반응표면법 및 다목적유전자 알고리즘 기반 초고압 진공 인터럽터의 축자계 전극 형상 최적화 연구

Abstract

최근 급격한 산업화 및 도시화에 따른 전력수요 증가로 대용량의 전력전송을 위한 전력계통의 대용량 및 초고압화가 빠르게 진행되고 있다. 이와 더불어, 대용량 및 초고압 전력계통의 안정성 및 신뢰성 확보의 필요성이 요구됨에 따라 전력계통 내에서 과전류, 단락, 누전 및 지락사고로부터 계통을 차단 및 분리하여 계통의 부하기기 및 선로를 보호하는 차단기의 중요성이 증대되었다. 이에 따라, 우수한 차단 및 절연성능을 갖는 초고압 SF6 가스 차단기 개발이 진행되었으며, 최근까지도 SF6 가스 차단기는 대용량 및 초고압 전력계통을 구성하는 핵심 전력기기로 활용되고 있다. 하지만, 전 세계적으로 지구온난화 문제가 대두되면서 초고압 가스 차단기의 주요 아크소호 및 절연매질인 SF6 가스 사용량을 규제하고 있는 실정이다. 이러한 SF6 가스 사용량 규제책에 대응하기 위해 차단기 분야에서는 초고압 SF6 가스 차단기의 아크소호 및 절연 매질을 친환경 가스로 대체하기 위한 연구에 착수하여 이와 관련된 다수의 연구 및 프로젝트들을 진행하고 있다. 현재 SF6 가스를 대체한 초고압 친환경 차단기 연구는 크게 두 가지 흐름을 따르고 있다. 첫 번째는 SF6 가스 대신 친환경 가스를 차단기의 아크소호 및 절연매질로 사용하는 방식이며, 두 번째는 차단기의 차단부는 진공 인터럽터를 이용하고 나머지 부분은 친환경 가스로 절연하는 방식이다. 친환경 가스를 차단기의 아크소호 및 절연매질로 적용하는 첫 번째 방식의 경우, 선진사를 통해 관련된 연구 및 적용사례가 보고되고 있지만 아직까지 아크소호 매질로서 친환경 가스가 갖는 한계점으로 인해 초고압 친환경 가스 차단기 개발에 있어 관련 기술을 적용하기에는 신뢰성이 부족한 실정이다. 개폐장치의 차단부는 진공 인터럽터를 외부절연매질로는 친환경 가스를 적용하는 두 번째 방식의 경우, 선진사를 통해 관련된 연구 및 적용사례가 활발하게 보고되고 있으며 초고압 친환경 가스 차단기 개발에 있어 가장 신뢰성 있는 방식으로 주목받고 있다. 이에 따라, 최근까지 중저압 계통에 주로 적용되었던 진공 인터럽터의 적용 범위가 초고압 계통까지 확대되고 있으며 진공 인터럽터의 초고압화를 위한 차단 및 절연성능 확보 기술의 중요성이 증대되고 있는 실정이다. 초고압 진공 인터럽터 개발에 있어 필요한 연구는 크게 차단성능을 확보하기 위한 진공 인터럽터 전극 형상설계 연구와 절연성능을 확보하기 위한 진공 인터럽터 구조설계 연구로 구분된다. 일반적인 차단기들과 달리 진공 인터럽터의 전류 차단은 전극 형상에 의해 형성된 자계에 의한 아크제어를 통해 이루어지며, 아크제어 방식에 따라 크게 횡자계 방식과 축자계 방식으로 구분된다. 즉, 진공 인터럽터에 있어 전극 형상은 진공 인터럽터의 전류차단 특성에 지배적인 영향을 미치는 요인이므로 진공 인터럽터 개발에 있어 전극 형상 설계 연구는 매우 중요하다. 본 연구에서는 170 kV 50 kA 정격의 초고압 진공 인터럽터 개발을 위해 기존 축자계 전극과 달리 축자계의 발생을 담당하는 코일부를 2단으로 적층한 새로운 축자계 전극 형상을 제시하였다. 새로운 축자계 전극 형상에 대한 자계 특성 도출과 기존 축자계 전극 형상(Coil type, Cup type)과의 자계 특성 비교를 통해 170 kV 50 kA 정격의 초고압 진공 인터럽터 전극으로서의 적용 가능성을 평가하였다. 또한, 170 kV 50 kA 초고압 진공 인터럽터의 차단 성능 향상을 위해 반응표면법 및 다목적유전자 알고리즘에 기반한 본 연구에서 제시한 새로운 전극 형상의 최적화를 수행하였으며 기본 전극에 비해 차단 성능이 향상된 전극 형상을 도출하였다. 본 연구 결과는 추후 국내 초고압 진공 인터럽터 개발에 필요한 기초 자료로 활용 될 수 있을 것으로 사료된다.