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1.서 론
2016년 9월 국내 계기지진 관측 이래 역대 최대 규모의 경주지진(규모 5.8)이 발생되었으며, 최근(2017년 11월)에도 역대 두 번째 규모에 해당하 는 포항지진(규모 5.4)이 발생되면서 재산 및 인명피해가 일어나, 우리나라 도 지진 안전지대가 아니라는 인식과 함께 내진설계의 중요성이 대두되고 있다. 이에 따라, 최근 정부에서는 새로운 ‘내진설계기준 공통적용사항 (’17.7) [1]’을 제시하는 등 국가 기간시설에 대한 내진대책 수립을 강조하 고 있으며, 기간시설물에 해당하는 전력설비 또한 정부의 지진방재정책에 포함되어 관리되고 있다.
전력설비는 산업 전반에 걸쳐 중추적인 기능을 수행하는 시스템으로서 내진성능의 확보가 필수적이며, 이에 따라 내진설계와 내진성능평가를 위 한 전력설비의 내진시험 데이터베이스 구축이 시급한 실정이다.
미국, 일본 등 내진기술 선진국에서는 자국의 전력설비를 대상으로 다양 한 내진시험 경험자료를 보유하고 있으나, 국내에서는 원전분야 이외에 전 력설비의 내진시험을 수행한 사례 [2-4]가 많지 않다. 대표적인 전력설비인 주변압기는 자체 강성이 매우 크기 때문에 주로 정착부의 용접시공이나 앵 커볼트의 설치로 내진설계를 수행해 오고 있다. 그러나, 주변압기의 내진설 계 시에는 정착부 뿐만 아니라, 변압기 상부에 설치되어 있는 부싱 및 부싱 연결부도 함께 검토되어야 한다. 일본 변전설비 내진설계 지침인 JEAG (Japan Electric Association Guide) 5003-2010에서는 변압기 본체의 강 성이 크기 때문에 정착부와 부싱의 내진안전성 검토를 강조[5]하고 있으며, 미국 IEEE std. 693-2005(IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substations)에서도 변압기의 부싱에 대한 내진시험 절차를 제 시 [6]하고 있다. 관련 선행연구로는 2006년 대표적인 1개 타입의 154kV 주변압기 부싱을 대상으로, 진동대시험에 의한 동특성 분석이 수행되었으 며, 변압기 부싱의 1차 파괴모드를 하단 연결부로 밝힌 바 있다 [7].
이와 같이, 부싱은 지진에 취약한 설비중의 하나인데다 부싱 및 부싱 연결부 는 수치해석적으로 내진성능을 평가하기가 어려우므로, 여러 타입의 부싱을 대상으로 다양한 내진시험을 통하여 내진성능을 검토하고 그 결과를 시험 경 험자료로 확보할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 국내 변전소 내 주변압 기의 부속설비로서 널리 사용되는 다양한 타입의 부싱을 대상으로, 진동대 시험을 수행함으로써 부싱 및 부싱 연결부의 내진성능을 분석하고자 하였다.
2.시험목적 및 방법
2.1.시험대상 및 목적
본 연구의 시험대상은 Fig. 1과 같이 변전소 내 주변압기 상부에 설치되어 운영되고 있는 154 kV 및 345 kV 부싱이다.
시험대상 부싱은 Table 1과 같이 변전소에 가장 많이 사용되는 제작사 별 5개 타입(A~E 타입)의 154 kV 부싱 및 대표적인 1개 타입의 345 kV 부싱 으로 선정하였다.
Fig. 2는 시험대상 154 kV 부싱 및 진동대에 세팅된 시험체를 Fig. 3은 시험대상 345 kV 부싱 및 세팅된 시험체를 각각 보여주고 있다. 부싱을 진 동시험대에 고정하기 위한 지그는 충분한 강성을 갖도록 제작하였다.
본 시험의 목적은 변전설비의 설계 지진하중에 대하여 변압기 부싱이 구 조적 건전성을 만족하는지의 여부를 검토하는 것으로, 지진 시 부싱 및 연결 부의 파손 여부와 부싱 내부에서 절연 역할을 수행하는 절연유의 누유 여부 를 확인하기 위함이다. 또한 Table 1에서 나타난 바와 같이 345 kV 부싱의 경우에는 무게가 7 kN 이상으로서 1~3 kN 수준인 154 kV 부싱보다 무겁고 길이가 길어 상대적으로 내진성능이 취약하기 때문에, Fig. 4와 같이 연결 부의 변위 및 절연유의 누유를 제한하기 위해 제작된 보강재의 효과를 확인 하는 시험도 병행하였다.
2.2.시험방법
시험은 Table 2와 같이 내진시험 전 공진탐색시험, 본 시험, 내진시험 후 공 진탐색시험 등 크게 세 가지 순서로 수행하였다. 시험 전후 공진탐색시험은 내 진시험을 통한 부싱의 동특성 변화를 분석하기 위하여 수행하였으며, 본 시험 인 내진시험은 총 5단계로 지진하중을 상향시켜 가면서 각 1회씩 수행하였다.
한편, 내진시험 중 시험체에 발생되는 동적응답을 계측하기 위해, 부싱 상단(Top), 부싱 연결부(Middle) 및 지그 하단(Bottom)에 3축 가속도계를 Fig. 5와 같이 설치하였다. 그리고 부싱 연결부재의 상하부 간의 상대변위 를 계측하기 위한 3차원 변위 측정장치를 Fig. 6과 같이 구성하였다.
또한, 각 5단계의 내진시험 종료 시마다 부싱의 구조건전성 및 절연유의 누유 여부를 육안으로 확인하였다.
2.3.시험설비
시험설비는 Tables 3 및 4와 같은 사양의 진동시험대를 활용하였으며, Figs. 2 및 3에서 보여진 시험체의 중량에 따른 진동시험대의 수용 용량을 고려하여, 154 kV 부싱 시험은 6자유도 진동시험대로, 345 kV 부싱 시험 은 1자유도 진동시험대로 수행하였다.
2.4.입력운동
부싱의 내진시험을 위한 시험 입력파는 ‘내진설계기준 공통적용사항 (’17.7)’에서 제시하고 있는 S3 지반조건의 표준설계응답스펙트럼 형상을 적용하였으며, 이 스펙트럼을 지속시간 21초 및 강진동 지속시간 9초인 시 간이력으로 변환[1]하였다. 시간이력은 6자유도 및 1자유도 진동시험대의 용량을 고려하여 최대지반 가속도의 크기에 따라, Table 2와 같이 5단계로 작성하여 시험체에 가진하였다. Fig. 7은 대표적으로 345 kV 부싱의 첫 번 째 단계 내진시험에 입력된 시간이력을 보여주고 있다.
한편 공진탐색 시험 시에는 지속시간 90초 및 첨두가속도 0.1 g의 White noise파를 이용하여 가진하였다.
3.154 kV 부싱의 내진시험 결과
3.1.가진 가속도 계측결과
각 단계별 내진시험 후 진동시험대로부터 구현된 최대 가진 가속도를 계 측한 결과를 정리하면, Table 5와 같다. 여기서, 수평 X방향은 Fig. 2의 아 래측 사진을 기준으로, 앞뒤 방향을, 수평 Y방향은 좌우 방향을 나타낸다.
3.2.내진시험 결과
Table 5와 같이 5단계의 내진시험 결과, 시험대상 5개 타입의 154kV 부 싱 및 연결부는 모든 단계에서 구조적 건전성을 확보하였으며, 절연유의 누 유현상도 발생되지 않았다. IEEE std. 693-2005 [6] Annex D.4.4절에는 부싱의 내진시험 시 주변압기 상부 위치에서의 입력지진의 두 배 또는 지반 위치에서의 입력지진의 네 배의 가속도를 적용하여야 한다고 규정하고 있 다. 송배전설비 내진설계 실무지침 [8]에 의한 내진 I등급 설계조건, 그리고 ‘내진설계기준 공통적용사항(’17.7)’ 의 S3 지반조건을 고려한 표준설계 응답스펙트럼의 최대지반가속도는 0.245 g이므로, 0.98 g의 가진 가속도 에 대해 부싱은 구조적 건전성을 확보해야 한다. Table 5의 모든 단계의 내 진시험에 대하여 시험대상 5개 타입의 부싱들은 모두 구조적 건전성을 확 보하였으며 절연유의 누유현상이 발생되지 않았으므로, 이 부싱들은 모두 송배전설비 내진설계 실무지침 및 IEEE std. 693-05에서 요구하는 내진기 준을 만족하고 있는 것으로 판단된다.
Fig. 8은 내진시험 3단계 시 대표적인 A 타입 부싱의 상하부 및 지그 하 단에서의 각 방향별 가속도 측정결과를 보여주고 있으며, Fig. 9는 Fig. 8의 수평 X방향 계측결과를 주파수 대역으로 나타낸 결과를 보여주고 있다.
한편, Table 6은 부싱 타입 별, 시험단계 별 계측된 부싱 상하부의 가속 도 평균 증폭비를 보여주고 있다. 동일한 부싱 타입 내에서는 가진 가속도와 상관없이 각 방향별로 일정한 비율의 가속도 증폭비를 보였으며, 부싱들의 수평방향 상하부 가속도 증폭비는 대체로 2.5~3.0배의 분포를 나타내었다.
3.3.부싱 연결부 변위계측 결과
3차원 변위 측정장치를 이용하여, 부싱 연결부재의 상하부 간 상대변위 를 계측한 결과는 Table 7과 같다. Table 7의 변위 값은 각 시험 중 발생한 최대변위를 기준으로 정리하였다.
3.4.공진탐색 시험 결과
내진시험 전후 시험체의 동특성 변화를 분석하기 위하여 공진탐색 시험 을 수행한 결과, 모든 타입의 시험체들은 동특성의 변화가 크지 않은 것으로 나타났다. Fig. 10은 내진시험 전후 공진탐색 시험 시 A타입 시험체의 상단 에서 계측된 수평 X방향의 가속도 측정결과를 보여주고 있다.
한편, Fig. 11은 대표적인 시험체들의 각 방향별 동특성 분석결과를 보 여주고 있다. 수평방향 및 수직방향 고유진동수는 10~15 Hz 사이의 분포 를 나타내었다.
4.345 kV 부싱의 내진시험 결과
4.1.가진 가속도 계측결과
각 단계별 내진시험 후 진동시험대로부터 구현된 가진 가속도를 계측한 결과를 정리하면, Table 8과 같다. 여기서, 수평 X방향은 Fig. 3의 아래측 사진을 기준으로, 좌우 방향을 나타낸다.
4.2.내진시험 결과
Table 8과 같이 5단계의 내진시험 결과, 시험대상 345 kV 부싱은 모든 단계에서 파손이나 변형이 없이 구조적 건전성을 확보하는 것으로 나타났 다. 특히 5번째 내진시험의 최대지반가속도 1.00 g는 IEEE std. 693-05 및 송배전설비 내진설계 실무지침에서 요구하는 0.98 g와 유사한 수준으로서, 시험대상 부싱은 설계기준 지진 하에서 구조적 건전성을 만족하였다. 그러 나 이 시험단계에서는 Fig. 12와 같이 부싱 연결부에서 절연유의 누유현상 이 발생하였다.
또한, Fig. 4의 우측 그림과 같은 부싱 연결부 보강재를 위와 동일한 타입 의 부싱에 설치하여, 마찬가지로 Table 8의 5단계 내진시험을 수행하였다. 그 결과, 5단계 모든 내진시험 시 부싱이 구조적 건전성을 확보하였으며 절 연유 누유도 발생되지 않아, 보강재의 설치가 부싱 연결부의 변위제어를 통 한 절연유 누유 방지에 효과가 있는 것으로 확인이 되었다.
Fig. 13은 내진시험 5단계 시 보강재 적용 전후 부싱 하단 연결부의 X방향 상대변위 계측결과를 보여주고 있다. 보강재가 없는 부싱 연결부는 보강재 가 있는 경우보다 시험 시 상대적으로 큰 변위가 발생되었음을 알 수 있으며, 시험 종료 후에도 약 0.3 mm의 영구변위가 발생되었다. 따라서 설계지진 수준의 지진은 보강재가 없는 시험대상 부싱의 절연성능에 영향을 줄 수 있 을 것으로 판단된다.
Fig. 14는 내진시험 5단계 시 보강재 적용 전후 부싱의 상하부 및 지그 하단에서 계측된 수평 X방향의 가속도 측정결과를 보여주고 있다. 또한 Fig. 15는 보강재 적용 전 시험체의 각 부위별 주파수 대역에 따른 가속도 계측결과를 보여주고 있다.
한편, Table 9는 보강재 적용 전후 부싱의 시험단계 별 계측된 부싱 상하 부의 가속도 평균 증폭비 및 부싱 연결부의 최대 상대변위를 보여주고 있다. 보강재 적용 유무 및 가진 가속도의 크기와 상관없이 가속도 증폭비는 3.3~ 3.4배의 일정한 분포를 나타내었다. 부싱 연결부 보강재는 0.5 g 이상의 지 진가속도에서 연결부의 최대 상대변위를 50% 이상 줄여주는 것으로 나타 났다.
4.3.공진탐색 시험 결과
내진시험 전후 시험체의 동특성 변화를 분석하기 위하여 공진탐색 시험 을 수행한 결과, Fig. 16과 같이 보강재 적용 전 시험체는 1차 고유진동수가 9.18 Hz에서 9.06 Hz로 1.31% 변경되었으나, Fig. 17의 보강재 적용 후에 는 9.16 Hz에서 9.18 Hz로 0.22% 변경되어, 보강재 적용 전 시험체의 동특 성의 변화가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 이는 내진시험 과정에서 보강 재 적용 전 부싱의 연결부가 느슨해지면서 시험체의 강성 및 동특성에 영향 을 미친 것으로 판단된다.
5.결 론
본 연구에서는 국내 변전소 내 주변압기의 부속설비로서 널리 사용되는 다양한 타입의 부싱을 대상으로, 진동대시험을 수행함으로써 부싱 및 부싱 연결부의 내진성능을 분석하였다.
제작사에 따른 5개 타입의 154 kV 부싱을 대상으로 지진하중을 상향시 키면서 내진시험을 수행한 결과, 모든 부싱은 설계 지진하중 수준을 넘어 1.4 g 수준의 가속도에서도 구조적 건전성을 확보하였으며, 절연유의 누유 현상도 발생되지 않는 것으로 나타났다. 한편 가진 시 부싱 상단부의 평균 가속도 증폭률은 하단부 대비 2.5~3.0배 수준으로 확인되었다. 또한, 내진 시험 전후 동특성 분석 결과, 모든 시험체의 세 방향 1차 고유진동수는 10~15 Hz 사이임을 확인하였다.
한편, 대표적인 1개 타입의 345 kV 부싱을 대상으로 내진시험을 수행한 결과, 1.0 g 수준의 가속도에서도 구조적 건전성을 확보하였으나, 이 내진 시험 시 부싱 연결부에서 절연유가 누유되어 설계지진 수준의 가속도는 시 험대상 부싱의 절연성능에 영향을 줄 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 부싱 의 연결부를 구속시키는 보강재를 동일한 345 kV 부싱에 설치하는 경우에는, 설계지진 수준의 가속도에서도 보강재에 의해 부싱 연결부의 변위가 절반 수준으로 제어되었으며 절연유 누유가 방지되는 것으로 나타났다. 한편, 시 험대상 345 kV 부싱 상단부의 평균 가속도 증폭률은 하단부 대비 3.3~3.4 배로 확인되었으며, 내진시험 전후 미보강 시험체의 1차 고유진동수의 변 화는 1.31%(9.18 Hz에서 9.06 Hz)로서 보강 시험체의 변화율 0.22%(9.16 Hz에서 9.18 Hz)보다 상대적으로 큰 것으로 나타났다.
본 연구결과는 국내 주변압기 부싱의 동특성 분석을 위한 내진시험 경험 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 더 면밀한 동특성 분석을 위해서는, 다른 타입의 다양한 부싱들의 내진시험 뿐만 아니라 부싱이 상부에 설치된 주변압기를 이용한 실규모의 3축 진동대시험 등이 수행되어야 할 것이다.
