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송전기기 유지보수를 위한 기기상태 추정 모델 개발
박근표
*, 허재행
*, 윤용태
*, 이상성
**서울대
*, 기초전력연구원
**Development of state modeling for transmission equipments
Geun-Pyo Park
*, Jae-Haeng Heo
*, Yong Tae Yoon
*, Sang-Seung Lee
**Seoul National University
*, KESRI
**Abstract -전력은 공공재화로서 광역정전이나 전역정전이 발생하면 전 력공급에 매우 심각한 문제가 발생하므로 이에 대한 합리적인 분석과 효과적인 대책 수립이 필요하다. 송전계통의 주 구성요소인 선로, 철탑, 변압기, 개폐장치들은 장기 사용에 따른 노후화와 같은 문제와 절연의 특성상 초고압전기 절연의 근원적 난점 등으로 다수의 절연파괴 고장이 불시에 발생하게 되어 전력공급의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 이와 같이 전력기기들은 사전에 진단을 하여 기기의 상태를 알아내는 것이 필요하 다. 주요 기기에 대한 진단은 데이터베이스의 구축과 이로부터 고장을 예측하고 신뢰성을 평가하는 것으로 이루어진다. 이를 위해 보다 정교하 고 정확한 고장 예측 기술, 진단기술, 신뢰성 평가기술을 개발할 필요가 있다.
본 논문에서는 송전기기의 유지보수를 위한 기기 상태 추정 모델을 제시하고, 송전유지보수 전략 수립을 위한 방법을 제시한다.
1. 서 론
전력은 공공재화로서 광역정전이나 전역정전이 발생하면 전력공급에 매우 심각한 문제가 발생하므로 이에 대한 합리적인 분석과 효과적인 대책 수립이 필요하다. 송전계통의 주 구성요소인 선로, 철탑, 변압기, 개폐장치들은 장기 사용에 따른 노후화와 같은 문제와 절연의 특성상 초고압전기 절연의 근원적 난점 등으로 다수의 절연파괴 고장이 불시에 발생하게 되어 전력공급의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 이와 같이 전력기 기들은 사전에 진단을 하여 기기의 상태를 알아내는 것이 필요하다. 주 요 기기에 대한 진단은 데이터베이스의 구축과 이로부터 고장을 예측하 고 신뢰성을 평가하는 것으로 이루어진다. 이를 위해 보다 정교하고 정 확한 고장 예측 기술, 진단기술, 신뢰성 평가기술을 개발할 필요가 있다.
본 논문에서는 송전기기의 유지보수를 위한 기기 상태 추정 모델을 제안한다. 송전기기에 대한 정보를 바탕으로 정확한 진단을 내리기 위해 기기별 고장 원인과 고장빈도 등을 분석하여 기기 상태 추정 모델을 제 시한다.
2. 본 론
2.1 송전기기의 진단 방법
순시의 종류는 다음과 같다. 정기적으로 송전선로 및 주변상황을 조사 하는 보통순시, 보통순시만으로 고장예방을 기대할 수 없는 구간에 대하 여 시행하는 예방순시, 기상여건의 악화 또는 천재지변 등으로 인하여 고장 발생이 우려되는 구간 또는 정비업무의 시행상태의 확인이 필요한 구간에 대하여 시행하는 특별순시, 고장이 발생하였을 경우 고장개소의 발견을 위하여 시행하는 고장순시 등이 있다. 송전선로의 순시는 도보순 시를 원칙으로 하고, 특수한 목적으로 순시를 할 경우 차량이나 항공 등 을 이용하여 순시를 시행한다. 송전선로의 순시 점검 항목은 표 1과 같 다[1].
점검 방법은 점검 형태에 따라 가압일로부터 1-2년 사이에 시행하는 초기점검, 설비의 상태를 기별로 시행하는 기별점검, 송전선로의 휴전 상태에서 세밀하게 시행하는 정밀 점검 등이 있다. 또한 항공장애등, 전 선접속개소, 접지저항, 불량애자 검출 등과 같이 주요 부분에 대해서 시 행하는 점검이 있다.
2.2 기기별 상태 모델링
송전계통을 구성하는 기기들은 각기 다른 특성을 가지고, 각기 다른 노화 과정을 거칠 것이다. 그러므로 기기의 특성에 맞추어 기기별로 모 델을 만들어야 한다. 송전계통을 구성하는 기기 중 주요 기기로 선로, 애자, 철탑을 선정하였다. 이들 기기에 대해서 고장원인, 실제 점검 항목 등을 종합하여 선로, 애자, 철탑의 노화 단계를 나누고 각 상태를 정의
구 분 조사항목 조사내용 순시종류
도보 항공
송전설비
철탑,철주,관형주 경사,부재의변형,탈락,부식 ○ ○ 콘크리트주, 목주 경사, 균열, 파손 등 ○ 기초 및 보호설비 붕괴, 균열, 매몰 등 ○ 지선류 단선,소선단선,부식,장력부족 ○ 애자류 파손,균열,애자련인상,아크흔적 ○ ○ 금구류 부식,변형,탈락,볼트풀림 ○ ○
전선류 소선단선, 이도변화 ○ ○
항공장애등 점등여부, 파손 ○
항공장애표시구 탈락, 파손, 볼트풀림,퇴색 ○ ○ 접지설비 매설지선 노출, 부식,단선 ○ 표시찰류 퇴색, 부식, 탈락, 손상 ○ ○ 표 1 송전 선로 순시 점검 항목
하였다.
2.2.1 선로
선로의 주요 고장 원인은 단선과 이도 변화에 따른 외물 접촉이다. 전 선을 이어주는 슬리브에서 문제가 발생하거나, 전선 간격을 유지하는 장 치인 스페이서(spacer)로 인해 발생하는 마모 때문에 단선 문제가 발생 하게 된다. 또한 송전선의 이도는 전선의 온도변화에 의한 팽창이나 수 축, 전선에 걸리는 하중변화에 의해서 영향을 받게 되고 이도 조정 set 를 통해서 이도를 조정한다. 표 1에서 나타난 것처럼 실제 점검 시에도 단선과 이도 변화에 대해서 살펴보고 있다.
전선의 노화를 정의하기 위한 기준을 이도로 정하였다. 일반적으로 이도는 육안점검을 하고, 필요한 경우에는 측량기를 통해서 측정하게 된 다. 전선은 철탑이나 애자 등 다른 기기에 비해 고장 빈도나 고장 발생 시 영향이 더 크기 때문에 노화 단계를 다른 기기에 비해 세분화 하였 다. 기기 상태 모델링은 Markov chain을 이용하였다[2, 3]. 전선에 대한 기기 상태 모델링 그림 1과 같다. N은 기기가 정상적으로 작동하는 정 상상태, D1, D2, D3는 기기가 시간이 지남에 따라 노화되는 노화 상태 를 나타내고 그 정도에 따라 단계를 나누었다. F는 기기가 본래의 기능 을 하지 못하는 고장 상태를 의미한다. λ는 천이율을 μ는 수리율을 나 타낸다.
D
1D
2N λ
1λ
2λ
3D
3μ
λ
4F
그림 1. 전선 기기 상태 모델
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17
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점 검 사 항
상태 판정
파손, 균열 아 크
X X N
O X
X O D1
O O D2
고 장 F
표 2 애자의 상태 판정 기준 2.2.2 애자
전선을 기계적으로 고정시키고, 철탑으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 사용되는 애자는 다음과 같은 구비조건이 필요하다[4].
- 지락사고 등 이상전압에 대해서 충분히 견딜 것 - 기계적, 전기적으로 경년 변화가 적을 것 - 습도의 변화에 잘 견딜 것
애자는 사용 환경 상 많은 열화 요인에 노출되어 있다. 스위칭 조작 및 낙뢰와 같은 이상전압에 의한 파손, 냉열의 영향이나 시멘트의 경년 팽창으로 과대한 응력을 받아 기계적 강도가 저하될 수 있다. 또한 염 분, 오염물질, 수분 등 전도성 오손 물질이 애자 표면에 부착되면 누설 전류가 증가하면서 열, 전식, 방전 현상이 발생하고 결국 방전에 의한 전기 화학적 침식과 섬락에 의해 절연물 자체가 기본 특성을 상실한다.
순시 점검 시, 불량애자 검출을 위해서 현수 애자련에 분포된 축방향 의 전계의 크기를 측정, 분석하여 애자의 양부를 판정하는 전계식 검출 방법을 이용한다. 표 1에서 나타난 것처럼 애자는 파손, 균열, 애자련 인 상, 아크 흔적 등에 대해서 순시 점검을 시행하고 있다. 표 2는 애자의 상태 판정 기준을 나타낸다. 파손, 균열과 아크 흔적을 기준으로 하여 한 가지 사항이 불량이면 D1 상태로, 2가지 모두 불량이면 D2 상태로 판정을 한다. 그림 2는 애자에 대한 기기 상태 모델이다.
D
1D
2N λ1 λ
2 λ
3 F
μ
그림 2. 애자 기기 상태 모델
2.2.3 철탑
송전 철탑은 경사, 부재의 변형, 탈락, 부식 등에 대해서 점검을 실시 하고 있다. 철탑의 열화는 주로 부식에 의해 진행되고, 태풍과 같은 재 해로 인해 하중이 설계 기준을 넘어서게 되면 문제가 발생하게 된다. 현 재 점검은 1년에 2번의 육안 점검을 하고, 이상이 있을 시 용역을 통해 구조 해석과 같은 정밀 점검을 실시하고 있다. 자산 가치 기준으로 수명 을 30년으로 보고 있으며, 산지나 하천에 설치된 철탑들은 점검표를 따 로 만들어 관리를 하고 있다.
철탑의 노화에 대한 판단 기준으로 경사와 부식을 선정하여 이에 따 라 노화가 2단계로 설정된 철탑에 대한 상태 모델을 만들었다. 그림 3은 철탑에 대한 기기 상태 모델이다.
D
1D
2N λ1 λ
2 λ
3 F
μ
그림 3. 철탑 기기 상태 모델
2.3 문제 발생 시 파급효과 분석
송전계통은 장비들의 고장에 따라 장비의 고장이 미칠 파급효과를 평 가하기가 용의하지 않다. 왜냐하면 송전계통의 구조가 서로 복잡하게 연 결되어 있는 그물망 구조로 되어있기 때문에 어떤 장비의 고장이 인근 지역에만 영향을 주는 것이 아니라 계통 전체에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 따라서 기기의 고장으로 인하여 해당계통 전체에 미칠 영향이
어느 정도인지 평가함이 필요하다. 계통에 영향을 평가한다는 것은 장비 의 고장이 해당계통에 정전을 일으키는지, 만약 장비의 고장에도 불구하 고 계통전체의 정전이 일어나지 않을 경우에는 수요를 감당하기 위한 발전기들의 출력을 조절하는 것을 말한다.
본 논문에서는 기기의 고장으로 인하여 송전선의 단선이 일어난다고 가정하였다. 기기의 고장으로 인하여 해당계통의 정전발생 여부는 단선 이 되어 있는 상태에서 power flow를 시행하여 그 결과의 수렴여부를 가지고 판단할 수 있다. 다음으로 기기의 고장이 발생했음에도 불구하고 계통에 정전이 발생하지 않는 경우에는 각 발전기들이 계통의 수요를 맞추기 위해서 동작하기 때문에 각 발전기의 출력량이 고장이 없는 경 우와 달라진다. 이렇게 각 발전기의 출력량이 조절됨에 따라서 발전비용 이 비싼 발전기가 더 발전을 하는 경우가 발생이 되며, 정상 상태에서의 발전비용보다 더 많은 발전비용이 들게 된다. 이와 같은 경우 계통 전체 의 발전비용을 최소화하는 발전스케줄을 잡는 것이 중요하게 되며, 이를 위해서 발전 비용 최소화 문제를 풀기 위해 Optimal power flow (OPF) 를 사용한다[5-8].
2.4 계통 상황을 고려한 유지보수 결정
기기의 상태를 나타내는 기기 상태 모델링과 기기 고장 시 파급 효과 의 분석 등 계통에 대한 정보를 통하여 유지보수 전략을 세운다. 점검을 통해서 기기의 상태를 파악하고, 기기의 고장 시 발생하는 파급효과를 통해서 기기의 중요도 등을 결정하여 유지보수 시기와 유지보수가 필요 한 기기의 상태 등을 결정하는 유지보수 전략을 수립한다. 유지보수 전 략은 비용이 최소화가 되는 방향으로 결정되므로 비용이 목적함수가 된 다. 비용은 유지보수 비용과 파급효과를 비용으로 환산한 것의 합이 된 다. 목적함수를 수학적으로 표현하면 아래의 식과 같다.
J : 총 비용 x : 기기 상태 d : 유지보수 전략
3. 결 론
본 논문에서는 송전기기의 유지보수를 위한 기기 상태 추정 모델을 제안하였다. 송전기기에 대한 정보를 바탕으로 정확한 진단을 내리기 위 해 기기별 고장 원인과 고장빈도 등을 분석하여 기기 상태 추정 모델을 선로, 애자, 철탑에 대해서 제시하였다. 또한 기기 상태 추정 모델과 기 기의 고장이 계통에 미치는 파급효과를 분석하여 송전기기의 유지보수 전략 수립을 위한 방법론을 논하였다.
[참 고 문 헌]
[1] 가공송전 운영 업무기준, 한국전력공사, 2007.
[2] C. G. Cassandras, Stephane Lafortune, Introduction to Discrete Event Systems, Kluwer Academic, Publisher, 1999.
[3] J. P. Siqueira, "Optimum reliability-centered maintenance task frequencies for power system equipments", 8th conference on probabilistic methods applied to power systems, 2004.
[4] P. A. Kuntz, "A reliability centered optimal visual inspection model for distribution feeders", IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 16, no. 4, 2001.
[3] 김필환, “송배전선로의 불량애자 검출 기법에 관한 연구”, 전기설비 지, 제 20권, 제 9호, pp. 44-47, 2003.
[4] 송길영, 신편 전력계통 공학, 동일 출판사, 2008.
[5] 송길영, 최신 송배전 공학, 동일 출판사, 2007.
[6] R. Bergen, Vijay Vittal, Power Systems Analysis, Second edition, Prentice Hall, 2000.
[7] J. D. Glover, M. S. Sarma, Power System Analysis and design, Thomson.
