복되어 보고되면서 내진 검증의 필요성이 커졌다. 기기의 내진 검증은 설계 단계에서 해석으로 확인하고, 제작 후에는 가진시험이나 실험으로 확인하는 방식으로 정리되었다.

4. 구성요소·원리·절차

변전기기 내진대책은 지진 시 기기에 작용하는 관성력을 줄이고, 기기 자체와 지지구조가 견디도록 설계하는 것이다. 기기는 변압기, 차단기, 단로기, 피뢰기, 변류기, 변성기, 애자형 지지물 등으로 구성되며, 각 기기의 질량과 강성에 따라 지진 응답이 달라진다.

주요 구성요소와 내진 관점의 특징은 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 지진 가속도 a가 기기 질량 m에 작용하면 관성력 F = m \cdot a가 생긴다. 기기 내부 응력은 이 힘과 지지부 강성으로 결정된다. 따라서 질량을 줄이거나 지지 강성을 높이는 것이 기본 대책이 된다. 또 고유 주기가 지진파의 우세 주기와 겹치면 응답이 커지므로, 고유 주기를 지진파 주기에서 떨어뜨리는 것이 핵심이다.

지진 응답은 관성력과 공진 여부로 결정되므로 공진 회피와 부재 강화가 두 축이다.

고유 주기는 근사적으로 T = 2\pi \sqrt{m/k}로 나타낸다. m은 기기 질량(kg), k는 지지 강성(N/m)이다. 강성을 높이거나 질량을 줄이면 T가 짧아진다. 설계 절차는 다음과 같다.

• 설치 부지의 설계지진(가속도, 응답스펙트럼)을 정한다.
• 기기별 질량, 중심 높이, 고유 주기를 계산하거나 시험으로 구한다.
• 등가정적해석 또는 동적해석으로 지진하중을 산정한다.
• 지진하중과 자중, 운전하중을 조합해 부재 응력과 변위를 구한다.
• 기초 앵커, 지지대, 애자 보강을 설계한다.
• 내진검증 시험으로 구조적 건전성과 작동성을 확인한다.

구조적 건전성과 작동성은 검증의 두 기준이다. 지진 후에도 기기가 파손되지 않고 계속 동작해야 한다.

이 절차를 한눈에 보이는 흐름도는 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

변전기기 내진설계는 국내 기준과 국제 시험기준을 함께 본다. 원자력 시설의 내진기준은 설계기준지진 크기를 정하는 기준으로 쓰이며, 변전설비에는 일반 건축·전기설비 기준과 IEEE 693 같은 기기 내진 시험 기준이 참고된다.

원자력 시설의 설계기준지진 기준값은 다음과 같다.

g는 중력가속도이며 기준값은 원자력 시설의 것이다. 일반 변전소 기기의 설계 가속도는 해당 부지 조건과 기준에 따라 별도로 정한다.

IEEE 693은 기기 내진 등급을 고, 중, 저 세 등급으로 나눈다. 등급은 기기가 수행해야 할 기능 수준과 부지 지진 위험도로 정한다. 시험 방법은 정적 해석, 응답스펙트럼 동적 해석, 시간이력 동적 해석으로 구분한다. 시험은 기기 고유 주기와 감쇠비를 측정해 응답을 평가한다.

내진 등급과 시험 방법은 IEEE 693 체계로 정하고, 원전 기준값은 별도로 적용한다.

국내 변전설비는 전기설비 기준과 건축·구조 설계기준을 함께 적용한다. 기초와 지지구조는 구조설계기준의 내진 설계 규정을 따른다.

6. 유형과 비교

변전기기 내진대책은 대상 기기의 고유 특성과 설치 조건에 따라 해석 방법과 보강 방법이 달라진다. 먼저 정적 내진설계와 동적 내진설계를 구분해야 한다. 정적 방식은 지진하중을 수평 정적하중으로 환산해 검토하고, 동적 방식은 기기의 고유진동수와 지진파의 주파수 성분을 비교해 응답을 구한다.

정적 방식은 계산이 간단하지만 고유진동수가 지진파 주파수대와 겹치는 기기를 놓칠 수 있다. 그래서 고중량 변전기기는 동적 해석으로 응답을 확인하는 것이 일반적이다.