제122회 전기응용기술사

1. 개요

가스절연개폐장치(GIS : Gas Insulated Switchgear)는 SF₆ 가스를 절연 매체로 사용하여 변류기, 단로기, 차단기, 접지개폐기 등을 금속 탱크 내에 밀폐·집적화한 초고압 배전반 설비이다. GIS의 접지 시스템은 일반 수변전 설비와 달리 상시 유도전류, 단락·지락 고장전류, 단로기 개폐 시 발생하는 초고속 과도 서지(VFTO) 및 과도 탱크 전위 상승(TGPR)에 대처할 수 있도록 세밀하게 설계되어야 한다.

본 답안에서는 KEC(한국전기설비규정) 140 접지시스템 규정을 기반으로, GIS의 탱크 및 가대 접지, 주회로의 접지, 타 기기(변압기, 케이블, 가공선) 접속 시 접지 기술의 핵심 요소를 정리한다.

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2. 이론·원리

2.1 탱크 유도전압 및 유도전류 발생 원리

GIS의 주회로에 상전류 $I_m$이 흐르면 금속 탱크(Enclosure)에는 전자기유도 현상에 의해 유도전압 및 루프 유도전류가 형성된다.

단상형 GIS 탱크의 단위 길이당 유도전압 $E_e$는 다음과 같다.

$$E_e=I_m\cdot \omega \cdot M=I_m\cdot 2\pi f\cdot \left(\frac{{\mu }_0}{2\pi }\ln \frac{D}{r_e}\right)\text{ [V/m]}$$

• $I_m$ : 주회로 전류 $\text{[A]}$
• $f$ : 상용주파수 $\text{[Hz]}$
• $M$ : 주회로 도체와 탱크 간 상호인덕턴스 $\text{[H/m]}$
• ${\mu }_0$ : 진공의 투자율 ($4\pi \times 10^{-7}\text{ [H/m]}$)
• $D$ : 상간 중심 거리 $\text{[m]}$
• $r_e$ : GIS 탱크의 반경 $\text{[m]}$

이 유도전압에 의해 탱크 접지선 및 탱크 간 접속부를 통해 대전류의 루프 전류가 흐를 수 있으므로, 접지선의 수와 배치, 접지 방식의 결정이 매우 중요하다.

2.2 과도 탱크 전위 상승 (TGPR : Transient Ground Potential Rise)

단로기(DS) 개폐 조작 시 매우 빠른 파두시간($\text{ns}$ 단위)을 갖는 초고속 과도 오버볼티지(VFTO)가 발생한다. 고주파 서지($1\text{ MHz}\sim 50\text{ MHz}$) 성분은 표피효과(Skin Effect)로 인해 탱크 외표면으로 전파되며, 접지선의 잔류 인덕턴스 $L$에 의해 탱크 전위가 순간적으로 유도된다.

$$V_{\text{TGPR}}=L\cdot \frac{di}{dt}\text{ [V]}$$

TGPR을 억제하기 위해서는 접지 리드선의 길이를 극소화하고 고주파 임피던스를 낮추는 짧고 넓은 본딩 도체를 사용해야 한다.

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3. 상세 내용

🖼 [그림] GIS 탱크, 가대 및 주회로 접지 구성 및 고속접지개폐기(FES) 배치 개념도

3.1 탱크 및 가대의 접지

GIS의 탱크와 구조물 가대(Frame) 접지는 접촉전압·보폭전압의 안전 기준 만족 및 고주파 서지 저감을 목적으로 수행된다. KEC 142.7(기계기구 철대 및 외함 접지) 규정을 준수하여 구성한다.

구 분	다점 접지 방식 (Multi-point Grounding)	일점 접지 방식 (One-point Grounding)
특징	탱크의 여러 지점을 메시 접지망에 직접 접속	탱크 일점만 접지하고 타 플랜지는 절연
장점	· 탱크 전위 상승 억제 (TGPR 감소)<br>· 접촉전압 극소화	· 탱크 루프 순환전류 차단<br>· 손실 저감
단점	· 루프 전류 발생으로 인한 탱크 가열 가능성	· 서지 침입 시 단부 고전압 발생 위험
적용	초고압 GIS 표준 적용 (대세)	특수 목적(대전류 단거리 구간 등) 제한 적용

(1) 탱크 간 본딩 (Flange Bonding)

• 단상형 탱크의 플랜지 접속부는 접촉 저항으로 인한 아크 발생 및 전위차를 방지하기 위해 가요성 동대(Flexible Copper Strap)로 교차 본딩(Cross-bonding)한다.
• 고주파 리액턴스를 낮추기 위해 짧고 넓은 도체(비율 폭:두께 $\ge 5:1$)를 선정한다.

(2) 가대(Frame) 및 메시 접지

• GIS 가대는 변전소 하부의 메시 접지망(Mesh Ground Grid)과 최단 거리에 다점으로 다중 접속한다.
• KEC 기준에 적합한 보호도체(PE) 또는 등전위본딩 도체를 적용하며, 최소 주파수 $60\text{ Hz}$ 고장전류 열적 열화에 견디는 굵기를 선정한다.

3.2 주회로의 접지

주회로 접지는 GIS의 점검, 보수, 내전압 시험 및 고장 시 유지보수 작업자의 안전 확보를 위해 주회로 도체를 강제로 대지와 접속하는 전용 개폐장치이다.

       [ GIS 주회로 (Busbar) ]
                  │
        ┌─────────┴─────────┐
        │                   │
   [ 작업용 ES ]       [ 고속 투입용 FES ]
   (Maintenance)       (Fault-Making)
        │                   │
   (저속, 수동/전동)     (고속, 스프링)
        │                   │
  └───────┴─────────┬───────┴───────┘
                    ▼
            [ GIS 대지 접지극 ]

(1) 접지개폐기(ES : Earthing Switch)의 종류 및 기능

1. 점검용/작업용 접지개폐기 (Maintenance Earth Switch)

   • 목적: 기기 정지 후 잔류 전하 방전 및 회로 분리 후 작업자 안전 확보.
   • 특징: 조작 속도가 느리며, 무전압 상태에서만 투입하도록 선로측 단로기·차단기와 정밀한 전기적/기계적 인터록(Interlock)을 구성함.

2. 고속 투입형 접지개폐기 (FES : Fault-Making Fast Earthing Switch)

   • 목적: 선로 가전 상태에서 오조작으로 접지개폐기를 투입하더라도 고장전류를 안전하게 통전 및 투입(Make)할 수 있는 성능 보유.
   • 특징: 강력한 스프링 구동 기동 방식을 사용하며, $I_k$급 단락 투입 전류 정격을 가짐. 가공송전선 유도전압(정전유도·전자기유도)이 발생하는 선로 인입구에 반드시 설치함.

(2) 주회로 절연 시험용 접지 단자 (Test Terminal)

• 변류기(CT) 특성 시험, 주회로 저항 측정 및 내전압 시험 시, 접지개폐기의 외부 접지 연결 리드 바(Strap)를 분리할 수 있는 분리형 절연 단자 구조를 갖춘다.

3.3 GIS와 다른 기기의 접속 시 접지

🖼 [그림] GIS와 변압기 및 케이블 접속부의 접지 분리 및 절연 플랜지 구성도

GIS가 주변압기, 지중케이블, 가공송전선 등 외부 기기와 결합하는 경계면에서는 접지계통 간 상호 간섭 차단과 서지 보호가 핵심이다.

접속 대상	접지 구성 방식	주요 고려 및 대책
GIS - 변압기(M.Tr)	절연 플랜지(Insulating Flange)로 탱크 분리	· 변압기 외함 고장전류가 GIS 탱크로 유입되는 것 방지<br>· 변압기 방전가스 분석(DGA) 및 C/T 오작동 방지
GIS - 지중케이블	케이블 절연 젠더 및 쉴드 단독 접지	· 케이블 시스(Sheath) 크로스본딩/단일접지 유지<br>· 케이블 시스 유도전류의 GIS 탱크 유입 차단
GIS - 가공선(SF₆-Air Bushing)	부싱 하부 피뢰기(LA) 단거리 접지	· 피뢰기 접지선을 GIS 탱크 및 하부 메시에 최단 연결<br>· 뇌서지 진입 시 GIS 내부 절연 보호

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4. 실무 적용 / 사례

4.1 345kV/154kV 변전소 GIS 접지망 통합 설계

1. 건물 내부 메시 바닥 접지
   • GIS가 설치되는 건물 바닥 슬래브 철근을 등전위 매시망과 용접(CADWELD) 결합하고, $70{\text{ mm}}^2$ 이상의 구리 평각선(Copper Bus)을 개폐장치 하부에 링(Ring)상으로 부착한다.
2. 고주파 접지 바이패스 콘덴서 및 구리판 적용
   • TGPR 발생이 극심한 선로 인입구 부싱 및 Cable Sealing End 근처의 탱크 연결부에는 고주파 저임피던스 유지를 위해 평각 동대를 $300\text{ mm}$ 이내의 인터벌로 다중 결합한다.

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5. 문제점 및 대책

5.1 TGPR로 인한 제어케이블 오동작 및 감전 위험

• 문제점: 단로기 개폐 시 발생하는 고주파 서지(TGPR)가 GIS 제어함(LCP)으로 파급되어, 제어 카드 손상 및 작업자 감전 사고 유발.
• 대책:
  1. 제어 케이블은 노이즈 차폐용 차폐 케이블(Shielded Cable)을 사용하고, 양단 차폐층을 접지한다.
  2. LCP(Local Control Panel) 및 GIS 외함 간 접속 거리를 극소화하고 서지 보호장치(SPD)를 탑재한다.

5.2 탱크 유도 순환전류에 의한 과열

• 문제점: 다점 접지 구조에서 대전류 주회로에 의해 탱크 상호 간 및 가대를 통해 수백 Ampere의 대순환전류가 흘러 플랜지 볼트 가열 및 절연 패킹 열화 발생.
• 대책:
  1. 상간 루프가 형성되는 가대 구조부에 절연 와셔 및 절연 패킹을 삽입하여 폐회로 형성을 차단한다.
  2. 본딩 동대의 단면적을 충분히 확보하여 본딩부의 국부적 과열을 방지한다.

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6. 결론 (기술사로서의 견해)

GIS의 접지 설계를 성공적으로 수행하기 위해서는 기존 상용주파수($60\text{ Hz}$) 기반의 지락 고장전류 대책뿐만 아니라, 고주파 과도 서지(VFTO/TGPR)에 대한 전자기적 적합성(EMC) 관점의 접지 설계가 동시에 반영되어야 한다.

1. 종합적 접근: KEC 140 규정에 적합한 보호도체 산정과 더불어, IEEE Std 80 및 IEC 62271 기준에 근거한 최단 거리 다점 접지(Multi-point Grounding) 기법을 준수해야 한다.
2. 유지보수성 확보: 변압기 및 케이블 접속부와의 절연 분리 신뢰성을 확보하고, 주회로 절연 내전압 시험을 위한 분리형 접지 단자 모듈의 정밀 관리가 필요하다.
3. 디지털 변전소 대응: 향후 IEC 61850 기반 디지털 변전소로의 전환에 발맞추어, 광복합 GIS 제어 유닛의 전자파 장애를 방지할 수 있는 저임피던스 통합 등전위 접지망 구축이 필수적이다.