Seismic Performance Evaluation of 500 kV EBA

500 kV 기중종단접속함의 내진성능평가

Abstract

In this study, seismic performance tests for 500 kV EBA are conducted through the IEEE Std. 693. It is hard to conduct both the static tests and dynamic tests for 500 kV EBA as IEEE Std. 693 because the size of specimen, 9 m in height, is too large to be examined. To do so, it can cause the unnecessary time and cost, and also the damage on the specimen. However, in this study, both static tests and dynamic tests are conducted in the same test field as IEEE Std. 693 to achieve more accurate and reliable test results. From the test results Taihan Electric Wire Co. can win contract for 500 kV extra-high voltage project in the U.S.A., therefore it can be evaluated that the tests are conducted successfully and the capability to estimate large electric power facilities are achieved as IEEE Std. 693.

1. 서 론

전력시설 및 설비는 사회기반시설로서 자연재난이 발생하였을 때에도 그 기능을 유지해야하는 중요한 시설물이다. 지진 등의 자연재난으로 인한 사회적 동요를 안정시키고 신속한 재건사업을 진행하기 위해서는 반듯이 전력이 공급되어야 하기 때문에 전력설비의 내진안정성은 상당히 중요하다.

전 세계적으로 지진 발생의 빈도가 꾸준히 증가하고 있으며, 크고 작은 지진으로 인하여 많은 인명 및 재산 피해를 보고 있다. 지진에 의한 피해는 직접적인 피해와 간접 피해로 구분할 수 있다. 지진진동에 의해 발생하는 구조물의 파손 등의 직접적인 피해도 크지만 정전, 단수 등에 의한 간접적인 피해 또한 무시할 수 없는 수준이다.

지진으로 인한 전력시설의 피해는 전력부족문제로 연결됨에 따라 교통, 물류는 물론 경제, 사회에 미치는 피해가 크다. 일본의 경우 고배지진 당시 지진에 의한 직접적인 피해액은 약 10조 엔으로 추정되며 간접 피해액 또한 10조 엔 이상으로 추정되고 있으며, 2011년 동일본 대지진당시 동북지방에서는 440만 가구가, 광동지방에서는 405만 가구가 정전 피해를 입은 것으로 집계되었다.

전력시설을 구성하는 중전기기의 세계 시장은 2011년 기준 6100억 달러, 670조 원의 시장으로 중전기기산업의 글로벌 경쟁력 향상을 위해서 기술기반 인프라와 핵심역량 확보를 위한 투자가 필요한 시점이다. 중국과 인도를 제외하면 유럽과 북미가 가장 큰 시장으로서, 내진성능평가 절차가 체계화되어있는 유럽 및 북미시장으로의 진출을 위해서는 반드시 내진성능이 확보되어야 한다. 따라서 이 논문에서는 IEEE Std. 693(1)에서 제시하고 있는 절차에 따라 (주)대한전선에서 개발한 500 kV EBA(end box-air, 기중종단접속함)의 내진성능평가를 진행하였다. 300 kV이하의 변압기 부싱(bushing)이나 EBA에 대해서는 내진성능평가가 진행된 바가 있으며(2), 500 kV이상의 부싱의 경우 MCEER과 PEER에서 진동대실험을 통해 내진성능을 평가한 예가 있다(3,4). 그러나 실제 공급되는 것과 동일한 지지구조물과 지지애자, 부싱 등을 포함하는 500 kV이상의 EBA의 경우, 시험체의 규모와 장비의 한계로 인하여 내진성능의 평가를 국내에서 수행한 예가 없으며, 세계적으로도 극히 드물다. 이러한 대형 설비에 대한 내진성능 검증 및 평가를 국외에서 수행하게 될 경우 운송비용과 시간, 거리 등의 문제로 인하여 사실상 어려운 실정이다. 따라서 개별 부품별로 내진성능을 평가하거나 해석적인 기법을 활용하여 내진성능을 평가하고 있다. 그러나 복잡한 기능이 연계되어 있거나 해석적인 기법으로 구조적 연계를 정확하게 표현하기 어려운 경우에는 부품 개별 내진성능 평가결과가 실제 설치상태에서의 내진성능 평가결과를 대신하기는 어렵다. 그러므로 실제 제공되는 500 kV EBA에 대한 내진성능 평가를 통해 대형 전력설비의 내진성능 평가를 위한 핵심기술 및 역량을 확보할 수 있었던 것으로 판단한다.

 

2. 형상 및 설치조건

시험체는 부싱과 지지애자 그리고 지지구조물의 조합으로 이루어진 500 kV EBA로서 (주)대한전선에서 제작되었다. 지지구조물과 지지애자의 소재는 각각 강재(steel)와 포르셀린(porcelain)이며 부싱은 상부금구와 하부금구, FRP(fiber reinforced plastic) 튜브로 이루어져 있는데 상부금구의 재료는 구리이며 하부금구는 알루미늄으로 제작되었다. 시험체의 높이는 약 9 m이며 형상은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1500kV EBA

시험체인 500 kV EBA가 실제 설치되는 상황을 묘사하기 위해 EBA의 터미널 연결부에 컨덕터, 케이블 등의 역할을 하는 추가질량을 설치하였다. IEEE Std. 693에서는 500 kV 이상의 전기설비에 대해 11 kg이상의 질량을 추가하도록 권고하고 있으므로 추가질량의 무게는 12.62 kg으로 제작하였다.

시험체는 내진성능 평가를 위하여 반력바닥, 진동대, 반력바닥의 순서대로 설치되었다. 진동대에는 M30 볼트로 고정되었으며 반력바닥에는 M40볼트를 이용하여 고정되었다. M30볼트의 토크는 770 N·m이며 M40볼트의 토크는 2700 N·m이다. 부싱에 절연유를 채웠을 때, 시험체의 무게는 4900 kg이며 무게중심의 높이는 3.1 m이다.

 

3. 시험방법 및 절차

지진이 빈번한 일본 및 미국, 유럽과 달리 국내에서는 아직까지 변전소 시설 및 전력설비에 대한 내진성능평가방법이 체계화 되어 있지 않으며, 전력시설에 적용할 수 있는 시험평가기준은 마땅치가 않다. 이로 인하여 유럽이나 미국 또는 중동 등의 강진지역으로 수출하는 전력 설비에 대한 내진성능평가는 각국에서 제시하는 규격 또는 국제규격을 따르고 있는 실정이다.

일반적인 비구조 요소의 내진성능 평가를 위한 시험방법은 ICC-ES AC156(5)이 대표적이며, 변전소 시설 및 전력설비에 대한 내진성능 평가는 IEEE Std 693(1)에서 요구하고 있는 시험절차에 따라 수행하고 있다. 이 논문에서 내진성능을 평가하고자 하는 시험체는 초고압 전력 설비인 500 kV EBA이므로 변전설비의 내진설계 검토를 위한 시험 기준인 IEEE Std. 693을 참고하여 Table 1과 같은 순서로 내진성능 평가를 수행하였다.

Table 1Test sequence

3.1 Static pull test

시험체의 최상단부를 운용하중으로 최소 1분 이상 당기며 시험은 전후, 좌우 각 방향에 대하여 2회 실시하였다. 이때 사용된 운용하중은 2 ton이다. 최상단부와 지지구조물의 상부 그리고 최상단부와 바닥에 대하여 각각 상대변위를 계측하였으며 취약부위에 대한 변형률을 계측하여 응력값을 산출하였다.

시험을 위한 세팅은 Fig. 2와 같다. 와이어로프를 시험체의 최상단부에 고정하고 도르레를 이용하여 방향을 조정한 후, 질량체를 이용하여 SML(specified mechanical load)의 50 %인 2 ton의 하중을 가하였다. 가력방향의 맞은편에 높이 9.39 m의 프레임을 준비하여 변위계의 설치를 위한 플렛폼으로 활용하였다.

Fig. 2Equipment setup for static test

3.2 Snap back test

Fig. 2와 같이 시험체의 상부를 SML의 3/8인 1.5 ton의 하중으로 당긴 후 하중을 제거하여 자유진동을 하는 시험체의 응답을 계측하였으며, 전후, 좌우 방향에 대하여 실험을 수행하였다.

3.3 진동대 실험(shake table test)

(1) 공진탐색시험(resonance search test)

공진탐색시험은 공진주파수와 감쇠비를 찾기 위하여 수행한다. 이 논문에서는 Fig. 1과 같이 시험체를 진동대에 설치한 후 sine sweep test를 수행하여 공진탐색을 실시하였다. 해당시험은 연직방향과 수평2방향에 대하여 실시하였으며 사용되어진 가속도신호의 크기는 0.05 g이고 탐색범위는 1~33 Hz이며 주파수 증가는 1 octave/min으로 하였다. 공진주파수 탐색시험은 시간이력시험 전과 후의 두 공진주파수의 변화가 20 % 이상인 경우 중대한 변화로 인식한다.

(2) 시간이력시험(time history test)

시간이력시험을 위하여 Fig. 3의 IEEE Std. 693의 2 % 감쇠비에 대한 고성능 RRS(required response spectrum)을 만족하도록 작성하였다. Fig. 3은 수평방향에 대한 RRS이며 수직방향은 수평방향 성분의 80 %를 사용하였다.

Fig. 3Required response spectrum(2 % damping)

인공지진파의 진동지속시간은 30초, 강진지속시간은 20초이며 강진구간은 전체 진동지속시간의 25 % 이후에서 시작하고 75 %이전에 종료된다. TRS(test response spectrum)은 RRS를 포락해야한다. 작성된 인공지진파를 입력지진동으로 하여 진동대 실험을 수행하였다. 4.2장의 계측계획에 따라 응답신호를 계측하였으며 시험 전과 후에 육안검사를 통하여 지지애자의 균열, 누유 및 볼트풀림 등의 시험체의 이상 유무를 확인하였다

 

4. 실험장비 및 계측계획

4.1 실험시설 및 장비

진동대 실험은 지진방재연구센터의 6자유도 진동대를 이용하여 수행되었으며, static pull test와 snapback test는 지진방재연구센터의 반력바닥에서 Fig. 2와 같이 준비하여 실험을 수행하였다. 지진방재연구센터의 6자유도 진동대는 국내 최고수준의 진동대 장비로서 최대 적재하중은 30 ton이고, 최대구현 가속도는 수평 1.5 g, 수직 1.0 g이며 최대변위는 수평 ±300 mm, 수직 ±150 mm이다. 진동대의 크기는 4.0 m×4.0 m이다.

4.2 계측 계획

Fig. 4와 같이 6개의 3축 가속도계와 4개의 와이어 타입 변위계 그리고 34개의 변형률계를 이용하여 시험체의 응답을 계측하였다(6). 가속도 응답은 3축 가속도계를 이용하여 snapback test와 진동대 실험의 응답을 계측하였으며, 변형률 응답은 모든 실험에서 계측하였다. 시험체의 규모와 시험공간의 제약으로 인하여 와이어 타입 변위계에 낚시줄을 연결하여 변위를 계측하였다.

Fig. 4Sensor and gage location

 

5. 실험결과 및 분석

5.1 공진주파수 탐색

Snapback test의 경우 시험체의 최상단부에서 계측된 가속도응답의 PSD(power spectral density)함수를 이용하여 공진주파수 결정하였으며, 공진탐색 시험은 식 (1)과 같이 진동대에서 입력된 가속도에 대한 시험체 각 위치에서 응답가속도의 전달함수(transfer function)를 산정함으로써 시험체의 공진주파수를 결정하였다. 전달함수인 Txy는 입력된 신호의 PSD인 Pxx에 대한 입/출력신호의 CPSD(cross power spectral density) Pyx에 의해 계산된다. 공진분석의 정밀도를 향상시키기 위하여 각 신호에는 해밍윈도우(hamming window)가 적용되었다.

5.2 감쇠비 결정

대수감소율법(logarithmic decrement method)은 자유 진동신호에서만 적용이 가능하며, 반동력대역법(half power band width)은 신호에 잡음이 많은 경우 정확한 감쇠비 추정이 어렵다(7). 이러한 이유로 IEEE Std. 693에서는 감쇠비를 구하는 방법으로 대수감소율법과 반동력대역법을 모두 권고하고 있다. 따라서 신호의 감쇠가 계측 가능한 snapback test의 경우 시험체의 최상단부에서 계측된 가속도응답을 이용하여 대수감소율법으로 감쇠비를 결정하였으며, 공진탐색시험의 감쇠비는 반동력대역법을 이용하여 계산하였다. 대수감소율법은 Fig. 5와 같이 계측응답의 최대값을 잇는 포락곡선의 식 (2)를 구한 다음 감쇠비(ξ)를 유추하였다.

Fig. 5Logarithmic decrement

일반적으로 감쇠비 추정에 가장 많이 이용되는 방법인 반동력대역법은 계측된 가속도신호의 응답 스펙트럼에서의 추정 대상 반동력대역주파수를 이용하여 감쇠비를 추정하는 방법이다. 반동력대역주파수(β1, β2)는 감쇠비(ξ)에 대하여 식 (3)과 같이 정의할 수 있다.

식 (3)에서 은 등가진동계의 고유진동수이고, ξ에 대하여 정리하면 미소감쇠(low damping)인 경우 대상 모드의 감쇠비는 식 (4)와 같이 추정할 수 있다(7).

5.3 내진성능 평가

IEEE Std. 693에서는 이 시험체와 같은 단일기둥 캔틸레버 구조물의 경우 전후좌우로 static pull test를 수행하여야 하며, 시간이력시험 전과 후의 변화량이 15 %를 초과하지 않을 경우, 시험체의 지진에 대한 구조적 건전성이 확보된 것으로 명시하고 있다. Table 2는 시간이력시험 전후의 static pull test에 의한 최대변위의 차이를 나타낸 표로서, 변위계와 시험체와의 거리로 인한 계측오차가 존재함에도 불구하고 오차가 15 % 이하인 것을 확인할 수 있다. Table 3의 오차는 식 (5)의 difference error를 이용해 계산되었다. 이때, 각 방향의 대표값은 2회 실시한 static pull test의 최대변위를 평균하여 사용하였다. 식 (5)에서 R1과 R2는 각각 시간이력시험 전과 후의 응답을 나타낸다.

Table 2Difference error of the maximum displace- ment in static pull tests

Table 3Difference errors of resonance frequencies and damping ratios

Table 3은 시간이력시험 전후의 공진탐색시험과 snapback test의 각 방향에 대한 공진주파수와 감쇠비의 오차를 계산한 것이다. 공진주파수의 변화는 snapback test와 공진탐색시험 모두 그 변화량이 미미하며 IEEE Std. 693에서 제안하고 있는 오차범위 20 %이내인 것을 확인 할 수 있다.

감쇠비의 경우 공진탐색시험의 수직방향에 대한 감쇠비가 27.89 %로 다소 높은 경향이 있다. 하지만 수평방향 감쇠비의 오차는 10 % 이하이며, 특히 공진탐색시험의 경우 오차가 0 %로 나타남에 따라 구조물의 심각한 변형 및 파손은 일어나지 않은 것으로 판단하였다.

알루미늄의 허용응력은 ADM(8)과 ASD(9)에 따라 인장강도에 안전계수인 1.95를 나누어 구하였다. 강재는 ASD에 따라 항복강도에 0.6을 곱하였으며, 포르셀린의 허용응력은 IEEE Std. 693에 따라 극한응력의 1/2이다. 일반적으로 포르셀린의 극한응력은 110~160 MPa이므로(10) 이중 가장 낮은 값인 110의 1/2인 55 Mpa을 허용응력으로 사용하였으며, 알루미늄과 강재의 허용응력은 각각 118 MPa과 141 MPa이다. 여기에 IEEE Std. 693에서 시간이력시험에 대해 제공하는 계수인 4/3을 곱하여 허용응력으로 사용하였다. 그러므로 시간이력시험의 허용응력값은 Table 4와 같다. 허용응력과 계측된 응력값들의 비는 식 (6)을 이용하여 계산하였다. 여기서 F는 허용응력이고 f는 계측된 응력값이다. Table 4에서 허용응력과 계측된 응력값의 비가 모두 1이상으로 허용응력을 만족하고 있음을 확인하였다. 응력은 변형률과 탄성계수의 곱으로 계산한 것으로 탄성계수는 알루미늄 72400 MPa, 포르셀린 80000 MPa, 강재 200000 MPa를 사용하였다.

Table 4Allowable stresses and maximum stress of time history test

진동대 실험을 전후하여 시험체의 변형 및 파손 또는 볼트풀림 등의 외형적인 변화는 발견되지 않았다. 그리고 내진성능 평가의 마지막 단계인 기능실험에서 정상 가동됨에 따라 이 시험체는 지진에 대한 건전성이 확보되었음을 확인 할 수 있었다.

 

6. 결 론

이 논문에서는 IEEE Std. 693의 절차에 따라 국내 최초로 500 kV EBA의 내진성능평가를 수행하였다. 높이가 9 m 이상의 대형 구조물인 시험체는 진동대 실험을 수행함에 있어서 효과인 가진이 어려우며 운송비용과 시간, 거리 등의 경제적인 문제와 이동 중 발생 가능한 손상 등으로 인하여 IEEE Std. 693에서 요구하고 있는 절차에 따라 정적실험과 동적실험을 모두 수행하기에는 조심스러울 수 있다.

이 논문에서는 동일한 장소의 제한된 공간에서 정적 실험과 진동대 실험을 순서대로 진행하여 내진 성능평가를 수행하였다. (주)대한전선은 이 결과를 활용하여 국내 최초로 미국에서 500 kV 초고압 케이블 프로젝트를 수주하였으며 따라서 대형 전력설비의 내진성능을 평가하기 위한 핵심 기술 및 역량을 확보한 것으로 판단된다.