초고압 변환기 밸브 차단 중 중성 버스바 회로 차단기의 고장 분석

1.초고압 변환기 밸브의 차단 원리
1.1 변환기 밸브의 작동 원리
초고압(UHV) 변환기 밸브는 일반적으로 티리스터 밸브 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 밸브를 사용하여 교류(AC)를 직류(DC)로, 그리고 그 반대로 변환합니다. 티리스터 밸브를 예로 들면, 여러 개의 티리스터가 직렬 및 병렬로 연결되어 있습니다. 티리스터의 트리거링(전환)과 차단을 제어함으로써 밸브는 전류를 조절하고 변환합니다. 정상적인 작동 중에는 변환기 밸브는 미리 정의된 발화 시퀀스와 타이밍에 따라 AC를 DC로 또는 DC를 AC로 변환합니다 [1].

1.2 변환기 밸브 차단의 원인 및 과정
변환기 밸브 차단은 과전압, 과전류, 내부 구성 요소의 고장, 제어 및 보호 시스템의 이상 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있습니다. 이러한 이상이 감지되면 제어 및 보호 시스템은 신속하게 차단 명령을 발행하여 모든 티리스터 또는 IGBT 밸브의 트리거링을 중단시켜 변환기 밸브를 차단합니다.

차단 과정 중 시스템의 전기적 매개변수에 상당한 변화가 발생합니다. 예를 들어, 정류기 측에서 변환기 밸브가 차단된 후 AC 측 전류는 급격히 감소합니다. 그러나 선로 인덕턴스 때문에 DC 측 전류는 즉시 0으로 떨어지지 않고 대신 중성 버스바 등의 경로를 통해 자유 회전 전류를 형성하며 계속 흐릅니다. 이때 중성 버스바 회로 차단기는 과도한 전류로 인한 시스템 장비 손상을 방지하기 위해 DC 전류를 신속히 차단해야 합니다 [2].

2.변환기 밸브 차단 중 중성 버스바 회로 차단기의 작동 조건
2.1 전기적 매개변수의 변화
변환기 밸브가 차단될 때 중성 버스바 회로 차단기의 전압과 전류는 급격한 변화를 겪습니다. DC 측에서는 차단된 변환기 밸브가 정상적인 전류 흐름을 방지하므로 중성 버스바와 관련 장비에서 과전류가 발생합니다. 또한 시스템의 전자기적 일시적 과정으로 인해 중성 버스바 회로 차단기에 과전압이 나타날 수 있습니다.

예를 들어, 특정 UHV DC 송전 프로젝트에서 변환기 밸브 차단 후 중성 버스바 전류는 즉시 정격 전류의 2-3배로 급증하였고, 중성 버스바 회로 차단기의 전압은 정상 운전 전압의 1.5배까지 크게 변동하였습니다. 표 1은 특정 UHV DC 송전 프로젝트에서 변환기 밸브 차단 중 전기적 매개변수의 변화를 시각적으로 보여줍니다.

표 1: 특정 UHV DC 송전 프로젝트에서 변환기 밸브 차단 중 전기적 매개변수의 변화

2.2 스트레스 변동
변환기 밸브가 차단될 때 중성 버스바 회로 차단기는 전기적 스트레스뿐만 아니라 기계적 스트레스도 견뎌내야 합니다. 전기적 스트레스는 주로 과전압과 과전류에서 발생하며, 이는 차단기 접점의 전기 부식을 가속화하고 그 수명을 단축시킵니다. 기계적 스트레스는 빠른 개폐 동작 중 작동 메커니즘에서 생성되는 충격력과 빠른 전류 변화로 인한 자기력으로 주로 발생합니다. 예를 들어, 자주 발생하는 변환기 밸브 차단 사건에서는 중성 버스바 회로 차단기의 작동 메커니즘 구성 요소가 느슨해지거나 마모되어 정상적인 개폐 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다 [3].

3.초고압 변환기 밸브 차단 중 중성 버스바 회로 차단기의 일반적인 고장 유형 및 원인 분석
3.1 절연 실패
3.1.1 고장 현상
절연 실패는 변환기 밸브 차단 중 중성 버스바 회로 차단기에 발생하는 가장 흔한 고장 유형 중 하나입니다. 주로 내부 절연 재료의 노화나 손상으로 인해 절연 성능이 저하되어 번개방전이나 절연 파괴가 발생합니다. 예를 들어, 일부 장기간 운영된 초고압 직류 송전 프로젝트에서는 중성 버스바 회로 차단기 내부의 절연 도자기 튜브에 표면 오염물과 균열이 발생하여 절연 성능이 심각하게 저하되었습니다.

3.1.2 원인 분석
절연 실패의 원인은 여러 가지 측면이 포함됩니다. 첫째, 고전압과 큰 전류 하에서 장기간 운전하면 절연 재료가 서서히 노화되며 시간이 지남에 따라 절연 능력이 감소합니다. 둘째, 변환기 밸브 차단 중 발생하는 과전압과 과전류는 절연 재료에 심각한 스트레스를 가하여 노화 과정을 가속화합니다. 또한, 습도가 높고 오염이 심한 열악한 운전 환경에서는 절연 표면에 오염물이 축적되어 절연 성능을 더욱 저하시킵니다. 예를 들어, 습도가 높고 염분이 함유된 공기의 해안 지역 초고압 직류 송전 프로젝트에서는 중성 버스바 회로 차단기의 절연 도자기 표면에 도전성 막이 쉽게 형성되어 절연 강도가 크게 감소하고 번개방전 고장이 자주 발생합니다.

3.2 작동 메커니즘 고장
3.2.1 고장 현상
작동 메커니즘 고장은 주로 비정상적인 개폐 시간 또는 개폐 불능(작동 거부)으로 나타납니다. 예를 들어, 변환기 밸브 차단 중 중성 버스바 회로 차단기는 개폐 시간이 너무 길어 DC 전류를 신속히 차단하지 못하거나 제대로 닫히지 않아 접촉이 불량할 수 있습니다.

3.2.2 원인 분석
작동 메커니즘 고장의 원인은 복잡합니다. 한편으로, 자주 이루어지는 작동으로 인해 기계적 구성 요소가 시간이 지남에 따라 마모되거나 변형되어 성능이 저하됩니다. 예를 들어, 메커니즘의 스프링이 피로로 인해 탄성력이 줄어들면 개폐 힘이 부족해질 수 있습니다. 다른 한편으로, 제어 회로의 고장—예를 들어 계전기 고장이나 제어 케이블의 단선—은 메커니즘이 명령을 올바르게 받거나 실행하지 못하도록 할 수 있습니다. 또한, 변환기 밸브 차단 중 발생하는 전자기 간섭은 제어 신호를 방해하여 고장이나 작동 거부를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 특정 초고압 직류 송전 프로젝트에서는 변환기 밸브 차단 중 고전류 버스바 근처에 위치한 제어 케이블이 강한 자기 간섭을 받아 차단기가 열리지 않는 경우가 있었습니다.

3.3 접점 고장
3.3.1 고장 현상
접점 고장은 주로 접점 부식, 접점 저항 증가, 접점 용착 등이 포함됩니다. 변환기 밸브 차단 중 중성 버스바 회로 차단기가 큰 전류를 차단할 때 고온 아크가 형성되어 접점 표면이 부식됩니다. 장시간의 부식은 접점 표면이 불균일해지고 저항이 증가하여 정상적인 작동이 방해받습니다. 심각한 경우 접점이 용착되어 차단기가 열리지 않을 수 있습니다.

3.3.2 원인 분석
접점 고장의 주요 원인은 변환기 밸브 차단 중 발생하는 큰 전류와 고온 아크입니다. 큰 전류는 저울 열을 발생시키며 접점 온도를 상승시키고, 아크의 강한 열은 부식을 가속화합니다. 또한, 접점 재료의 특성과 제조 품질도 아크 저항에 영향을 미칩니다. 고온이나 아크 저항이 낮은 재료로 제작된 접점이나 열등한 공정으로 제작된 접점은 더 쉽게 부식되기 쉽습니다. 예를 들어, 한 초고압 직류 프로젝트에서 중성 버스바 회로 차단기는 아크 저항이 부족한 접점을 사용했으며, 여러 차례의 차단 후에 심각한 부식이 발생하여 접점 저항이 크게 증가하고 정상적인 작동이 방해받았습니다.

3.4 전류 변환기 고장
3.4.1 고장 현상
전류 변환기 고장은 주로 2차측 오픈 회로, 와인딩 절연 손상, 그리고 코어 포화 상태를 포함합니다. 변환기 밸브 차단 중 DC 전류의 급격한 변화는 전류 변환기에 큰 스트레스를 주어 고장이 발생하기 쉽습니다. 예를 들어, 2차측 오픈 회로는 위험한 고전압을 발생시켜 장비와 인원에게 위협을 가할 수 있으며, 와인딩 절연 손상은 내부 단락을 일으켜 측정 정확도를 저하시키고, 코어 포화 상태는 측정 오차를 증가시켜 잘못된 보호 동작을 유발할 수 있습니다.

3.4.2 원인 분석
전류 변환기 고장의 원인은 다음과 같습니다: 첫째, 변환기 밸브 차단 중 발생하는 과전류는 와인딩에 높은 열적 및 전자기적 스트레스를 가하여 절연을 손상시킬 수 있습니다. 둘째, 시간이 지남에 따라 절연 성능이 자연적으로 저하되므로 변환기 밸브 차단과 같은 비정상 조건 하에서 변환기가 고장되기 쉽습니다. 또한, 잘못된 설계나 선택—예를 들어 적절하지 않은 정격 전류 또는 정확도 클래스—은 차단 중 코어 포화 상태를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 한 초고압 직류 프로젝트에서는 전류 변환기의 정격 전류가 너무 낮아 변환기 밸브 차단 중 코어가 빠르게 포화 상태에 도달하여 전류를 정확하게 측정하지 못하고 보호 계전기를 오동작하게 만들었습니다.

변환기 밸브 차단 중 중성 모선 회로 차단기 고장 유형의 비율을 더 잘 이해하기 위해 본 논문은 여러 UHV DC 전송 프로젝트의 고장 데이터에 대한 통계 분석을 수행하였으며, 그 결과는 표 2에 나타내었다.

표 2: UHV 변환기 밸브 차단 중 중성 모선 회로 차단기 고장 유형의 비율

4.초고압 변환기 밸브 차단 시 중성 버스바 회로 차단기의 고장 예방 및 처리 조치
4.1 고장 예방 조치
4.1.1 설비 선택 및 설계 최적화
초고압 직류 송전 프로젝트 건설 단계에서 변환기 밸브 차단과 같은 비정상적인 상황이 중성 버스바 회로 차단기에 미치는 영향을 충분히 고려하고, 설비 선택 및 설계를 최적화해야 합니다. 고절연 성능을 가진 회로 차단기, 우수한 아크 저항 접점, 신뢰성 있는 작동 기구, 적절한 등급의 전류 변환기와 같은 주요 구성 요소를 선택해야 합니다. 예를 들어, 첨단 절연 재료와 제조 공정으로 만든 절연 도자기는 절연 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 강력한 아크 저항성을 가진 접점 재료는 접점 수명을 연장시키고, 잘 설계된 작동 기구는 다양한 작동 조건 하에서 정확하고 신뢰성 있는 개폐를 보장합니다.

4.1.2 설비 모니터링 및 유지보수 강화
중성 버스바 회로 차단기의 운전 매개변수를 지속적으로 모니터링하기 위한 포괄적인 설비 모니터링 시스템을 구축해야 합니다. 이에는 전기 매개변수, 온도, 압력, 진동, 기타 상태 지표가 포함됩니다. 데이터 분석을 통해 잠재적인 고장 위험을 조기에 식별할 수 있습니다. 예를 들어, 적외선 열화상은 접점 및 연결부의 온도를 모니터링하는데 사용될 수 있으며, 이상적인 온도 상승은 적시 검사와 수정 조치를 유발합니다. 절연 저항 및 부분 방전의 온라인 모니터링은 절연 상태를 평가하는 데 도움이 됩니다. 또한, 청소, 윤활, 조임 등의 정기적인 유지보수를 강화하여 설비가 최적의 운전 상태를 유지하도록 해야 합니다.

4.1.3 운전 환경 품질 개선
중성 버스바 회로 차단기의 운전 환경을 개선하여 부정적인 환경 영향을 완화해야 합니다. 예를 들어, 변전소에 공기 정화 시스템을 설치하여 공기 중 오염물질과 부식성 가스를 줄일 수 있으며, 제습기와 같은 효과적인 습도 관리 조치를 통해 설비 주변의 건조한 상태를 유지할 수 있습니다. 해안이나 산업 오염이 심각한 지역에서는 특수 보호 처리, 예를 들어 부식 방지 코팅을 적용하여 설비의 환경 저항성을 향상시킬 수 있습니다.

4.2 고장 처리 조치
4.2.1 신속한 고장 진단 기술 적용
중성 버스바 회로 차단기에 고장이 감지되면 신속한 고장 진단 기술을 활용하여 고장 유형과 근본 원인을 정확히 식별해야 합니다. 지능형 진단 시스템은 실시간 운전 데이터와 고장 특성을 결합하여 데이터 분석과 모델 기반 계산을 통해 빠른 고장 위치 파악을 가능하게 합니다. 예를 들어, 전류와 전압 매개변수의 실시간 모니터링 및 분석은 절연 실패, 접점 손상, 또는 전류 변환기 고장 여부를 판단하는 데 도움이 되며, 진동 분석은 작동 기구의 기계적 문제를 드러낼 수 있습니다.

4.2.2 합리적인 고장 처리 절차 확립
고장 발생 시 신속하고 효과적인 대응을 위해 상세하고 합리적인 고장 처리 절차를 개발해야 합니다. 이러한 절차는 고장 신고, 현장 점검, 고장 진단, 수리 계획, 수리 실행, 설비 테스트, 수용 검증 등을 포함해야 합니다. 전체 과정에서 안전 프로토콜 준수는 인원과 설비를 보호하기 위해 필수적입니다. 예를 들어, 절연 고장을 처리할 때는 먼저 전력을 차단하고 저장된 에너지를 방전한 후 점검 및 수리를 수행해야 하며, 구성 요소 교체 후 엄격한 테스트와 수용 검사를 통해 성능이 요구되는 표준을 충족하는지 확인해야 합니다.

4.2.3 비상 대비 설비 및 대응 계획
중성 버스바 회로 차단기 고장이 시스템 운전에 미치는 영향을 최소화하기 위해 비상 대비 설비를 확보하고 포괄적인 대응 계획을 수립해야 합니다. 심각한 고장이 즉시 수리되지 않는 경우, 비상 대비 설비를 신속히 배치하여 정상적인 시스템 운전을 복원할 수 있습니다. 비상 대비 설비의 정기적인 유지보수와 테스트는 그 상태를 양호한 대기 상태로 유지하기 위해 필요합니다. 대응 계획은 비상 대응 절차, 인원 책임, 통신 프로토콜, 기타 주요 요소를 명시하여 질서 있고 효율적인 비상 대응을 가능하게 해야 합니다.

5.결론
초고압 변환기 밸브 차단 시, 중성 버스바 회로 차단기는 절연 실패, 작동 기구 고장, 접점 손상, 전류 변환기 고장 등 여러 고장 위험에 직면하며, 이러한 고장들은 초고압 직류 송전 시스템의 안전하고 안정적인 운전을 크게 저해할 수 있습니다. 변환기 밸브의 차단 메커니즘과 이러한 조건 하에서의 중성 버스바 회로 차단기의 운전 상태를 철저히 분석함으로써 일반적인 고장 유형과 그 원인이 명확히 식별되었습니다. 이를 지원하는 상세한 사례 연구가 이루어졌습니다. 이러한 고장을 효과적으로 예방하고 처리하기 위해서는 설비 선택 및 설계, 운전 모니터링 및 유지보수, 환경 개선 등에 대한 예방 조치를 취해야 합니다. 동시에, 신속한 진단 기술, 표준화된 수리 절차, 비상 대비 시스템 등 고장 처리 전략을 채택하여 초고압 직류 송전 시스템의 운전 신뢰성을 더욱 향상시켜야 합니다.