전력망 강화: 과학자들, 내진 변압기 부싱 개발

아이다호 국립연구소, 지진 시 변압기 부싱 파손 방지 위한 공진 주파수 디커플러 개발

우리가 당연시하는 전력망에는 크고 비싼 장비가 관여하며, 가장 주목할 만한 것은 전력 변압기입니다. 하나가 고장나면 교체에 1년 이상 걸리고 막대한 비용이 듭니다. 캘리포니아나 태평양 북서부처럼 인구 밀도가 높고 지진 활동이 활발한 지역에서는 시간이 사치가 아닙니다.

변압기 부싱: 지진 시 최대 취약점

지진 발생 시 대형 고전압 전력 변압기에서 가장 취약한 곳은 부싱(bushing)입니다. 부싱은 변압기 내부 권선과 외부 전력선 사이에 전류를 안전하게 안내하는 중공 전기 절연체입니다. 주로 도전체(보통 구리나 알루미늄)를 격리하고 고전압 전류가 새거나 스파크를 일으켜 폭발을 유발하지 않도록 하는 능력이 있는 자기(porcelain)로 만들어집니다.

부싱은 변압기 터렛에 볼트로 고정되며, 터렛은 메인 탱크에서 위로 뻗어 있습니다. 이 연결부가 아이다호 국립연구소(INL) 연구팀의 초점입니다. 팀의 목표는 부싱 베이스에 장착되고 조율되어 부싱과 터렛의 공진 주파수가 일치하는 것을 방지(자기 부싱에 증폭된 기계적 스트레스 발생)하는 기계적으로 단순하고 조정 가능한 아이솔레이터인 디커플러(decoupler)를 개발하는 것입니다.

"공진 주파수가 핵심입니다."라고 프로젝트 수석연구원이자 2025년 대통령 초기 경력 과학자·엔지니어 상 수상자인 비에른 바겐스미스(Bjorn Vaagensmith)는 말했습니다.

공진 주파수의 파괴력

모든 물체는 입력 진동이 물체에서 최대 증폭될 때 발생하는 공진 주파수를 가집니다. 음파가 와인 잔이나 거울을 깨뜨리는 것이 공진 주파수 작동입니다. 토목 공학 역사상 가장 잘 알려진 예는 1940년 타코마 내로우즈 다리 붕괴입니다. 풍속과 방향이 다리 설계 및 소재와 결합해 공진 주파수를 만들어 상판이 격렬하게 진동하게 했습니다. 새로 지어진 다리는 4개월 만에 조각나 푸젯 사운드로 떨어지기 전 '갤로핑 거티(Galloping Gertie)'라는 별명을 얻었습니다.

지진에서 지진파는 대형 전력 변압기로 전달되는 상하 또는 앞뒤 진동 지반 운동을 유발합니다. 강철로 만들어지고 절연유로 채워진 대형 전력 변압기 탱크는 유연성과 밀도 때문에 장착된 장비와 동적으로 공진할 수 있습니다. 탱크와 장착된 부싱이 같은 파장에 있으면 지진으로부터 증폭된 진동이 부싱에 치명적 고장 수준의 스트레스를 가할 위험이 있습니다.

디커플링 장치로 공진 주파수 분리

바겐스미스와 동료들(INL의 챈두 볼리세티(Chandu Bolisetti), WEGAI의 존 벤더(Jon Bender))는 부싱의 공진 주파수를 변압기에서 벗어나게 이동시키는 디커플링 장치 개발로 이 문제를 해결하려 합니다. 그들이 설계한 디커플러는 부싱 베이스에 쉽게 설치할 수 있고 오래된 변압기 모델에 저비용으로 개조할 수 있습니다. 팀은 설계 특허를 추진 중입니다.

자금 지원 및 테스트 계획

프로젝트는 초기에 INL의 연구실 주도 연구 개발 프로그램을 통해 자금 지원되었습니다. 이제 미국 에너지부 전력국의 변압기 복원력 및 첨단 구성요소(TRAC) 프로그램과 사이버보안, 에너지 안보 및 비상 대응 사무소(CESER)의 협력 지원을 받습니다. TRAC 프로그램은 대형 전력 변압기를 포함한 그리드 하드웨어 기술 과제를 해결해 그리드 현대화를 가속화하기 위해 존재합니다. CESER 사무소는 위협과 위험에 대비해 미국 에너지 인프라를 보호하고 강화하는 것을 목표로 합니다.

프로젝트 완료 시 바겐스미스와 동료들은 공진 주파수 디커플러를 대규모로 테스트하길 희망합니다. 50만 파운드(약 227톤) 변압기를 확보해 2026년 캘리포니아 대학교 샌디에이고 지진 시뮬레이터로 가져갈 계획입니다. 대학의 셰이크 테이블은 미국에서 가장 크고 일본 것만큼만 큽니다. 이는 이 규모의 첫 테스트가 될 것이며 지진대 변압기 안전 요구사항에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

버팔로 대학교와 협력해 팀은 실수를 할 충분한 기회가 있습니다. 그것이 실험의 목적입니다. "우리가 원하는 대로 실패할 수 있습니다."라고 바겐스미스는 말했습니다. "우리 솔루션을 시험하고 한계까지 테스트할 수 있습니다. 샌디에이고 가기 전에 디커플러 설계를 어떻게 할지 확실히 알고 싶습니다."

"사람들이 이 일에 흥분하고 있습니다."라고 바겐스미스는 말했습니다. "오래된 논쟁인 적절한 지진 변압기 보호 조치를 해결하고 부싱 제조업체가 리툴링하지 않아도 되는 솔루션을 내놓을 기회가 있습니다. 유틸리티 회사들은 기쁠 것이고 그리드는 더 복원력 있게 될 것입니다."

출처