252kV 탱크형 고압 유황육플루오르화물 회로 차단기의 3상 기계 전송 설계 방안

중국 고압 전력망에서 252kV 탱크형 SF₆ 회로 차단기용 3상 기계 연동 설계 및 적용

중국의 고압 송전망에서는 3상 전력 송전 시스템이 보편적으로 채택되며, 고압 전기 장비도 3상 배치로 구성됩니다. 대부분의 기존 252kV 탱크형 SF₆ 회로 차단기는 각 상에 독립적인 모터-스프링 작동 기구를 장착한 분리형 설계를 특징으로 합니다. 3상 기계 연동은 접속 제어 박스를 통한 전기적 연결을 통해 이루어집니다. 그러나 전기적 연결은 외부 영향에 취약하여 종종 비전상 작동이나 3상 전환 동기화 불량 등의 문제를 일으킵니다. 이러한 문제는 송전선에 대한 서지 스트레스 증가로 인해 전력망 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 이러한 도전과제를 해결하고 운영 신뢰성을 향상시키기 위해, 단일 기구를 통해 동기화된 구동을 보장하는 3상 기계 연동 구조가 개발되었습니다. 이를 통해 3상 동기화가 개선되고 상 결함을 방지할 수 있습니다.

설계 계획
전기 연동과 기계 연동 비교

• 3상 전기 연동: 세 개의 독립적인 작동 기구 (예: LW24-252 제품의 CT20 모터-스프링 기구)를 사용하며, 접속 제어 박스 내의 전기적 연결을 통해 상간 조정이 이루어집니다. 각 상의 구동축은 해당 소멸실에 직접 연결됩니다. 보호 시스템은 3상 위치 불일치 릴레이를 사용하여 트리핑을 유발합니다.

• 3상 기계 연동: 단일 압축 스프링 작동 기구를 사용하며, 3상 소멸실은 기계적 연결 막대를 통해 연결됩니다. 수평 소멸실 배치 (주로 야외 변전소에서 일반적)의 252kV 탱크형 회로 차단기의 경우, 작동 기구와 구동 시스템은 소멸실 앞쪽에 위치하므로, 기구 장착, 구동 체인, 지지 구조물에 대한 재최적화 설계가 필요합니다.

LW24-252 회로 차단기 개조

원래의 LW24-252는 세 개의 CT20 기구를 사용한 분리형 작동을 특징으로 합니다. 기계 연동을 달성하기 위해서는:

• 업그레이드된 작동 기구: 고출력 압축 스프링 기구 (예: CYA5-5)로 교체하여 증가된 작동 에너지 요구 사항 (단일 상 전환 에너지 계산에 따라 강력한 압축 설계 필요)을 충족시킵니다.

• 밀봉 구조 개선: 마찰과 비용이 높은 압축 PTFE V형 패킹을 사용한 직동식 밀봉에서 회전식 립 밀봉으로 전환하여 작동력을 줄이고 신뢰성을 향상시킵니다.

• 강성 상간 고정: 상간 간격 유지와 구동 강성을 향상시키기 위해 연결 플레이트를 설치합니다.

• 듀얼 타이로드 시스템: 전환 중 변형을 방지하고 동기화된 움직임을 보장하기 위해 듀얼 타이로드를 사용합니다.

• 통합 기구 박스: 단일 압축 기구를 수용하도록 재설계하여 제어 및 기계적 인터페이스를 간소화합니다.

작동 원리 및 구조

압축 스프링 기구는 피스톤 막대를 선형 운동으로 구동하며, 이는 구동 크랭크암을 통해 회전 운동으로 변환됩니다. 이 운동은 타이로드를 통해 3상을 동기화합니다. 크랭크암 박스는 다시 회전 운동을 선형 운동으로 변환하여 소멸실 내의 이동 접점을 작동시킵니다.

• 닫힘 과정: 피스톤 막대가 오른쪽으로 이동하여 크랭크암을 반시계 방향으로 회전시킵니다. 이 운동은 타이로드를 통해 모든 3상으로 전달되어 내부 타이로드를 안쪽으로 밀어 접점이 완전히 닫힐 때까지 작동합니다.

• 열림 과정: 운동이 역방향으로 진행되며, 피스톤 막대가 후퇴하여 접점을 분리합니다.

구동 부품의 강도 설계

3상 연동 하에서도 원래의 기계적 특성을 유지하기 위해, 압축 스프링 기구의 고출력 에너지 (예: 10,000J 총 전환 에너지)는 강화된 크랭크암과 타이로드를 필요로 합니다. 유한 요소 해석은 고에너지 작동 중 재료 한도 내에서 스트레스 분포를 보장합니다.

기구 선택 및 디버깅
압축 스프링 기구 특징

• 장점: 컴팩트한 설계, 높은 통합, 큰 작동 에너지 (닫힘 2540J, 트리핑 10005J), 최소한의 온도 영향, 높은 신뢰성.

• 기술적 매개변수:

• 정격 작동 주기: 열림 - 0.3초 - 닫음-열림 - 180초 - 닫음-열림

• 정격 유압: 48.7MPa ±3MPa

• 에너지 저장 시간: 주당 60초 이하

• 기계적 수명: 5000 사이클 (M2 등급: 10,000 사이클)

디버깅 및 성능

• 에너지 매칭: CYA5-5 기구 (총 에너지 10,000J)는 252kV 회로 차단기의 요구 사항 (트리핑 6500J, 닫힘 3500J)을 충족하며, 안전 여유를 확보합니다.

• 동기화: 3상 전환 동기화는 솔레노이드 밸브의 유량 조절을 통해 3ms 이하 (기존 LW25-252의 3ms 기준 대비)로 개선되었습니다.

• 비용 효율성: 세 개의 별도 기구를 하나로 교체하여 비용을 약 15% (기존 분리형 설계의 85%) 절감하며, 신뢰성 향상으로 판매 가치가 1.5배 증가합니다.

형식 시험

• 표준: DL/T593, GB1984, IEC62271-100 준수.

• 주요 시험:

• 동적/열적 안정성: 50kA 3초, 125kA 0.3초

• 단자 고장 시험 (T100s): 50kA

• 기계적 수명: 5000 사이클 성공적으로 완료

• IP 등급: 기구 박스는 보호 수준 시험을 통과했습니다.

결론

개발된 252kV 탱크형 SF₆ 회로 차단기용 3상 기계 연동 시스템은 고압 전력망의 중요한 신뢰성 문제를 해결합니다. 상 동기화 오류를 제거하고 구성 요소 수를 줄임으로써, 이 혁신은 전력망 안정성을 향상시키고 비용 절감을 달성합니다. 국제적인 선도 기술 표준과 독립적인 지식재산권을 갖춘 이 솔루션은 국내 기술적 공백을 메우며, 중국의 전력망 확장을 위한 강력한 장비 지원을 제공하고, 하이브리드 스위치 기어 시스템 등 다양한 시장 전망을 제공합니다.