노후화된 전력 인프라로 인해 최신 고압 솔루션이 필요한 이유

소개: 그리드의 숨겨진 위기

산업화된 세계 전반에 걸쳐 중압 배전반의 금속 캐비닛 내부에 조용한 위기가 펼쳐지고 있습니다. 도시, 공장 및 중요 시설에 전력을 공급하는 전기 인프라의 대부분은 수십 년 전에 설치되었습니다. 유럽에서는 현재 사용 중인 고압 배전반의 상당 부분이 30년 이상 된 것입니다. 북미에서는 유틸리티 변전소 장비의 평균 수명이 20년 동안 꾸준히 증가해 왔습니다. 아시아와 중동 지역에서는 급속한 도시화로 인해 오래된 장비가 원래 설계 한계를 넘어섰습니다.

문제는 단순히 장비가 낡았다는 것이 아니다. 문제는 원래 디자이너가 전혀 예상하지 못한 방식으로 주변의 그리드가 변경되었다는 것입니다. 결함 수준이 증가했습니다. 재생에너지 발전은 양방향 전력 흐름과 고조파 함량을 도입했습니다. 환경 성능 및 안전에 대한 규제 요구 사항이 강화되었습니다. 그리고 예비 부품 찾기, SF₆ 누출 관리, 수리를 위한 가동 중단 예약 등 노후화된 장비를 유지 관리하는 데 드는 운영 비용은 매년 증가하고 있습니다.

이 기사에서는 노후화된 전력 인프라가 어떻게 현대 고압 솔루션에 대한 시급한 사례를 만들고 있는지, 구식 개폐 장치가 오늘날의 그리드 운영자에게 제시하는 기술적 과제, 최신 진공 및 SF₆-free 기술로의 전환이 신뢰성뿐만 아니라 규정 준수, 운영 비용 및 미래 유연성을 어떻게 해결하는지 검토합니다.

문제의 규모: 설계 수명을 초과한 인프라

대부분의 고압 개폐 장치는 25~35년의 서비스 수명을 위해 설계되었습니다. 현재 선진국에서 가동되고 있는 상당량의 장비는 이미 그 기준점을 넘어섰습니다. 장비 유형에 따라 의미는 다르지만 기본 패턴은 동일합니다. 다른 시대에 설계된 시스템은 더 이상 원래 목적에 맞지 않는 그리드를 지원하도록 요청받고 있습니다.

한때 고압 애플리케이션의 표준이었던 오일 회로 차단기는 유럽과 북미 전역의 오래된 변전소에서 여전히 찾아볼 수 있습니다. 이 차단기는 절연 및 아크 소호 매체로 광유를 사용합니다. 시간이 지남에 따라 오일은 수분을 흡수하고 산화되며 절연 강도를 잃습니다. 결함 중단으로 인한 접촉 침식은 오일에 전도성 입자를 침전시켜 성능을 더욱 저하시킵니다. 가장 중요한 것은 오일은 가연성입니다. 오일 회로 차단기의 내부 아크로 인해 탱크 파열 및 화재가 발생할 수 있으며, 이는 현대 안전 표준에서 실내 설치에 허용되지 않는 위험입니다.

또 다른 기존 기술인 공기 자기 회로 차단기는 대형 아크 슈트를 사용하여 아크가 꺼질 때까지 아크를 늘리고 냉각시킵니다. 물리적으로 거대하고 기계적으로 복잡하며, 중단될 때마다 부식되는 접촉 표면에 대한 정기적인 유지 관리가 필요합니다. 이러한 차단기의 예비 부품을 조달하기가 점점 더 어려워지고 있습니다. 대부분의 경우 원래 제조업체가 더 이상 존재하지 않거나 해당 제품 라인에 대한 지원을 중단했습니다.

도입 당시 석유 및 공기에 비해 큰 발전을 이루었던 SF₆ 가스 절연 개폐 장치도 이제는 노후화되고 있습니다. EU F-가스 규정은 2026년 1월부터 유럽 시장에서 최대 24kV의 새로운 SF₆ 개폐 장치를 금지했으며, 다른 지역에서도 유사한 제한이 진행되고 있습니다. 기존 SF₆ 장비는 계속 작동할 수 있지만 2032년부터 순수 SF₆를 사용한 서비스가 금지되고 의무 누출 점검 요구 사항이 강화되었습니다.

공통점은 기술에 관계없이 노후화된 배전반이 운영자에게 유지 관리 비용 상승, 예비 부품 및 서비스 조달의 어려움 증가, 규제 및 안전 위험 증가라는 세 가지 부담을 안겨준다는 것입니다.

노후화된 배전반을 중심으로 그리드가 어떻게 변했는지

노후화 문제는 장비 자체에만 국한되지 않습니다. 이는 장비가 처리하도록 설계된 것과 현대 그리드가 실제로 요구하는 것 사이의 불일치에 관한 것입니다.

많은 배전 네트워크에서 오류 수준이 증가했습니다. 도시 밀집화는 동일한 지리적 영역에서 더 많은 변압기, 더 많은 급전선 및 더 많은 연결된 부하를 의미하며, 이는 모두 특정 지점에서 사용 가능한 단락 전류를 증가시킵니다. 35년 전에 설치되었을 때 정격이 20kA인 개폐 장치 패널을 이제 오류 전류가 25kA 이상에 도달할 수 있는 시스템에 연결할 수 있습니다. 정격 차단 용량을 초과하여 회로 차단기를 작동하면 치명적인 오류가 발생하기를 기다리고 있습니다. 보호 장치가 아크를 소멸하지 못하여 장비가 파손되고 정전이 길어질 수 있습니다.

재생에너지 통합은 배전망의 성격을 근본적으로 변화시켰습니다. 기존의 방사형 피더는 변전소 변압기에서 부하까지 한 방향으로 전력을 공급했습니다. 오류 전류는 단일 소스인 업스트림 그리드에서 발생했습니다. 상당한 규모의 태양광 PV, 풍력 및 배터리 저장 장치를 갖춘 현대식 배전망에는 여러 가지 결함 전류 소스와 양방향 전력 흐름이 있습니다. 단방향 흐름을 위해 설계된 보호 조정 체계는 이 환경에서 올바르게 작동하지 않을 수 있습니다. 이는 중압 배전반을 업그레이드하지 않고 현장 발전을 추가한 산업 시설 및 상업 캠퍼스에서 특히 심각합니다.

전력 품질 요구 사항이 강화되었습니다. 현대 산업 공정은 전압 강하나 고조파 왜곡을 허용하지 않는 민감한 전력 전자 장치에 의존합니다. 데이터 센터, 반도체 공장 및 제약 공장에서는 느린 보호 계전기와 제한된 모니터링 기능을 갖춘 기존 스위치기어가 보장할 수 없는 수준으로 전력 품질을 지정합니다.

로드 프로필도 변경되었습니다. 전기 자동차 충전 인프라, 히트 펌프 및 데이터 센터는 대부분의 기존 중전압 개폐 장치가 지정되었을 때 예상하지 못한 부하 패턴을 부과합니다. 원래 설계 마진이 수용할 수 없는 방식으로 빈번한 부하 사이클링, 높은 고조파 함량 및 지속적인 정격에 가까운 작동 스트레스 회로 차단기입니다.

유지 관리 함정: 오래된 장비를 유지하는 경우 교체하는 것보다 비용이 더 많이 듭니다.

자산 관리자의 경우 노후된 스위치기어를 유지하기 위한 재정적 사례가 서류상으로 간단하게 나타나는 경우가 많습니다. 장비는 이미 감가상각되었습니다. 교체를 위한 자본예산 확보가 어렵다. 유지 관리 비용은 증가하지만 해마다 흡수될 수 있는 운영 비용입니다.

이 회계 논리는 노후 장비를 유지하는 데 드는 실제 비용이 완전히 계산되면 무너집니다.

예비 부품 가용성이 가장 시급한 과제입니다. 기존 차단기 설계용 진공 차단기 병은 더 이상 생산되지 않을 수 있습니다. 공기 자기 차단기용 아크 슈트에는 전문 주조 작업이 필요하지만 아직까지 소수의 공급업체가 수행하고 있습니다. 단종된 제품 라인용 보호 계전기 모듈은 2차 시장에서만 구입할 수 있습니다. 중요한 예비 부품을 조달할 수 없는 경우 단일 차단기 고장으로 인해 제작이 가능한 경우 맞춤형 교체품이 제작되는 동안 전체 변전소 섹션이 몇 주 동안 오프라인 상태가 될 수 있습니다.

SF₆ 처리 비용이 상승하고 있습니다. 강화된 EU F-가스 규정에 따라 기존 SF₆ 장비에도 더 빈번한 누출 점검과 더 엄격한 문서화가 필요합니다. SF₆ 가스 자체의 비용은 생산량이 감소하고 규제 수수료가 인상됨에 따라 증가하고 있습니다. 2032년 이후 순수 SF₆를 사용한 서비스가 금지되면 운영자는 공급이 불확실하고 비용도 예측할 수 없는 재생가스에 의존하게 됩니다.

서비스 중단 기간을 마련하기가 점점 더 어려워지고 있습니다. 많은 산업 및 상업 시설에서는 생산 일정에 따라 더 이상 가동 중단을 연장할 수 없습니다. 데이터 센터는 계약에 따른 가동 시간 보장을 통해 연중무휴 24시간 운영됩니다. 재생 가능 에너지 자산은 재정적 목표를 달성하기 위해 발전 시간을 극대화해야 합니다. 차단기 유지 관리를 위해 버스 섹션을 중단하는 일은 장비가 새롭고 가동 중지 시간의 비용이 더 저렴했던 시절에는 일상적이었을 수 있지만 이제는 광범위한 계획과 정당성을 요구하는 중요한 운영 이벤트입니다.

결과는 유지 관리 함정입니다. 장비가 오래될수록 유지 관리가 더 많이 필요합니다. 유지 관리가 많이 필요할수록 더 많은 가동 중단 시간이 필요합니다. 정지 시간이 길어질수록 정지할 수 없는 시설에서 일정을 잡는 것이 더 어려워집니다. 결국 유지 관리를 수행하는 데 드는 운영 비용이 유지 관리를 수행하지 않을 때 발생할 수 있는 위험을 초과하기 때문에 유지 관리가 연기됩니다. 이는 유지 관리 비용보다 훨씬 더 많은 비용이 소요되는 장비 오류로 끝날 수 있는 도박입니다.

안전 및 환경적 책임

노후화된 배전반은 최신 장비가 제거하도록 특별히 설계된 안전 위험을 수반합니다. 이들 중 가장 심각한 것은 내부 아크 결함 억제입니다.

절연 실패, 습기 침투 또는 유지 보수 중 우발적인 접촉으로 인해 스위치기어 패널 내부에서 내부 아크가 발생하면 에너지 방출이 폭발적입니다. 아크는 금속을 기화시키고 주변 공기나 가스를 팽창시켜 패널을 날려버리고 뜨거운 가스와 용융 금속을 분출하며 근처에 있는 사람에게 심각한 부상을 입힐 수 있습니다. 최신 중전압 개폐 장치는 내부 아크 분류로 설계되었습니다. 즉, 인원을 위험에 빠뜨리지 않고 지정된 기간 동안 지정된 오류 수준을 포함하도록 테스트되었습니다. 레거시 장비는 이 표준에 맞게 설계되거나 테스트된 적이 거의 없습니다.

오일 회로 차단기는 추가적인 화재 및 폭발 위험을 안고 있습니다. 오일의 내부 아크는 가연성 가스를 생성합니다. 압력 방출 장치가 충분히 빨리 배출하지 못하면 탱크가 파열될 수 있습니다. 변전소의 석유 화재는 진압하기가 매우 어렵고 인접한 장비로 확산될 수 있습니다.

환경적 책임은 문제의 또 다른 차원입니다. 천천히 누출되는 노후된 SF₆로 채워진 RMU는 지구 온난화 지수가 CO2의 24,300배에 달하는 가스를 방출합니다. 현행 EU 규정에 따르면 운영자는 해당 누출을 감지, 보고 및 수리할 책임이 있습니다. 그렇지 않을 경우 재정적 불이익을 당하거나 명예가 훼손될 수 있습니다. 여러 사이트에 분산된 대규모 SF₆ 장비를 보유한 운영자의 경우 관리 부담만으로도 상당합니다.

현대화 경로: 대체 솔루션의 모습

자산 관리자와 그리드 계획자에게 좋은 소식은 노후화된 고압 개폐 장치를 교체하는 기술이 성숙하고 입증되었으며 이용 가능하다는 것입니다. 전환 경로는 연구 프로젝트가 아닙니다. 이는 잘 이해된 옵션이 포함된 조달 및 프로젝트 관리 활동입니다.

진공 회로 차단기는 고압 애플리케이션에서 오일 및 공기-자기 차단기의 표준 대체품입니다. 진공 차단기는 밀봉된 세라믹 병 내부의 아크를 소멸시킵니다. 테스트, 필터링 또는 교체할 오일이 없습니다. 가스가 새는 일은 없습니다. 차단기는 전체 사용 수명 동안 유지 관리가 필요 없으며 정상적인 작동 조건에서 30년을 초과할 수 있습니다. M2 등급 스프링 메커니즘을 갖춘 최신 VCB는 10,000회 기계적 작동 등급을 갖추고 있어 재생 에너지 통합 및 현대 산업 공정에서 요구되는 빈번한 전환에 적합합니다.

SF₆가 없는 가스 절연 개폐장치는 SF₆를 건조 공기나 절연 매체로 사용하는 질소로 대체합니다. 밀봉된 스테인리스 스틸 탱크에는 가스 모니터링, 재충전, 수명이 다한 가스 회수가 필요하지 않습니다. 노후화된 SF₆ RMU를 교체하는 유틸리티 및 산업 운영업체의 경우 건조 공기 대안은 환경적 책임과 규정 준수 비용 상승 없이 동일한 소형 설치 공간과 동일한 전기 성능을 제공합니다.

디지털 통합은 기존 스위치기어에는 없는 기능입니다. 최신 보호 계전기는 IEC 61850을 통해 통신하여 스위치 위치, 오류 기록 및 장비 상태에 대한 실시간 데이터를 제공합니다. 부분방전 센서는 절연 성능 저하로 인해 고장이 발생하기 전에 이를 감지할 수 있습니다. 중요한 연결 지점의 온도 모니터링을 통해 느슨한 볼트 조인트가 과열되기 전에 식별할 수 있습니다. 여러 변전소를 관리하는 운영자의 경우 이 데이터를 통해 상태 기반 유지 관리가 가능합니다. 즉, 일정 일정에 따르지 않고 문제가 이미 발생한 이후가 아니라 문제를 해결해야 할 때 문제를 해결할 수 있습니다.

COTENELE은 인프라 현대화 프로젝트를 수행하는 유틸리티, 산업 플랜트 및 재생 에너지 개발자에게 12kV~40.5kV 진공 회로 차단기와 SF₆-free 링 메인 장치를 공급합니다. 당사의 VCB는 에폭시 수지 극 절연체와 유지 관리가 필요 없는 진공 차단기를 사용합니다. 당사의 RMU는 영구 밀봉된 스테인리스 스틸 탱크의 절연 매체로 건조한 공기를 사용합니다. 두 제품 라인 모두 적용 가능한 IEC 표준에 따라 유형 테스트를 거쳤으며 입찰 단계에서 완전한 문서가 제공됩니다.

교체를 위한 경제적 사례

노후된 배전반을 교체하기로 한 결정은 궁극적으로 재정적 문제이며, 최근 몇 년 동안 재정적 측면이 상당히 강화되었습니다.

가장 간단한 비교는 기존 장비를 유지하는 데 드는 비용 상승과 새 장비를 설치하는 데 드는 자본 비용을 비교하는 것입니다. 노후화된 배전반의 유지관리 비용은 선형적이지 않습니다. 장비 사용 기간이 30년, 35년, 40년이 되면서 유지 관리 개입이 더 자주 발생하고, 더 복잡해지고, 더 많은 비용이 듭니다. 공급이 줄어들면서 예비 부품 비용이 증가합니다. 전문 서비스 제공업체는 노후화된 장비에 대한 전문 지식에 대해 할증 요금을 청구합니다.

독립 컨설팅 회사의 2024년 수명 주기 비용 분석에서는 노후화된 SF₆ RMU 인구를 유지하는 것과 20년 동안 이를 건조한 공기로 교체하는 것을 비교했습니다. SF₆ 누출 감지, 가스 보충, 의무 보고 및 예상 탄소 가격 책정이 포함되었을 때 건조 공기 교체는 12년 이내에 총 비용 동등성을 달성했으며 이후 비용 절감 효과가 누적되었습니다. 대규모 장비를 보유한 운영자의 경우 누적 절감액이 상당했습니다.

직접적인 유지 관리 비용 외에도 실패로 인한 비용 방지는 기존 ROI 계산에서 종종 간과되는 중요한 요소입니다. 보호되지 않은 스위치기어 패널에서 단일 내부 아크 발생으로 인해 패널이 파괴되고, 인접한 장비가 손상되며, 며칠 또는 몇 주 동안 지속되는 정전이 발생할 수 있습니다. 데이터 센터의 경우 하루 가동 중단으로 인한 비용은 7자리 숫자를 초과할 수 있습니다. 산업 플랜트의 경우 생산 손실로 인한 비용이 스위치기어 자체 비용보다 작아질 수 있습니다. 내부 아크 분류 및 포괄적인 상태 모니터링 기능을 갖춘 최신 스위치기어는 이러한 사건의 가능성을 줄입니다.

규정을 준수하지 않는 데 따른 비용도 있습니다. 강화된 SF₆ 누출 점검 및 보고 요구 사항을 충족하지 못한 운영자는 관할 구역에 따라 다르지만 전체적으로 증가하는 규제 처벌을 받게 됩니다. EU F-가스 규정에는 회원국이 "효과적이고 비례적이며 설득력이 없는" 벌금을 부과하는 조항이 포함되어 있습니다.

인프라 평가를 위한 실제 단계

스위치기어 현대화 프로그램을 고려하는 자산 관리자의 경우 몇 가지 실제 단계를 통해 범위, 긴급성 및 비즈니스 사례를 명확히 할 수 있습니다.

상태 평가를 수행합니다. 연령, 기술 유형 및 작동 이력별로 모든 고압 개폐 장치의 목록을 작성합니다. 알려진 문제, 최근 오류 및 유지 관리 빈도를 문서화합니다. 30년이 넘은 장비, 노후화된 보호계전기가 장착된 장비, 누수 이력이 있는 SF₆ 장비를 우선적으로 처리해야 합니다.

결함 수준 연구를 수행합니다. 각 스위치기어 위치에서 사용 가능한 단락 전류는 현재 그리드 구성과 예상되는 미래 세대를 기반으로 다시 계산되어야 합니다. 계산된 결함 수준보다 낮은 차단 정격을 가진 차단기는 우선적으로 교체됩니다.

SF₆ 재고 및 누출을 감사합니다. F-가스 규정이 적용되는 운영자의 경우 SF₆ 재고, 누출률 및 유지 관리 개입에 대한 정확한 기록은 이제 규정 준수 요구 사항입니다. 감사 자체를 통해 해결해야 할 데이터 격차가 드러날 수 있습니다.

유지 관리 비용 추세를 평가합니다. 노후화된 장비에 대한 유지 관리 비용이 해마다 증가하는 경우 해당 추세를 예상하고 이를 상환된 교체 비용과 비교합니다. 계산에 중단 기간 비용을 포함합니다.

공급업체를 조기에 참여시킵니다. 대규모 현대화 프로그램의 경우 개폐 장치의 리드 타임이 상당할 수 있습니다. 특히 증가하는 수요를 충족하기 위해 생산 능력을 늘리는 SF₆ 없는 장비의 경우 더욱 그렇습니다. 자격을 갖춘 제조업체와의 조기 참여를 통해 생산 슬롯을 확보하고 프로젝트 지연을 방지할 수 있습니다.

결론

노후화된 전력 인프라는 점진적인 유지 관리를 통해 저절로 해결될 문제가 아닙니다. 고압 배전 시스템의 중심에 있는 장비(회로 차단기, 링 메인 장치, 버스바 연결부)는 수명이 정해져 있습니다. 수명이 초과되면 오래된 장비를 계속 작동시키는 데 드는 비용이 결국 최신 기술로 교체하는 데 드는 비용을 초과하게 됩니다.

현대식 고압 개폐 장치로의 전환은 여러 과제를 동시에 해결할 수 있는 기회입니다. 오일 회로 차단기를 진공 회로 차단기로 교체하면 화재 위험이 제거되고 유지 관리가 거의 0으로 줄어들며 30년 동안 안정적인 서비스를 제공합니다. SF₆ RMU를 건조 공기 RMU로 교체하면 환경적 책임이 제거되고 규정 준수 부담이 제거되며 향후 강화되는 규정에 대비하여 설치가 가능해집니다. 디지털 모니터링과 IEC 61850 통신을 추가하면 개폐 장치가 수동 구성 요소에서 그리드 관리에 적극적으로 참여하는 구성 요소로 변합니다.

COTENELE의 경우 인프라 현대화를 지원한다는 것은 유형 테스트를 거쳐 문서화 준비가 되어 있으며 연속 생산되는 진공 회로 차단기와 SF₆-free RMU를 제공하는 것을 의미합니다. 이는 유틸리티, 산업 운영자 및 EPC 계약자와 협력하여 각 애플리케이션에 적합한 장비를 지정하고 이를 컨설턴트 및 규제 기관이 요구하는 문서 패키지와 함께 제공하는 것을 의미합니다.

그리드가 바뀌고 있습니다. 이를 제어하는 ​​장비도 바뀌어야 합니다. 기술이 존재합니다. 경제적인 상황은 분명합니다. 남은 유일한 변수는 현대화 프로그램이 구현되는 속도이며, 대기 비용은 매년 증가하고 있습니다.

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코테넬레 소개

COTENELE은 SF₆ 없는 친환경 가스절연 개폐장치, 진공 차단기, 링 본체, 12kV~40.5kV용 금속 피복 패널 등 중압 개폐장치 전문 제조업체입니다. 당사의 제품은 유럽, 아시아 및 중동 전역에서 인프라 현대화를 수행하는 유틸리티, 데이터 센터 운영자, 재생 가능 에너지 개발자 및 산업 구매자에게 서비스를 제공합니다. 모든 제품은 적용 가능한 IEC 표준에 따라 유형 테스트를 거쳤으며 입찰 제출 및 프로젝트 납품을 위한 완전한 문서가 제공됩니다.