145kV 분리 스위치 오작동 사고 분석 및 대책

1. 서론

인도네시아의 전력망에서 145kV 고압 차단기(HVDs)는 군도 지형을 가진 전송 신뢰성 유지에 있어 핵심적 역할을 합니다. 그러나 잘못된 작동 사고는 전력망 안정성에 상당한 위험을 초래합니다. 이 기사는 인도네시아 변전소에서 발생한 145kV HVD의 잘못된 작동을 조사하며, 근본 원인을 분석하고 대책을 제안합니다. 이를 위해 IP66 보호 표준과 IEC 60068-3-3 준수를 참고하여 운영 안전성을 향상시킵니다.

2. 인도네시아의 사고 개요

2024년 3월, 자바 섬의 한 변전소에서 145kV 차단기가 정규 부하 전환 중 예기치 않게 열렸습니다. 이로 인해 보호 릴레이 활성화의 연쇄 반응이 발생했습니다. 사고는 수라바야 근처의 해안 변전소에서 발생했으며, 차단기의 IP66 등급 케이스는 이론적으로 열대 환경을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 예정되지 않은 개방은 120,000가구의 전력 공급을 중단시키고 30MW의 부하 감소를 초래했으며, 수리 비용은 80만 달러를 초과했습니다. 사후 분석 결과 환경적인 손상과 제어 시스템 결함이 주요 원인으로 밝혀졌습니다.

3. 근본 원인 분석
3.1 제어 시스템 취약점
3.1.1 기생 회로 유도

차단기의 DC 제어 회로는 변전소의 번개 보호 시스템과 공통 접지를 사용하는 설계 결함이 있었습니다. 이는 2023년 PLN 보고서에서 인도네시아의 145kV 변전소 중 20%에서 발견되었습니다. 근처에서 번개가 발생했을 때 일시적인 과전압이 제어 배선에 12V DC 스파이크를 유발하여, 차단기의 개방 릴레이를 잘못 활성화시켰습니다. 2022년 발리에서 발생한 지면 루프로 인한 145kV HVD의 잘못된 작동과 유사하게, 이 사례는 제어와 보호 회로 간의 불충분한 절연을 강조했습니다.

3.1.2 릴레이 노후화

차단기의 전자석 릴레이는 100,000회 작동을 목표로 하였지만, 교체 없이 150,000회 이상 작동되었습니다. 사후 검사에서 릴레이 코일의 절연 파괴가 확인되었으며, 이는 일반적으로 열린 접점을 단락시킨 방전을 허용했습니다. IEC 60068-3-3 열 사이클링 테스트는 나중에 릴레이의 에폭시 절연재가 60°C 이상에서 악화됨을 확인했습니다. 이는 인도네시아의 냉방되지 않은 스위치 야드에서 흔히 볼 수 있는 온도입니다.

3.2 환경적 손상
3.2.1 IP66 실링 실패

IP66 인증에도 불구하고, 차단기의 EPDM 가스켓은 3mm 길이의 균열이 생겨 소금 안개가 침입할 수 있었습니다. 동자바 지역의 해안 공기는 클로라이온 함량이 0.05mg/m³로, 부식을 가속화합니다. 가스켓의 SEM 분석은 오존 균열을 나타내며, 이는 장시간 UV 복사(연간 UV 지수 >12)와 습도(>85%) 노출의 결과입니다. 이로 인해 케이스의 먼지/물 보호 기능이 저하되었으며, 내부 구성 요소는 구리 접점에 0.2mm 두께의 녹이 생겼습니다.

3.2.2 습기로 인한 절연 저하

높은 습도(평균 90% RH)로 인해 차단기의 복합 절연체 표면에 응결수가 생겨, 표면 저항이 10¹²Ω에서 10⁸Ω로 감소했습니다. 부분 방전(PD) 모니터링 데이터는 6개월 동안 PD 활동이 5pC에서 25pC로 증가하였음을 보여주며, 이는 플래시오버의 전조입니다. 절연체의 수분 반발 코팅은 IEC 60068-3-3에 적합했으나, 3년 후에는 열대 환경에서 효과를 잃어 물 막을 막지 못했습니다.

3.3 유지보수 부족
3.3.1 부족한 윤활

차단기의 기계적 연결부는 실리콘 그리스(NLGI Grade 2)가 부족하여, 작동 메커니즘의 마찰이 15% 증가했습니다. 온도 센서는 피벗 조인트에서 기준보다 40°C 더 높은 온도를 기록하였습니다. 이로 인해 스틱-슬립 운동이 발생하여 기계적 충격을 생성하여 정상적인 개방 명령을 모방했습니다. 이는 2024년 PLN 보고서에서 145kV HVD의 43%의 잘못된 작동이 무시된 윤활과 관련이 있음을 보여줍니다.

3.3.2 지연된 센서 교정

차단기의 접점 저항 센서는 ±10μΩ로 교정되었으나, 18개월 동안 검증되지 않았습니다. 실제 정확도는 ±35μΩ로 흐트러져 120μΩ의 접점 저하(임계값: 150μΩ)를 가리게 되었습니다. 이러한 교정 지연은 인도네시아의 원거리 변전소에서 흔히 발생하며, 37%의 145kV HVD가 물류 문제로 인해 정기적인 유지보수가 이루어지지 않습니다.

4. 종합적인 대책
4.1 제어 시스템 재설계
4.1.1 분리된 접지 아키텍처

145kV HVD 제어 회로에 별형 접지 시스템을 구현하여, 번개 보호 접지로부터 5m 떨어지게 합니다. 제어 전원 공급에 1000V 절연 변압기를 설치하면, 2023년 메단 사례 연구에서 92%의 일시적인 유도 작동을 줄였습니다.

4.1.2 고체 상태 릴레이 업그레이드

전자석 릴레이를 IEC 60950 인증 고체 상태 릴레이(SSR)로 교체하여 10⁷회의 작동을 목표로 합니다. 세마랑 파일럿 프로젝트에서 SSR은 전압 스파이크가 없었고, 50% 더 빠른 스위칭 시간을 보여, 습한 환경에서 방전 위험을 제거했습니다.

4.2 환경 적응성 강화
4.2.1 IP66 실링 시스템 개선

• 가스켓 교체: 200°C의 온도 저항, 300%의 신장률, 그리고 UV 안정제를 갖춘 플루오로엘라스토머(FKM) 가스켓을 사용하여, IEC 60068-3-3의 열대 기후 부록을 충족합니다.

• 배수 개선: 스위치 케이스에 12mm 크기의 배수 구멍과 벌레 방지 스크린을 추가하여, 물 웅덩이를 줄입니다. 자카르타 시험에서는 이로 인해 24시간 내에 내부 습도가 85%에서 55%로 감소했습니다.

4.2.2 고급 절연 솔루션

• 초수분반발 코팅: 접촉각 >150°의 SiO₂ 기반 에어로졸 코팅을 절연체에 적용하여, 수분 반발성을 3년에서 7년으로 연장합니다. 발리 현장 테스트에서 PD 활동이 80% 감소했습니다.

• 제습기 통합: 케이스에 3L/일 용량의 펠티에 효과 제습기를 설치하여, <40% RH를 유지합니다. 술라웨시 변전소에서는 설치 후 접점 저항 안정성이 65% 향상되었습니다.

4.3 예측 유지보수 최적화
4.3.1 IoT 기반 모니터링

4G 기반 센서 네트워크를 배포하여 다음을 측정합니다:

• 접점 저항 (0.1μΩ 해상도)

• 메커니즘 진동 (100Hz - 10kHz 대역)

• 케이스 습도/온도 (±1% RH, ±0.5°C)

데이터는 클라우드 기반 AI 플랫폼(정확도 94%)을 통해 분석되어 72시간 전에 고장을 예측합니다. 파푸아 파일럿 프로젝트에서 이 방법은 예정되지 않은 정전을 85% 줄였습니다.

4.3.2 지역별 유지보수 계획

기후 기반 유지보수 계획을 개발합니다:

5. 기술 및 경제적 영향
5.1 신뢰성 지표 개선

• MTBF 증가: 개입 후 12,000시간에서 45,000시간으로 증가하여 IEC 62271-102의 목표를 초과했습니다.

• 고장 감지 시간: 실시간 IoT 모니터링을 통해 4시간에서 15분으로 감소했습니다.

5.2 비용-효익 분석

• 초기 투자: 인도네시아의 10개 스위치 변전소에 $500,000

• 5년간 절감: $2.3백만 달러:

• 유지보수 인력 75% 감소

• 장비 교체 비용 90% 감소

• 운영 중단 손실 88% 감소

6. 결론

인도네시아에서 발생한 145kV 차단기의 잘못된 작동은 제어 시스템 취약점, 환경적 손상, 그리고 유지보수 부족을 해결하기 위한 통합 솔루션의 필요성을 강조합니다. IP66 강화 케이스, IEC 60068-3-3 준수 구성 요소, 그리고 IoT 기반 예측 유지보수를 도입함으로써, 인도네시아의 145kV 전력망은 글로벌 표준에 맞는 신뢰성 지표를 달성할 수 있습니다. 이러한 접근법은 잘못된 작동 위험을 완화할 뿐만 아니라, 열대 환경에서 증가하는 에너지 수요를 충족할 수 있는 탄력적이고 스마트한 전력 인프라 구축을 지원합니다.