김예찬
(Yechan Kim)
1iD
정민경
(Minkyung Jeong)
1iD
조우현
(Uhyeon Jo)
1iD
RagilHandito
(Ragil Handito)
1iD
구본혁
(Bonhyuk Ku)
1iD
강형구
(Hyoungku Kang)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Korea National University of Transportation, Korea.
)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Carbon neutrality, Condition assessment, Gas-insulated switchgear, Life extension, O-ring
1. 서 론
전력설비의 자산관리란, 자산의 설치부터 운영, 유지보수에 이르는 생애주기 데이터와 함께 신뢰성과 경제성을 종합적으로 고려해 최적의 투자계획을 수립함으로써
자산의 가치를 극대화하는 과정을 의미한다 [1]. 1990년대 이전에는 기술적 한계와 정보의 부족으로 인해 고장이 발생한 후 자산을 관리하는 방식인 BM (Breakdown Management)과
주기적인 시간을 기반으로 자산을 관리하는 방식인 TBM (Time-Based Management)이 주된 자산관리 전략으로 활용되었다. 1990년대
영국 전력산업의 민영화로 인하여 고장 발생 시 비용과 시간 손실을 최소화하는 것이 중요해졌다. 이에 따라, 경제성과 효율성을 중시하면서 전력설비의
진단 및 모니터링 기술 발전을 통해, 자산의 상태를 기반으로 하는 CBM (Condition-Based Management) 방식으로의 진보가 이루어졌다.
2000년대에 들어서면서 전력 시스템의 복잡성이 증가함에 따라 개별 설비 간 상호작용과 전력 시스템 수준에서 고장 파급효과에 대한 고려의 필요성이
증가하였고 이와 더불어, 환경적 문제에 대한 국제적 관심이 증가하면서 위험도를 기반으로 자산을 관리하는 방식인 RBM (Risk-Based Management)이
도입되었다. 최근에는 장기 사용된 전력설비의 증가로 인해 교체가 필요한 설비의 수량 또한 증가하고 있으며, 이에 따라 전력설비의 건전도를 정확하게
파악하여 경제성 및 효율성을 고려한 위험도 관리 방식이 요구되고 있다. 이러한 시대적 흐름에 맞춰 설비의 기능적 건전도를 중심으로 한 위험도 관리
방식인 CBRM (Condition-Based Risk Management)의 개발로 이어졌다 [2].
우리나라의 경우 전력설비의 기능적 건전도를 중심으로 위험도를 평가하는 CBRM과는 다르게 사용년수를 중심으로 한 건전도를 바탕으로 위험도를 평가하고
교체 의사결정으로 이어지는 RBR (Risk-Based Replacement) 방식을 사용하고 있다. 이러한 방식은 설비의 사용년수가 건전도의 주요
요소가 되기 때문에 설비의 실제 기능적 건전도가 위험도 평가에 적절하게 반영되지 못할 수 있다. 대표적으로 GIS (Gas-Insulated Switchgear)의
경우 설비의 기능적 건전도가 반영되지 못한 위험도 평가 결과에 근거하여 약 24년 전후로 교체되고 있으며, 보편적으로 45년 이상 GIS를 사용하는
해외 사례와는 큰 차이를 보인다. 이러한 교체 주기는 GIS가 처음 개발되었던 당시에, 그 수명이 약 25년에서 30년으로 예측됐던 결과에 기초한
것으로 판단된다 [3]. 이는 초기 투자 대비 더 많은 가치를 창출하는 자산관리의 중요한 목표 중 하나인 자산 가치 극대화를 실현하는 데 어려움을 겪고 있음을 시사한다.
이러한 문제는 현재까지 국내에서 기대수명에 도달한 GIS에 대해 체계적으로 건전도 평가를 수행한 경험이 없으며, 이에 따라 효율적인 유지보수 전략을
수립하는 데 필요한 부품과 구성요소의 열화 상태에 대한 정보가 부족하기 때문일 수 있다. 따라서 본 논문에서는 우리나라의 전력설비 자산관리 전략이
나아가야 할 방향성에 대한 정보를 제공하기 위해 해외의 자산관리 기술 동향을 소개하였다. 또한, 노후 GIS의 부품, 특히 O-ring의 열화 상태와
건전도 평가에 기반한 효율적인 유지보수 전략을 수립하는 데 기여하기 위해 약 27년간 운전 후 철거된 옥내용 노후 GIS O-ring의 열화 특성을
분석하고 그 건전도를 정량적으로 도출하였다. 이를 통해 전력설비의 경제적이고 효율적인 자산관리 전략 수립을 위한 기틀을 마련하고자 한다.
2. 해외 자산관리 기술 동향
2.1 수명연장을 고려한 해외 자산관리 기술 동향
1970년대 영국에서는 높은 복지 비용의 지출과 매우 낮은 노동 생산성으로 경기 침체를 겪었다. 1970년대 말에는 광산 노동자의 파업이 극심했고
석탄이 주 발전원이던 전력산업은 발전비용 상승과 에너지 품질 저하로 이어졌다. 이후 시장 내 경쟁을 통한 산업 효율성 제고를 위해 공기업의 민영화가
시작되었으며, 전력산업은 1990년대부터 민영화되었다 [4]. 2000년대에 들어서면서 가스와 전력 시장의 투명성, 공정성 증진과 함께 소비자 보호를 위해 에너지 규제 기관인 Ofgem (Office of
Gas and Electricity Markets)이 출범하였다. 이러한 시대적 흐름과 전력설비의 진단 및 모니터링 기술의 발전에 동반하여 자산관리
기법 또한 발전하였으며, 현재는 자산의 성능과 비용을 동시에 고려하여 위험도를 관리하는 자산관리 기법인 RBM이 주를 이루고 있다.
RIIO (Revenue = Incentives + Innovation + Outputs) 프레임워크는 안전, 환경, 사회적 책임, 신뢰성 및 가용성
측면에서 위험도 완화를 위한 송전 및 배전 사업자들의 성과뿐만 아니라, 지속가능한 에너지 공급을 위한 혁신에 대해 Ofgem으로부터 평가를 받고 일종의
인센티브를 부여받는 메커니즘을 가진다. 이러한 규제 정책에 부응하기 위해 DNOs (Distribution Network Operators)에서는
Ofgem과의 합의를 거쳐 CNAIM (Common Network Asset Indices Methodology)을 개발하여 성과 및 혁신에 대한
전반적인 내용을 규제 기관에 보고하기 위한 도구로 사용하고 있다. CNAIM은 자산의 건전도가 위험도에 반영되어 더욱 경제적이고 효율적인 위험도 관리
방법인 CBRM과 DNOs 간 위험도를 정량적으로 비교하고 위험도 완화를 위한 유지보수 우선순위를 선정할 수 있도록 하는 위험도의 현금화 (Monetising)에
대한 공통 방법론을 다룬다 [5].
영국의 스코틀랜드 남부 및 웨일즈 지역의 배전 사업자인 SPEN (SP Energy Networks)에서는 그림 1과 같이 자산의 생애주기를 제시하고 RIIO 프레임워크의 요구사항에 맞춰 경제성 및 효율성과 지속가능성을 고려하기 위해 CNAIM에 근거한 CBRM
기법을 사용하여 자산을 관리하고 있다 [6,7]. CBRM의 구현을 위한 자산의 생애주기는 자산 가치 극대화 및 규제 기관의 요구사항에 부응하기 위한
자산관리 전략 수립, 자산관리 전략에 근거한 자산의 취득과 운용에서부터 수명연장 또는 교체 및 폐기까지 구성되어 있다. CBRM에 접근하기 위한 수단으로
노후 전력설비의 건전도 평가를 사용하고 있으며, 이 결과는 수명연장 의사를 결정하는 데 유용한 도구로써 작용한다. 또한, 교체 또는 폐기 대상 설비에
대해서도 건전도 평가를 수행하고 있으며, 이러한 과정을 통해 도출된 데이터는 효율적인 유지보수 전략을 수립하는 데 있어 중요한 요소로 작용하고 있다.
그림 1. 효율적인 자산관리 전략 수립을 위한 자산 생애주기
Fig. 1. Asset life cycle to establish an efficient asset management strategy
그림 2. 수명연장 의사결정 프로세스
Fig. 2. Life extension decision-making process
수명연장이란 자산 가치 극대화를 위해 기대수명에 도달한 전력설비에 대해 열화의 진전이 빠른 부위를 수리하고 기능을 유지하는 것을 의미한다 [8]. 그림 2는 수명연장 의사결정 프로세스를 나타낸다. 수명연장 의사결정 프로세스는 크게 세 가지 핵심 요소로 구성된다. 먼저, 기대수명에 도달한 전력설비의 건전도
평가를 통해 설비의 기능적 건전도를 파악하고 해당 설비의 부품 공급 여부 및 기술자 현황과 같은 가용성 측면에서 수명연장 적합성을 평가한다. 이후
교체와 수명연장 간 비용 소요를 비교하고 생애주기 비용을 고려한 경제성을 복합적으로 고려하여 최적의 투자 옵션을 선정하게 된다. 투자의 옵션은 수명연장과
교체가 있으며, 수명연장의 구체적인 옵션은 그림 3과 같다. Refurbishment는 상태의 개선을 요하는 구성요소의 부분적 교체를 의미하고 Retrofit은 오래된 구성요소를 새로운 기능이 추가된
구성요소로 교체하는 업데이트를 의미하며, Remanufacturing은 설비를 초기 성능과 동일한 수준으로 만들고 그 성능에 대한 보증을 포함하는
작업을 의미한다 [9].
그림 3. 전력설비의 수명연장 옵션
Fig. 3. Life extension options for power equipment
경우에 따라 건전도 평가를 통한 수명연장이 교체에 비해 비용 효율적일 수 있다. 이는 초기 투자 대비 더 많은 가치를 창출할 수 있음을 의미한다.
실제로 일본에서는 CBRM을 적용하여 노후 GIS에 대해 건전도 평가를 수행한 결과를 바탕으로 경제성 측면에서 수명연장 적합성을 검토한 결과, 교체
대비 약 14 %의 비용적 이점이 있음이 보고된 바 있다 [10]. 또한, 최근 들어 기후 변화에 대응하기 위해 2014년에 시작된 RE 100 (Renewable Energy 100 %)과 2021년부터 효력을
발휘하는 파리 협정 등 온실가스 감축과 같은 환경적 문제 개선을 위한 노력에 이목이 집중되고 있다 [11,12]. 이에 따라 해외에서는 전력설비의
건전도 평가 시 SF6 누설량을 고려하고 있으며, 설비의 위험도에 반영되고 있다 [5]. 실제로 RIIO ED-1 프로젝트를 통해 DNOs의 탄소배출량이 약 12.7 % 감소되었으며, 정전 건수 또한 약 10 % 감소한 것으로 보고된
바 있다 [13]. 이는 RIIO 프레임워크를 준수하기 위한 노력, 즉 전력설비의 건전도 평가를 기반으로 한 효율적인 유지보수 및 수명연장 전략 수립은 지속가능한
에너지 공급과 전력 시스템의 신뢰성 향상으로 이어져 환경적 문제 해결과 안정적인 전력 공급을 기대할 수 있음을 간접적으로 나타낸다. 특히, 전력설비
수명연장의 옵션 중 하나인 Remanufacturing의 경우, 신품 제작에 필요한 에너지와 자원 소모량의 85 % 가량 절감할 수 있는 것으로 보고된
바 있다 [14]. 이는 수명연장을 통해 전력설비의 신뢰성 증진과 초기 투자 대비 더 많은 가치를 창출하여 자산관리의 중요한 개념 중 하나인 자산 가치 극대화를 기대할
수 있음을 의미한다. 따라서 노후 전력설비의 건전도 평가를 통해 부품과 구성요소의 열화 상태를 파악하고 이러한 데이터를 기반으로 효율적인 유지보수
전략을 수립하는 것은 전력설비의 수명연장을 위한 기틀을 마련하며, 결과적으로 자산 가치 극대화와 더불어 탄소중립과 순환자원 목표를 달성하는 데 있어
매우 유용한 수단이 될 수 있다.
2.2 수명연장을 고려한 해외 자산관리 기술 동향
NGET (National Grid Electricity Transmission)는 웨일즈, 잉글랜드 지역에 400 kV와 275 kV 송전망을 보유한
영국의 송전 사업자이다. NGET에서는 SF6 가스를 사용한 전력설비에서 가스 누설이 증가하고 있는 추세에 있어 이에 대한 위험도 완화 방안으로 다음과
같은 수명연장 옵션을 제시하였다 [15]. 그림 4(a)는 코팅을 통해 SF6 가스 누설에 따른 위험도를 완화하는 방식으로 사용년수가 20년 이하인 설비에 적용될 때 가장 효과적이며, 약 10~15년의
수명연장 효과를 가진다. 그림 4(b)는 기밀 구조의 보강을 통해 위험도를 완화하는 방식으로 약 10년의 수명연장 효과를 가진다. 이러한 옵션들을 통해 최대 약 17,500 kg에 해당하는
SF6 가스 누설에 따른 위험도를 완화할 수 있음을 제시하였다.
그림 4. SF6 가스 누설에 따른 위험도 완화 사례
Fig. 4. Case of risk mitigation due to SF6 gas leakage
그림 5는 핀란드의 전력사인 Fingrid에서 사용년수가 20년이 된 GIS의 부품 교체를 통한 위험도 완화와 수명연장 사례를 나타낸다. GIS의 수명을
제한할 만한 고장률이 높은 기존 차단기 조작장치를 교체함으로써 위험도를 완화하였다. 또한, 조작장치의 교체와 동시에 안전 및 환경적 위험도 완화를
위해 방압장치 및 O-ring 등의 부품을 전반적으로 교체하여 30년 이상 GIS의 수명을 연장한 사례가 보고된 바 있다 [3].
그림 5. 구성요소 교체를 통한 GIS의 수명연장 사례
Fig. 5. Case of life extension on GIS through replacement of component
3. O-ring의 열화에 따른 GIS의 고장
GIS는 차단기, 단로기/접지개폐기, 변류기 등 각종 구성요소로 구성되어 있다. 스페이서로 분리된 각 구획에서 요구되는 절연내력을 만족하기 위해 SF6가
충진되며, 기밀면에는 가스의 누설을 방지하기 위해 O-ring이 부착된다. 그림 6은 O-ring의 열화 메커니즘을 나타낸다 [16]. O-ring은 열적, 기계적, 화학적 등 여러 환경적 스트레스에 노출되며, 이러한 스트레스의 강도와 빈도에 따라 열화가 진행된다. 이러한 열화는
표면 균열이나 영구 압축 변형률의 증가 등으로 나타나며, 궁극적으로 SF6 가스 누설로 이어질 수 있다 [8].
그림 6. O-ring의 열화 메커니즘
Fig. 6. Degradation mechanism of O-rings
그림 7. CIGRE 및 인도네시아 사례연구의 GIS 고장 원인 분류
Fig. 7. Classification of failure causes on GIS in CIGRE and Indonesia case studies
절연파괴는 SF6 가스의 누설로 인해 구획 내부의 절연내력이 저하되는 경우에 발생할 수 있다 [8]. O-ring의 열화에 따른 SF6 가스 누설은 절연파괴로 이어져 GIS의 심각한 고장을 초래할 수 있으며, SF6 가스는 GWP (Global
Warming Potential)가 약 23,900에 달하는 온실가스로써 대기로 누설되는 경우, 환경적으로 매우 심각한 영향을 미친다. 따라서 GIS
시스템 내 O-ring의 열화 상태를 정확히 파악하고 효율적인 유지보수 전략을 수립하여 양호한 기밀성을 유지하는 것은 GIS의 성능뿐만 아니라 탄소중립
목표 달성에도 매우 중요하다.
그림 7은 CIGRE와 인도네시아의 사례연구로 도출된 GIS의 고장 원인 분류를 나타낸다 [17,18]. GIS의 주된 고장 원인은 차단기 동작 실패와 절연파괴로
분류된다. CIGRE의 사례연구에서는 차단기 동작 실패가 약 63 %로 GIS의 주된 원인으로 조사되었으나, 인도네시아 사례연구의 경우, 절연파괴가
GIS의 주된 원인으로 조사되었다. 두 사례연구에서 주목해야 할 점은 각 사례연구의 고장 원인 분포가 상이하다는 것이다. CIGRE의 사례연구에서는
절연파괴로 인한 고장 비율이 상대적으로 낮은 반면, 열대성 기후를 가진 인도네시아에서는 절연파괴로 인한 고장이 가장 높은 비율을 차지하고 있다. 이는
GIS가 설치된 위치의 온도 및 습도와 같은 환경적 스트레스의 정도와 빈도, 고장전류 차단 횟수 등과 같은 운전 조건의 차이가 GIS의 고장 발생
원인에 영향이 있음을 간접적으로 나타낸다.
이러한 사실을 바탕으로 일본에서는 GIS의 성능과 탄소중립 측면에서 O-ring의 중요성에 근거하여 SF6 가스 누설이 발생하는 개소와 철거되는 GIS의
O-ring을 수거하고 건전도 평가를 통해 부품 단위 수명과 교체주기의 결정에 중요한 정보를 제공하고 있다. 건전도 평가 결과는 O-ring의 효율적인
유지보수 전략을 수립하고 그에 따른 수명연장과 위험도 관리 전략을 채택하는 데 활용되고 있다 [8,10]. 이러한 사례를 바탕으로 국내의 환경과 운전
조건에서 GIS 부품의 열화 상태, 특히 O-ring의 열화 상태를 정확하게 파악하여 효율적인 유지보수 전략을 수립하는 것은 GIS의 신뢰성 향상은
물론이고 더 나아가서는 탄소중립을 실현하는 데 있어 유용한 방법론적 도구가 될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 건전도 평가를 통한 효율적인 유지보수
전략을 수립하기 위한 측면에서 접근하여 우리나라에서 규정하는 기대수명에 도달한 25.8 kV 옥내용 노후 GIS의 O-ring을 수거하고 열화 특성
분석과 건전도 평가를 수행하였다.
4. 노후 GIS O-ring의 건전도 평가
4.1 노후 GIS
그림 8에는 1994년에 제작되어 약 27년간 운전된 후 철거된 노후 GIS의 모습을 나타내었으며, 표 1에는 노후 GIS의 사양을 나타내었다. 또한, 표 2에는 수거한 O-ring의 정보를 나타내었으며, 그림 9에는 O-ring을 수거한 실제 개소를 표시하였다. 수거한 O-ring의 재질은 NBR (Nitrile Butadiene Rubber)이고 경도 (Hardness,
HS)는 70 HS이었으며, 5가지 Type으로 분류된다. Type 1, 2, 3, 5번 O-ring은 차단기를 제외한 각 부분에 부착되어 계기압
0.8 bar의 압력 조건에서 사용되었으며, Type 4번 O-ring은 차단기의 아크 소호 챔버에 부착되어 계기압 6.5 bar의 압력 조건에서
사용되었다.
그림 8. 옥내용 노후 GIS
Fig. 8. Obsolescent indoor GIS
표 1 노후 GIS의 사양
Table 1 Specification of obsolescent GIS
구분
|
사양
|
제작 일자
|
1994. 12
|
설치 위치
|
옥내
|
정격전압 [kV] / 주파수 [Hz]
|
25.8 / 60
|
모선 / 분기회로 정격전류 [A]
|
2,000 / 600
|
Main / Feeder 차단기
동작 횟수 [회]
|
277 / 288
|
차단기 / 기타장치 정격
가스 압력 [bar.G]
|
6.5 / 0.8
|
표 2 수거한 O-ring의 정보
Table 2 Information on collected O-ring
Type
|
규격 및 수량
|
수거 개소
|
압축량 [%]
|
1
|
P-18 (6ea)
|
가스 주입구
및 가스관
|
27.1
|
2
|
P-120 (2ea)
|
피뢰기 탱크부 점검창
|
36.0
|
3
|
G-500 (5ea)
|
각 구획 연결부 및 플랜지
|
28.1
|
4
|
CO 7451 (1ea)
|
차단기
소호 챔버
|
26.7
|
5
|
CO 7458 (3ea)
|
스페이서부 플랜지
|
31.4
|
그림 9. O-ring 수거 개소
Fig. 9. O-ring collected points
4.2 노후 GIS O-ring의 열화 특성 평가
O-ring의 건전도를 도출하기에 앞서 열화 특성을 평가하였다. 정량적인 열화 특성을 도출하기 위한 방법으로 영구 압축 변형률 (Compression
Set, CS)을 측정하였다. O-ring의 CS 값이 80 %를 초과할 때, O-ring의 기밀 성능을 신뢰할 수 없다는 연구들이 보고되고 있다
[8,10,19,20]. CS는 O-ring이 압축된 이후에 원래의 두께로 복원되지 못하는 비율을 의미한다. 이외에도 경도, 인장강도 (Tensile
Strength, TS), 연신율 (Elongation, EL) 측정, 그리고 FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
분석을 통해 정성적 평가를 수행하였다. 경도는 O-ring의 기계적 변형 저항력, 인장강도는 인장하중에 의한 파단 시 최대 응력, 연신율은 인장하중에
의한 신장 정도를 각각 나타낸다. O-ring의 재질인 NBR과 같은 고분자 물질의 노후화는 산화의 정도로 정의할 수 있으며, FT-IR 분석을 통해
Carbonyl 작용기에 해당하는 약 1850~1650 cm-1의 Peak 강도를 관측함으로써 그 정도를 확인할 수 있다 [21].
식 (1)에 CS의 계산식을 나타내었으며, 그림 10에는 CS 계산을 위한 매개변수를 시각화하였다. CS 계산식은 ASTM D395 및 일본 전기협동연구 70권 2호를 기반으로 하였으며, O-ring의
두께 측정은 Mitutoyo CD-182-30 모델을 사용하였다 [22].
그림 11에 O-ring의 열화 특성 평가를 위한 HS, TS, EL 및 FT-IR 분석에 사용한 장비를 나타내었다. HS 측정은 찬주테크(주) HT-6510
모델을 사용하였고 ASTM D1414를 준용하여 측정하였다. TS 및 EL 측정은 Shimadzu AG-250kNX 모델을 사용하였고 ASTM D2702를
준용하여 표점 거리 50 mm, 인장 속도는 300 mm/min으로 설정하였다. FT-IR 분석은 Agilent Technologies Cary 660
모델을 사용하였고 ASTM D2240을 준용하여 그림 12와 같이 O-ring의 내부에 대해 4000~650 cm-1 영역에서 4 cm-1의 분해능으로 32번의 스캔을 수행하였다.
그림 10. CS 측정 매개변수
Fig. 10. CS measurement parameters
그림 11. 열화 인자 측정 장비
Fig. 11. Degradation factors measuring equipments
그림 12. O-ring의 FT-IR 분석 위치
Fig. 12. FT-IR analysis point of O-ring
표 3 신품 O-ring의 열화 인자 측정 결과
Table 3 Measurement results of degradation in new O-rings
Type
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
CS [%]
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
HS [HS]
|
70.9
|
70.8
|
73
|
73.8
|
73.4
|
TS [N/mm2]
|
10.9
|
11.9
|
12.8
|
-
|
12.0
|
EL [%]
|
284.0
|
606.8
|
568.2
|
-
|
478.9
|
표 4 노후 GIS O-ring의 열화 인자 측정 결과
Table 4 Measurement results of degradation in Obsolescent O-rings
Type
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
CS [%]
|
31.8
|
12.0
|
35.1
|
23.0
|
29.7
|
HS [HS]
|
73.7
|
76.6
|
73.8
|
70.0
|
74.4
|
TS [N/mm2]
|
10.8
|
16.4
|
16.5
|
-
|
13.2
|
EL [%]
|
194.7
|
480.1
|
678.3
|
-
|
458.3
|
그림 13. Type 5 O-ring의 FT-IR 분석 결과
Fig. 13. FT-IR analysis result of type 5 O-ring
표 3과 4에는 각각 신품과 노후품의 Type 별 CS, HS, TS 및 EL의 측정 결과를 나타내었으며, 그림 13에는 Type 5에 대한 FT-IR 분석 결과를 예시로 나타내었다. Type 4의 경우에는 추후 기밀시험을 위해 O-ring을 파단해야 하는 TS,
EL, FT-IR 분석은 수행하지 않았다. CS는 각 O-ring의 Type 별로 4~10회 반복 측정한 결과값의 평균을 사용하였으며, TS와 EL은
2~4회 반복 측정한 결과값의 평균을 사용하였다.
노후 GIS O-ring의 열화 특성 평가 결과를 다음과 같이 요약하여 정리하였다.
① CS 측정 결과를 통해 각 O-ring 샘플의 CS 측정값은 12.0~35.1 % 사이로 나타났으며, Type 2의 열화도가 가장 낮음을 확인하였다.
Type 2는 피뢰기 탱크부의 점검창에 부착되는 O-ring으로, 점검창 개방 시 교체되어 다른 Type에 비해 사용년수가 적기 때문에 열화도가 낮은
것으로 추정된다. Type 3, 4, 5의 사용년수를 동일하다고 가정했을 때 각 Type의 CS가 상이함을 확인하였으며, Type 3의 열화도가 가장
높았다. 이와 같은 결과는 옥내에서 사용되어 각 부분의 일조량이 동일함을 고려할 때 해당 Type의 CS 측정값 차이는 볼트 체결부의 체결 토크가
상이함에 따라 발생한 결과로 추정된다.
② 경도 측정 결과를 통해 신품 대비 최대 9.4 %의 경화가 진행됨을 확인하였다. 제조사가 제시한 신품 O-ring의 경도 공차가 ±7.1 %인
것을 고려할 때, 노후화에 따른 경화 정도는 크게 우려할 수준이 아닌 것으로 판단된다.
③ 인장강도 및 연신율 측정 결과를 통해 일부 O-ring은 신품과 유사하거나 심지어 신품보다 더 우수한 인장 특성을 보임을 확인하였다. 이는 경화
과정 중 인장강도가 소폭 증가한 것으로 해석될 수 있다 [23]. 연신율 측정 결과에서 100 %를 초과하는 값들이 관찰되었으며, 이는 노후 GIS O-ring이 여전히 건전한 신장 특성을 유지하고 있음을 나타낸다.
④ FT-IR 분석 결과, Carbonyl 작용기의 Peak 값이 미미하게 나타난 것으로 보아 O-ring의 산화 정도가 미약함을 확인할 수 있다.
이는 O-ring의 화학적 안정성이 높음을 나타내며, 플랜지 면과의 밀착되는 구조로 인해 산화가 어려웠을 것으로 추정된다 [20].
4.3 노후 GIS O-ring의 건전도 평가
그림 14에는 노후 GIS O-ring의 건전도 평가 결과를 나타내었다. 현재까지 O-ring의 HS, TS 및 EL의 열화 정도가 GIS의 가스 기밀 신뢰성에
미치는 영향은 보고된 바 없으므로 건전도 평가 인자는 CS를 중심으로 하였다. CS 측정값 중 가장 높은 값은 35.1 %이므로 GIS의 기밀 성능
측면에서 본 연구에 사용된 O-ring의 건전도는 ‘매우 양호’ 등급으로 도출되었다.
그림 14. 노후 GIS O-ring의 CS 측정 결과
Fig. 14. Measurement results of CS for Obsolescent GIS O-rings
4.4 결과 고찰
노후 GIS O-ring의 건전도 평가에 있어서 Type 1의 경우, 다른 Type에 비해 공칭 두께가 2배 이상 작은 2.4 mm이므로 0.5 mm
오측정 시 약 75 %의 CS 측정 오차가 발생할 수 있다. 기밀 신뢰성을 보장하기 위한 CS 한계값은 80 %이므로 Type 1에 대해서는 건전도
평가 결과치의 유효성을 보장하는 것이 어려울 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구로부터 HS, TS 및 EL과 CS의 상관관계를 도출하기 어려운데, 이는 상관관계 분석에 가용할 수 있는 데이터 수량의 부족에 기인한 것으로
판단된다. 이는 추후 지속적인 노후 GIS 샘플의 확보를 통한 열화 특성 평가로 극복이 가능할 것으로 판단되며, 충분한 데이터가 축적되는 경우 각
열화 인자 간 상관관계 분석과 HS, TS 및 EL이 기밀 신뢰성에 미치는 영향 또한 분석이 가능할 수 있을 것으로 판단된다. 이와 더불어, 본 연구
결과로 제시된 그림 14의 건전도 구간 값을 보정해야 할 필요성이 있으므로 향후 지속적인 샘플의 확보를 통해 추가적으로 분석할 계획이다.
노후 GIS O-ring의 CS, HS, TS, EL 특성을 확인함으로써 O-ring이 가지는 기능적 측면에서의 건전성을 확인하였으며, 건전도 평가
결과 ‘매우 양호’ 등급에 해당함을 확인하였다. 이를 바탕으로 노후 GIS의 부품 단위 수명 관리와 재료 선택 및 유지보수 전략 수립에 중요한 정보를
제공할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 1건의 노후 GIS 시스템의 O-ring에 대한 평가로 한정되어 있지만, 실제 27년간 운전된 옥내용
노후 GIS O-ring의 건전도를 평가함으로써 열화 상태에 대한 포괄적인 이해를 제공하고 열화 데이터를 활용한 O-ring의 효율적인 교체주기 선정의
초석을 다지는 데 있어 중요한 의미를 가질 수 있을 것이다.
5. 결 론
현재까지 국내에서는 노후 GIS의 건전도 평가 사례가 전무하며, 이에 따라 GIS의 건전도가 위험도에 적절하게 반영되지 못한 채 24년 전후로 교체되고
있다. 이는 해외에서 보편적으로 설정하는 GIS의 기대수명이 약 45년인 점을 고려할 때 상당한 차이가 있으며, 이에 따라 자산관리의 중요한 요소
중 하나인 자산 가치 극대화와 더불어 탄소중립과 순환자원을 이루는 데 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 논문에서 해외의 자산관리 기술 동향을 분석하여
건전도 평가가 중심이 되고 그 결과를 바탕으로 한 CBRM 기반의 자산관리 전략을 수립하는 방식으로 전력설비 자산관리의 패러다임이 변화하고 있음을
조명하고, 전력설비 자산관리의 방향성에 대한 고려가 필요함을 언급하고자 하였다.
이를 바탕으로 본 논문에서는 약 27년간 운전된 25.8 kV 옥내용 노후 GIS에서 O-ring을 수거하고 열화 상태와 건전도를 평가함으로써 노후
GIS의 O-ring에 대한 열화 상태를 정확하게 파악하고 부품 단위 관리 전략 수립에 기여하고자 하였다. 우리나라에서 규정하는 GIS의 기대수명인
24년을 초과하였음에도 불구하고, 노후 GIS O-ring이 그 기능적 측면에서 건전함을 확인하였다. 전력설비는 환경과 부하 조건에 따라 열화 정도가
상이하므로 국내 환경 조건에서 기대수명에 도달한 전력설비의 부품에 대한 열화 상태를 파악하고 건전도 평가를 통해 고유의 부품 단위 관리 전략을 수립할
필요가 있다는 점에서 본 연구 결과는 중요한 의미를 가진다.
고분자 재료로 구성된 O-ring은 환경적 조건, 특히 자외선에 민감하게 반응하기 때문에, 설치 위치에 따라 동일한 경년의 O-ring이라도 다른
열화 특성을 보일 수 있을 것으로 추정됨에 따라 향후 옥외용 노후 GIS O-ring 열화 상태와 건전도를 추가적으로 평가하고 GIS의 기능적 건전성을
확인할 계획이다.
Acknowledgements
This work was partly supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation
and Planning(KETEP) grant funded by the Korea government(MOTIE) (20217610100090, Development
of remanufacturing technology through ICT/AI-based asset management for low-degradation
aged GIS) and Korea National University of Transportation Industry-Academy Cooperation
Foundation in 2023.
References
Dong-jin Kweon, “Technological Trends in Power Facility Asset Management System,”
The World of Electricity, Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers,
vol. 67, no. 1, pp. 30-33, 2018.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
National Grid Electricity Transmission, “Network Asset Risk Annex for RIIO-T2,” pp.
21, 2022.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Working Group B3.17, “Residual Life Concepts Applied to HV GIS,” Technical Brochure
499, 2012.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Doocheon Kim, and Chanhyuk Lee, “World Power Market Trend,” pp. 88, 2020.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Ofgem, “Common Network Asset Indices Methodology,” 2021.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Doocheon Kim, “World Power Market Trend,” pp. 32, 2017.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Albert Santandreu, and David Neilson, “SPEN Switchgear Life Extension Strategy,” 24th
International Conference on Electricity Distribution, pp. 0846, 2017.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Electric Technology Research Association, “Advanced Maintenance Strategies for Gas
Insulated Switchgear,” vol. 70, no. 2, 2014.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Sunday Ochella, Mahmood Shafiee, and Christopher Sansom, “An AUL-informed approach
for life extension of high- value assets,” Computers & Industrial Engineering, vol.
171, pp. 108332, 2022.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Chubu Electric Power Co., Inc, “Feasibility Study on Optimizing Maintenance and Replacement
Planning for Gas Insulated Switchgears at Existing Kuwait Substation,” Final report,
2020.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Ji Woo Lee, Eo Jin Choi, Min Ji Jeong, Rodrigo Casamayor Moragriega, Pilar Gascón
Zaragoza, and Seung Wan Kim, “Optimal sourcing strategy for enterprises to achieve
100% renewable energy,” Energy Reports, vol. 8, pp. 14865-14874, 2022.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Clarence Tolliver, Alexander Ryota Keeley, and Shunsuke Managi, “Drivers of green
bond market growth: The importance of Nationally Determined Contributions to the Paris
Agreement and implications for sustainability,” Journal of Cleaner Production, vol.
244, pp. 118643, 2020.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Ofgem, “RIIO ED1 Network Performance Summary 2020-21,” pp. 2-13, 2022.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Kang Hong-Yoon, Jun Yong-Sung, and Jo Hyun-Jung, “Current Status and Promotional Measures
of Domestic and Overseas Remanufacturing Industry,” Journal of the Korean Institute
of Resources Recycling, vol. 24, pp. 3-15, 2012.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
National Grid, “Re-opener Report (Bespoke – RIIO-2 Substation Civils Works),” pp.
48-49, 2022.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Minagawa Tadao, Eiichi Nagao, Ei Tsuchie, Hiroshi Yonezawa, Daisuke Takayama, and
Yutaka Yamakawa, “Degradation Characteristics of O-rings on Highly Aged GIS,” IEEJ
Transactions on Power and Energy, vol. 125, pp. 322-330, 2005.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Working Group A3.06, “Final Report of the 2004-2007 International Enquiry on Reliability
of High Voltage Equipment Part 5 - Gas Insulated Switchgear (GIS),” Technical Brochure
513, 2012.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Andreas Purnomoadi, “Asset Health Index and Risk Assessment Models for High Voltage
Gas-Insulated Switchgear Operating in Tropical Environment,” PhD. Thesis, Delft University
of Technology, 2020.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Anja Kömmling, Matthias Jaunich, Payam Pourmand, Dietmar Wolff, and Mikael Hedenqvist,
“Analysis of O-Ring Seal Failure under Static Conditions and Determination of End-of-Lifetime
Criterion,” Polymers, vol. 11, pp. 1251, 2019.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Anja Kömmling, Matthias Jaunich, Milan Goral, and Dietmar Wolff, “Insight for lifetime
prediction of O-ring seals from five-year long term aging tests,” Polymer Degradation
and Stability, vol. 179, pp. 109278, 2020.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Jasmine Almond, Piriya Sugumaar, Margot N Wenzel, Gavin Hill, Christopher J.D. Wallis,
“Determination of the carbonyl index of polyethylene and polypropylene using specified
area under band methodology with ATR-FTIR spectroscopy,” e-Polymers, vol. 20, pp.
369-381, 2020.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
ASTM D395-18, “Standard Test Methods for Rubber Property - Compression set,” 2018.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Jie Liu, Xiangbo Li, Likun Xu, and Peiqing Zhang, “Investigation of aging behavior
and mechanism of nitrile-butadiene rubber in the accelerated thermal aging environment,”
Polymer Testing, vol. 54, pp. 59-66, 2016.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
저자소개
He received bachelor's degree in electrical engineering from Korea national university
of transportation in 2023. He is currently a master’s course in Dept. of electrical
engineering, Korea National University of Transportation. His research interests are
high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.
She received a master’s degree in electrical engineering from Korea National University
of Transportation in 2020. Currently, attending a Ph.D. course in electrical engineering,
Korea National University of Transportation. Her research interests are high voltage
engineering, power asset management, and applied superconductivity.
He received master's degree in electrical engineering from Korea National University
of Transportation in 2024. His research interests are high voltage engineering, power
asset management, and applied superconductivity.
He received master's degree in electrical engineering from Korea National University
of Transportation in 2024. His research interests are high voltage engineering, power
asset management, and applied superconductivity.
He received bachelor's degree in electrical engineering from Korea national university
of transportation in 2023. He is currently a master’s course in Dept. of electrical
engineering, Korea National University of Transportation. His research interests are
high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.
He received doctor’s degree in electrical engineering from Yonsei University in 2005.
He is currently a professor in Dept. of electrical engineering, Korea National University
of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset
management, and applied superconductivity.