최근 산업 발달에 따라 전력소비가 증가해 대용량의 전력소비가 요구되고 있다. 또한, 이상기온으로 인한 하절기 폭염 및 동절기 한파로 전력수급에 자주 비상이 걸리고 있다. 정전시의 국가적 손실을 가정하면 천문학적 피해를 피할 수 없다. 이 때 가장 중요한 것이 바로 개폐장치다.
전압과 전류를 감시하고 있다가 사고가 발생했을 때 전력을 차단해 사고가 확대되는 것을 막는 역할도 하는 개폐장치는 안전하게 계통을 보호하는 기계 장치로 주로 사용되고 있다.
최근 친환경, 소형집적화, 지능화, 디지털화 등 다양한 형태로 발전하고 있는 개폐장치 산업은 여타 제조업과 달리 제품 고장시 발생하는 파급효과가 막대하기 때문에 안전성, 신뢰성 및 내구성이 다른 요건보다 우선적으로 고려되며, 특히 최근에는 지구 온난화로 인한 환경적인 측면까지 강조되고 있는 산업이다.
전기에너지의 생산, 수송, 공급 등 국가 전력 공급망 구축에 필수적인 자본재 산업으로 타 산업에 비해 투자비용이 크게 소요되고, 또한 투자회수 기간이 장기간 소요되며 관련 산업의 전·후방 연쇄 효과가 매우 큰 산업인 중전기기 산업 중 하나인 개폐장치 산업에 대해 월간 <전기산업> 2월호에서 재조명해봤다.
취재 이명규 기자(press6@engnews.co.kr)
1. 개폐장치 산업의 개요
(1) 개폐장치의 정의
개폐기(開閉器)는 영어식 용어를 그대로 사용해 스위치(Switch)라고도 칭하며, 보통 전류의 흐름을 막거나 계속 흐르게 하는 용도로 쓰인다. 전력 퓨즈와 조합해 통전 상태에서 이상이 생겼을 때 차단하는 능력을 가지도록 한 것도 있다.
(2) 개폐장치의 종류
① 단로기(Disconnection Switch)
단로기는 개폐기의 일종으로 수용가 구내 인입구에 설치해 무부하 상태의 전로를 개폐하는 역할을 하거나 차단기, 변압기, 피뢰기 등 고전압 기기의 1차측에 설치해 기기를 점검, 수리할 때 전원으로부터 이들 기기를 분리하기 위해 사용한다.
이것은 다른 개폐기가 전류 개폐 기능을 가지고 있는 반면에, 단로기는 전압 개폐 기능만을 가진다. 따라서 부하전류를 차단하는 능력이 없어 부하전류가 흐르는 상태에서 차단하면 매우 위험하다.
정격전류가 작아도 정격 단시간 전류가 큰 경우에는 정격 단시간 전류에 적합한 정격전류의 단로기를 선정한다.
② 고장구간 자동 개폐기(ASS: Automatic Section Switch)
고장구간 자동 개폐기는 수용가 구내에서의 사고(지락사고, 단락사고 등)시 전원으로부터 즉시 분리해 사고의 파급 확대를 방지하고, 구내설비의 피해를 최소화하는 개폐기이다.
주로 22.9㎸-Y 배전 계통에서 부하용량 4,000㎸A 이하 선로에 설치해 과부하 또는 고장 전류 발생시 고장 구간을 자동 개방해 파급 사고를 방지한다. 또한, 순간 고장은 재투입 기능을 선택할 수도 있다.
③ 자동 부하전환 개폐기(ALTS: Automatic Load Transfer Switch)
자동 부하전환 개폐기는 22.9㎸-Y 접지계통의 지중 배전선로에 사용되는 개폐기로서 중요 시설(공공기관, 병원, 인텔리전트 빌딩, 상하수도 처리시설 등)의 정전시에 큰 피해가 예상되는 수용가에 이중전원을 확보해 주전원의 정전시나 정격전압 이하로 떨어지는 경우 예비전원으로 자동 전환돼 무정전 전원공급을 수행하는 개폐기이다.
④ 부하 개폐기(LBS: Load Breaker Switch)
고압 또는 특별고압 부하 개폐기는 고압 전로에 사용하며, 정상 상태에서는 소정의 전류를 개폐 및 통전하고, 그 전로가 단락 상태가 돼 이상전류가 흐르면 규정시간 동안 통전할 수 있는 개폐기를 말한다. 여기서 소정의 전류란 부하전류, 여자전류 및 충전전류를 뜻하며, 실제로 사용할 때는 전력 퓨즈를 부착해 사용한다.
⑤ 선로 개폐기(LS: Line Switch)
선로 개폐기는 보안상 책임 분계점에서 보수 점검시 전로를 개폐하기 위해 시설하는 것으로 반드시 무부하 상태에서 개방해야 하며, 단로기와 비슷한 용도를 사용한다.
근래에는 LS 대신 ASS를 사용하며, 22.9㎸-Y 계통에서는 사용하지 않고 66㎸ 이상의 경우에는 LS를 사용한다.(300㎸A 이하의 경우에는 기중부하개폐기(IS)를 사용한다).
⑥ 인터럽터 스위치(INT. SW: Interrupter Switch)
배전 선로 및 수용가의 고압 인입구에 설치하며 수동 또는 자동으로 원방 조작에 의해 부하의 분리 및 투입시 사용한다. 개폐시 발생하는 아크(Arc)는 소호통에 의해 소멸되며, 소호통은 개폐시 발생하는 아크를 소호통의 좁은 통로를 지나는 동안에 냉각, 분산해 소호시킨다.
⑦ 컷아웃 스위치(COS: Cut Out Switch)
변압기 및 주요 기기의 1차측에 부착해 단락 등에 의한 과전류로부터 기기를 보호하는 데 사용된다.
(3) 개폐장치 산업의 특성
① 경제적 특성
- 전력용 개폐장치 산업은 중간재 투입이 많은 업종으로 전문화, 계열화되어 있어 관련 산업에의 파급효과가 매우 크다. 따라서 국가 경제의 활성화 차원에서도 비중이 크다.
- 우리나라는 산업고도화, 복지화, 정보통신화와 더불어 전기에너지의 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 전력용 개폐장치의 수요도 향후 늘어날 것으로 전망된다. 그와 더불어 전기에너지의 수송 및 공급에 필수적인 전력용 개폐장치의 중요성은 더욱 커질 것으로 예상된다.
② 기술적 특성
- 전력용 개폐장치는 아직도 선진국들이 기술이전을 기피하고 있으며, 국제시장의 수출경쟁 대상국으로 부상하고 있는 우리나라를 경계하고 있어 독자적인 개발능력을 확보해야 할 필요성이 절실하다.
- 우리나라의 전력용 개폐장치산업은 최근까지도 국내의 한국전력을 주된 고객으로 성장해왔으므로 개발된 모델이 한정되어 있어 다양한 국제시장의 요구에 부응하기 위해서는 다양한 기종들을 개발해 적극적으로 대처해야 한다.
- 전력용 개폐장치는 산업의 특성상 선진국 특성과 후진국 특성이 혼재되어 있어 최근 들어 선진국들의 기술개발 투자가 다소 추춤하고 있는 상태이다. 따라서 우리나라가 수출주도산업으로 이끌기에는 아주 적절한 산업으로 판단된다.
2. 개폐장치의 현황
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전기산업의 가장 큰 수요처인 주택건설 및 조선경기 침체, 내수부진의 장기화, 업체간 과당경쟁, 미국, 캐나다 변압기 반덤핑 관세 부과에 따른 미주 지역 변압기 수주 실적 감소 등 각종 대외 여건이 전반적으로 악화된 상황이다.
이러한 세계적인 경기침체에 따른 투자 지연으로 인한 수주 감소에도 불구하고, 신흥국 경제 발전에 따른 설비투자 증가로 전력 및 발전 기자재 수요는 전체적으로 소폭 증가한 것으로 나타났다. 주요 수출지역은 중국, 베트남, 미국, 사우디, 홍콩 등으로 파악되고 있으며, 이들 지역에 대한 수출비중은 지속적으로 확대될 예정이다.
내수는 2014년의 경우 전년대비 2.3%(44조 원), 생산 2.0%(45조 원) 소폭 상승한 것으로 파악되며, 수출비중도 지속적인 확대(생산의 40% 상당)로 수출 10.0%(165억 달러), 수입 11.1%(161억 달러) 증가해 무역수지 4억 달러로 추정된다.
FTA, 영연방(캐나다, 뉴질랜드, 호주 3개국 FTA), TPP(미국 주도), CEPA, RCEP(중국주도) 등 양자 또는 다자 간 자유무역협상 추진에 따른 해외시장 진출의 활성화때문으로 판단된다.
(1) 생산
생산에서는 국내 경기 부진 지속에 따른 소비 심리 위축에도 불구하고, 국내외 전력수요 증가에 따른 설비 투자 및 전력기자재의 수요가 다소 증가한 것으로 나타났다.
특히 중국 및 베트남, 브라질 등 신흥국 지역으로의 수출 상승세 지속으로 2013년 대비 2.0% 증가한 45조 원으로 파악되고 있다.
그 중, 개폐장치와 관련된 배전 및 제어기는 2010년 5,176십억 원에서 2014년 7,399십억으로 연평균 9.3% 증가했으며, 차단기 역시 2010년 1,674십억 원에서 2014년 2,402십억 원으로 9.4% 증감율을 보였다.
다만, 한전의 전력설비 확충계획에 따라 크게 좌우되는 경향이 있는 전력용 개폐기 산업의 국내시장은 앞으로도 상당한 기간 동안 성장이 지속될 전망이나 그 성장률은 점차 둔화될 것으로 점쳐지고 있다.
(2) 수출
수출의 경우 중국과 인도지역의 후발업체가 전력설비 시장에 진입하면서 수주 경쟁이 치열해질 것으로 예상되나, 신흥국의 경제 발전에 따른 사회 간접자본 확충 및 전력설비 투자 확대로 인한 수요 증가, 신시장 개척을 통한 적극적인 해외시장 공략이 맞물려 소폭의 상승세를 나타냈다.
개폐 보호 및 접속장치의 경우, 2010년 548백만 달러에서 2014년 920백만 달러로 연평균 13.8%의 증감율을 보였다.
(3) 수입
중국은 전기산업의 최대 수입국으로(전체 수입 비중의 52%) 저압기기(차단기, 인버터, 전동기 등) 및 범용 부품 등 수요 확대에 따른 수입이 지속적으로 증가하고 있다.
그 외 주요 수입지역은 일본, 미국, 노르웨이 순이며, 노르웨이, 베트남의 국가에서 선박용 배전 및 제어반의 수요가 급증하고 있는 것으로 나타났다. 주요 수입품목으로는 배전 및 제어반, 차단기 등이 있다.
개폐 보호 및 접속장치는 2010년 315백만 달러에서 2014년 599백만 달러로 연평균 17.4%의 증감율을 보였다.
(4) 국내 기술개발 현황
각 품목별 국내 기술개발 현황을 살펴보면 다음과 같다.
① 초고압 GCB/GIS
170㎸ 2000A 31.5㎄ GIS를 1980년 국내 최초로 효성중공업이 개발한 이후, 362㎸ 63㎄ 1점절 GIS(GS산전), 800㎸ 50㎄ 2점절 GIS(효성, 현대중공업), 420㎸ 50㎄ 1점절 GIS(효성), 550㎸ 50㎄ 2점절 GIS(효성) 등이 잇달아 개발됨으로써 국내 기업들의 초고압 GIS 개발능력은 세계적인 수준에 도달한 것으로 파악된다.
② 진공차단기
6.6㎸급에서부터 38㎸ 31.5㎄까지 국산화 개발이 완료됐으며, V.I.(Vacuum Interrupter) 설계, 부품 제작, 소재, Magnetic Actuator를 채용한 조작장치 개발 등에서도 상당한 수준에 도달해 국제 규격인 IEC 또는 ANSI를 충분히 만족시키고 있다.
또한, 아크접점의 재질 및 형상개선을 통한 재단전류의 감소, 차단전류의 증대, 차단회수의 증가 등을 위한 연구개발에 주력하고 있다.
③ 배전급 GCB
재단전류가 대폭 감소된 진공차단기의 개발로 인해 리액턴스 부하(회전기, 변압기 등)에 대한 GCB의 장점이 적어지고 있는데다가 기본적으로 진공차단기에 비해 가격 경쟁력이 떨어져서 적극적인 연구개발 투자가 이뤄지지 않고 있다.
④ 배선용 차단기
대부분의 기종에 대한 국산화 개발이 완료됐으며, 최근에는 차단용량 증가 및 콤팩트화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
⑤ 배전급 가스 개폐기
국내에서 많은 업체들이 개발을 완료했으며 상당한 양이 수출되고 있다. 향후 원가절감 및 신뢰성 제고를 위한 연구개발이 필요하다.
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3. 개폐장치를 포함한 중전기기의 전망
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국내 중전기기산업 생산은 제품의 초고압, 대용량화가 꾸준히 추진되고 있으며, 개별기기의 공급방식에서 시스템 단위공급으로 전환되고 있는 점을 고려할 때, 2015년 약 40조 원, 2020년에는 약 65조 원 규모에 달할 것으로 전망되고 있다.
중장기적으로는 남북협력사업의 진척과 동북아 전력 연계 등 특수 수요의 증가로 생산이 늘어날 가능성이 더욱 높을 것으로 보인다. 또한 산업 특성상 신규시설 및 교체수요 등 꾸준한 국내 수요에 대응하는 생산시설도 계속 유지될 것으로 예상된다.
최근 국내업계는 신규시장의 진입을 위해 적극적인 투자 의지를 보이고 있으나, 실제 투자 의사 결정에는 대전력시험설비 구축 여부가 중요한 요인으로 작용할 전망이다. 다만, 세계 시장 변화에 대한 산업계의 적극적인 대응투자를 유도하기 위해서는 중전기기산업계 수요증대에 따른 시험적체 해소를 위한 시험설비의 보강이 매우 시급하다는 점을 인지해야 할 것으로 판단된다.
수출은 우리나라가 아직까지 중저가의 범용제품에서 가격 및 품질경쟁력을 유지하고 있어 중국을 비롯한 신흥개발도상국을 중심으로 호조세를 지속할 것으로 예상되는 바, 2015년 약 200억 달러, 2020년에는 약 400억 달러에 달할 것으로 전망된다.
그러나 아직 우리나라의 중전기기산업은 유럽, 일본 등의 선진국에 비해 기술적인 열세에 있으며, 인도 및 중국 등과의 경쟁에서는 가격경쟁 열세로 매우 불리한 위치에 있으므로 과감한 기술 투자로 선진국의 기술을 극복하는 것만이 우리나라 중전기기산업의 활로로 판단된다.
한편, 개폐장치는 현재 미국에서는 거의 사양화 단계에 있으며, 유럽에서는 대대적인 M&A에 의해 경쟁력을 유지하는 한편 적극적인 해외시장 개척으로 돌파구를 찾고 있다. 또한, 일본에서는 최적설계 및 신기술개발로 원가절감을 통한 경쟁력 제고에 심혈을 기울이고 있는 실정이다.
따라서 개폐장치는 전반적으로 선진국들에서는 사양화 경향이 엿보이기 시작하는 분야이나, 후발 개도국들이 진출하기에는 막대한 투자비, 설계/부품가공/조립/시험평가 기술 등의 부족으로 인해 어려움을 겪는 산업으로 판단된다. 그러므로 우리나라와 같은 선발개도국이 선진국들로부터 이어 받아서 수출주도 산업화하기에는 최적인 분야라 할 수 있다.
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4. 우리나라 개폐장치의 기술개발, 향후 어떠한 방향으로 가나
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① 복합 소호형 가스절연개폐장치
종래의 가스절연 개폐장치는 전류 차단시 대용량 조작장치를 사용해 차단부내 압축실의 SF6 가스를 기계적으로 압축 및 분사해 전류를 차단하는 방식이었으나, 최근에는 차단부 내 SF6 가스의 압축실과 별도의 팽창실을 구비해 전류 차단시 발생하는 아크의 에너지를 팽창실에 흡수, 저장했다가 다시 분사해 전류를 차단하는 방식으로 소호 방식이 개량화되는 추세이다.
그에 따라 효율적이고 우수한 소호 방식을 채택하는 복합 소호형 가스절엽 개폐장치를 개발하기 위해 조작기의 용량과 전류 차단 시 분사되는 가스량을 크게 줄여 차단부 소형화 및 내구성 향상, 친환경 설계가 가능한 신 차단 방식에 대한 연구가 꾸준히 이뤄지고 있다.
국내에서도 복합소호차단방식을 적용한 가스절연개폐장치가 개발돼 145㎸ 및 170㎸급 가스절연개폐장치에 적용됐을 뿐만 아니라, 기술적 노하우 축적으로 복합소호방식을 적용한 가스절연개폐장치 기술을 선도해 나갈 수 있는 기술 기반을 확보중이다.
② 저조작력 개폐장치
개폐장치 차단부의 소형화는 절연성능 제약으로 한계가 있으며, 이와는 별도로 저조작을 구비한 소형 개폐장치를 차단부에 접목해, 향후 복합소호방식을 적용한 가스절연개폐장치가 550㎸급까지 개발될 예정이다.
이러한 저조작력 개폐장치의 독자기술을 확보하기 위해 국내에서는 열유체 해석 및 유부하 실험을 결합해 최적의 소호부를 설계하고 있으며, 향후 저조작력 조작장치의 개발 및 국산화에 주력해야 할 것으로 판단된다.
③ 친환경형 개폐장치
지구 온난화에 따른 국제적인 협정 및 대응으로서, 중전기기 분야에서도 SF6 가스의 의존도를 줄여야 하는 당면 과제를 해결하기 위해 친환경 기술을 개발해야 한다.
교토의정서의 발표('05.02)에 따라 선진국에는 온실가스 감축이 의무화되어 SF6 가스 대체절연을 위한 기술 개발이 가속화될 전망이기 때문이다.
52㎸까지의 배전 분야에서는 공기절연 또는 고체절연 방식 개폐장치의 상용화가 이뤄지고 있으며, 72.5㎸ 이상의 초고압 분야에서는 차단부는 진공밸브를 이용하고 주위 절연은 SF6 가스를 저압력으로 충전해 사용되는 가스의 양을 줄임과 동시에 재활용이 가능하도록 하는 기술을 개발하고 있다.
전 세계적으로 에너지·환경 라운드에 대비한 에너지 절약기술, 대체에너지 및 청정에너지 기술, CO2 및 SF6 가스 저감기술, 전기환경 기술과 실용화기기 개발에 집중 투자하고 있는 추세다.
점차 친환경 개폐장치에 대한 요구가 커짐에 따라 차단부, DS/ES부 및 모선부에 초고압 VI와 대체가스를 이용하는 복합절연방식을 채택하는 등 대표적 온실가스인 SF6 가스를 전혀 사용하지 않는 친환경형 제품이 개발되고 있다. 이러한 친환경 개폐장치 분야에 있어서 세계적으로 170㎸급 이상의 송전용 개폐장치의 SF6 가스를 대체할 제품 개발은 한계상황에 있지만, VI 생산기업에서는 지속적인 연구개발로 초고압에 사용될 VI개발에 주력할 것이므로 이를 이용한 SF6 가스 대체절연 스위치기어도 지속 개발될 것으로 전망된다.
각국의 온실가스 저감 및 배출억제 정책에 따라 개폐장치 시장도 SF6 가스를 사용하지 않는 친환경 제품에 대한 시장이 급성장할 것으로 예상되며, 선진국 대비 국내 기술 수준은 아직은 열세에 있으므로 대안 마련이 시급한 것으로 판단된다.
④ 극초고압 개폐장치
초고압 GIS 기술은 1900년대에 개발되기 시작하여 1970년대까지는 유럽과 미국이 기술개발과 세계시장을 주도했고, 1980년대부터 현재까지는 유럽과 일본이 기술개발을 선도하고 있는데, 특히 1990년대에 들어서서 일본이 정격전압 1,100㎸ 교류용 중전기기와 ±500㎸ 직류용 중전기기를 개발함으로써 세계의 기술 선진국 역할을 하고 있다,
최근 국내는 765㎸급 송전계통 전압 승압(2002년 상반기 송전개시)으로 전반적인 초고압기기 운영 및 관련 기기 기술이 선진국 수준으로 향상됐으나, 일부 핵심기술은 아직도 상대적으로 낮은 편이다.
초고압 중전기기의 경우 해외의 시장에서 선진국과의 치열한 경쟁으로 인해 핵심기술 이전의 기피현상 등 선진국의 기술보호가 심화되고 있는 실정이다. 국내에서도 2000년대 초반에 한국전력공사의 800㎸ 송전전압 격상에 따라 해외로부터의 기술도입을 통해 800㎸가스절연 개폐장치의 개발을 완료했으며, 현재에는 독자적인 설계기술을 확보해 중국의 800㎸송전전압 격상에 따른 변전소를 수주한 실적도 가지고 있다. 그에 따라 중국, 인도에서 추진되고 있는 1100㎸급 송전전압 격상에 대비하기 위한 독자기술 개발에 박차를 가해야 할 것으로 사료된다.
5. 마무리
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전기사고가 많이 발생하는 전기설비는 옥외용 고압 기중부하 개폐기, 고압 부하 개폐기, 고압 가공전선, 케이블, 변압기 등이 꼽힌다.
이처럼 다수의 전기사고에 등장하는 개폐장치는 기술 및 노동집약적인 산업으로 기술축적기간이 길며, 대용량, 초고압 제품일수록 대단위 설비투자 및 고도기술을 필요로 한다. 또한, 투자회수기간이 길어 자본회전율이 낮고, 건설 및 산업설비 투자와 전원개발의 수요에 크게 좌우돼 생산의 탄력성이 취약하다는 특징을 가진 반면, 산업연관효과가 크다는 장점이 있다.
현재 미국에서는 거의 사양화 단계, 유럽에서는 대대적인 M&A에 의해 경쟁력을 유지하는 한편 적극적인 해외시장 개척으로 돌파구를 찾고 있는 개폐장치산업을 우리가 친환경, 소형집적화, 지능화, 디지털화 등 다양한 형태로의 개발을 통해 발전시킨다면 수출주도 산업으로의 역할을 톡톡히 할 것으로 기대된다.
※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 전력수급의 필수품, ‘개폐장치’ 친환경, 소형집적화, 지능화, 디지털화로 변신中!
