극한한 추운 지역에서 탱크 회로 차단기 설치 시 가스 액화 문제에 대한 논의
황화육플루오르화합물(SF₆) 회로 차단기 및 가스 액화 문제에 대한 기술적 설명
황화육플루오르화합물(SF₆)은 뛰어난 전호와 절연 특성을 가지고 있어 회로 차단기에 사용되는 가스입니다. 이러한 차단기는 전력 시스템에서 널리 적용되며, 자주적인 운전과 고속 차단이 필요한 상황에 적합합니다. 중국에서는 SF₆ 회로 차단기가 주로 110kV 이상의 전압 수준에서 사용됩니다. 그러나 SF₆ 가스의 물리적 특성으로 인해 특정 온도와 압력 조건 하에서는 액화될 수 있으며, 이로 인해 차단기 탱크 내의 SF₆ 가스 밀도가 감소하게 됩니다. 밀도가 일정 수준으로 감소하면 차단기는 보호 잠금을 트리거합니다. 중국의 일부 지역, 예를 들어 내몽골, 동북, 신장, 티베트 등에서 겨울철 환경 온도가 -30°C 또는 그 이하로 내려갈 때 SF₆ 가스의 액화로 인한 잠금 현상이 종종 발생합니다.
SF₆ 가스의 액화에 대한 간략한 설명
SF₆ 가스는 매우 높은 화학적 안정성을 가지며, 상온과 상압에서 무색, 무취, 무미, 불연성의 가스로, 뛰어난 절연과 전호 특성을 가지고 있습니다.
가스의 임계 온도는 가스가 액화될 수 있는 최고 온도를 의미합니다. 이 온도보다 높으면 아무리 압력을 가해도 가스는 액화되지 않습니다.
산소, 질소, 수소, 헬륨과 같은 "영구 가스"의 경우 임계 온도가 -100°C 미만이므로, 상온에서는 가스의 액화를 고려할 필요가 없습니다. SF₆ 가스는 다르며, 그 임계 온도는 45.6°C입니다. 온도가 45.6°C 이상일 때만 일정한 기체 상태를 유지할 수 있으며, 외부 압력이 일정 수준에 도달하면 상온에서도 액화될 수 있습니다. 따라서 SF₆ 가스를 충진한 장비에서는 가스의 액화 문제를 고려해야 합니다.
SF₆ 가스의 상태 매개변수 곡선은 그림 1에 표시되어 있습니다. 일정한 가스 밀도 ρ 조건에서 온도가 감소함에 따라 가스 압력도 감소합니다. 온도가 해당 가스 밀도에 해당하는 액화점 A까지 감소하면 가스가 액화되기 시작하고, 가스 밀도는 감소합니다.
시메니스에서 제조된 3AP3 DT 탱크형 회로 차단기 20대가 설치되어 있으며, 정격 전압은 550 kV입니다. 이러한 차단기는 온도 보상 기능이 있는 밀도 계량기를 장착하고 있으며, 그 표시는 가스 밀도 변화를 반영하며 압력 변화를 반영하지 않습니다. 차단기의 주요 매개변수는 표 1에 나열되어 있습니다.
설치 과정에서 제조사가 제공한 매개변수에 따라 엄격히 가스 충진을 수행했습니다. 정격 가스 충진 압력은 0.8 MPa, 경보 압력은 0.72 MPa, 잠금 압력은 0.7 MPa(20°C에서 게이지 압력)로 설정되었습니다. SF₆ 가스의 상태 매개변수 곡선은 그림 2에 표시되어 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 탱크가 잘 밀봉되어 가스 누출이 없는 경우, 온도가 -18°C까지 감소하면 탱크 내의 가스가 액화되고, -21°C에서는 경보가 발생하며, -22°C에서는 차단기가 잠깁니다. 실제 현장 상황은 그림 3에 표시되어 있습니다.
현장의 실제 상황은 상태 매개변수 곡선에서 얻은 결과와 일치합니다.
현장의 재료 공급 상황과 설비 설치 진행 상황에 따라 탱크형 회로 차단기는 11월 말까지 설치, 진공 펌핑, 가스 충진 작업을 완료하였습니다. 설비 인계 검사 및 시운전 작업은 12월 초 10일 동안 집중적으로 이루어졌습니다. 이때 환경 온도는 -22°C 미만으로 떨어져 모든 설치된 차단기가 잠겨, 차단기 설비 인계 검사를 정상적으로 수행할 수 없게 되어 전체 변전소의 건설 일정에 영향을 미쳤습니다.
해결책
위에서 언급한 현장의 잠금 현상에 대해 다음과 같은 해결책을 제안합니다:
가스 충진량 감소
SF₆ 가스 매개변수 특성 곡선에서 볼 수 있듯이, 탱크 내의 가스 충진량이 감소하면 가스의 액화 온도가 낮아지고, 그에 따른 잠금 온도도 함께 감소합니다. 예를 들어, 정격 가스 충진 압력을 0.56 MPa로 조정하면 액화 온도는 -28°C, 잠금 온도는 -32°C가 됩니다. 이때 액화 온도는 환경 온도보다 낮으므로 잠금 현상이 발생하지 않습니다. 그러나 가스 충진량을 줄이면 차단기의 소멸 성능과 절연 성능이 모두 저하됩니다. 이러한 장비의 최종 상태를 변경하고 성능에 영향을 미치는 방법은 설계 단위와 제조사가 철저히 연구하고 입증한 후에야 실시되어야 합니다.
장비의 최종 상태를 변경하지 않으려면, 즉, 인계 검사 전에 가스 충진량을 일정 값(예: 0.6 MPa)으로 줄이고, 검사 및 시운전이 완료된 후 다시 정격 값으로 충진량을 보충하는 방법이 있을 수 있습니다. 이 방법은 가능해 보이지만 실제로는 그렇지 않습니다. 먼저, 가스 충진량을 줄이면 차단기의 절연 성능이 저하되며, 정확한 입증 없이는 내압 시험 중 차단기가 관통될 위험이 있습니다. 두 번째로, 설비 인계 검사는 제조사의 생산 품질과 설치자의 설치 품질을 검사하는 것이며, 설비 설치가 완전히 완료된 후에 수행되어야 합니다. 그리고 가스 충진 과정은 명백히 설비 설치 과정의 일부입니다.
혼합 가스 사용
현재 국내외에서는 SF₆ 가스에 일정 비율의 다른 가스(예: CF₄, CO₂, N₂)를 혼합하여 액화 온도를 낮추는 방식이 있습니다. 그러나 혼합 가스의 절연 및 소멸 성능은 순수한 SF₆ 가스의 수준에 미치지 못합니다. 동일한 가스 충진 압력에서 혼합 가스를 충진한 차단기의 전류 차단 용량은 순수한 SF₆ 가스를 충진한 차단기의 약 20% 낮습니다. 동일한 절연 성능을 달성하려면 혼합 가스의 충진 압력은 순수한 SF₆ 가스의 충진 압력보다 높아야 합니다.
SF₆/N₂ 혼합 가스를 예로 들면, 다음 계산 공식을 사용할 수 있습니다:
Pm=PSF6(100/x%)0.02
공식에서 Pm은 동일한 절연 성능을 달성하기 위한 혼합 가스의 충진 압력, PSF6는 순수한 SF₆ 가스의 충진 압력, x%는 혼합 가스 내의 SF₆ 가스의 퍼센트 함량입니다. 위 공식에서 볼 수 있듯이 20%의 SF₆ 가스를 포함하는 SF₆/N₂ 혼합 가스의 경우, 필요한 충진 압력은 순수한 SF₆ 가스의 약 1.4배입니다. 현장의 차단기에서는 충진 압력이 1.12 MPa에 도달해야 하며, 이는 차단기의 전체 구조에 새로운 요구사항을 제기합니다.
가열 장치 설치
SF₆ 가스의 액화 주요 외부 요인은 환경 온도가 액화 온도보다 낮다는 것입니다. 탱크 주변에 추적 가열기를 설치하여 탱크를 가열하고 온도를 높이면 액화 문제가 해결될 수 있습니다.
시메니스의 탱크형 회로 차단기는 스위스 트라파그 밀도 계량기를 사용하며, 이는 온도 보상 기능이 있으며, 압력 변화가 아닌 가스 밀도 변화를 표시합니다. 이 밀도 계량기의 표시 원리는 차단기 탱크 내의 가스와 밀도 계량기에서 운반하는 표준 가스 사이의 압력 차이를 비교하여 가스 밀도를 모니터링하는 것입니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 환경 온도가 액화 온도보다 높은 범위에서 변동할 때, 두 개의 가스 챔버 내의 가스 압력이 동시에 변동하며, 압력 차이는 0이며, 팽창 조인트는 작동하지 않고, 미터 포인터는 움직이지 않습니다. 탱크 내의 가스가 액화되거나 누출되면 표준 가스의 압력이 상대적으로 증가하여 팽창 조인트가 작동하여 미터 포인터가 움직입니다.
환경 온도가 액화 온도까지 떨어지면 추적 가열기가 활성화되어 탱크의 온도가 상승합니다. 이로 인해 탱크 내의 가스와 팽창 조인트 내의 가스 사이에 온도 차이가 생기며, 이로 인해 미터의 표시에 오차가 생기고 탱크 내의 가스 상태를 정확하게 반영하지 못하게 됩니다.
결론
본 논문은 SF₆ 가스의 액화 과정을 간략히 설명하였습니다. 시메니스의 탱크형 회로 차단기를 설치하는 과정에서 발생한 SF₆ 가스의 액화 문제에 대해 세 가지 해결책(가스 충진량 감소, 혼합 가스 대체, 가열 장치 추가)을 제안하고 논의하였습니다. 분석과 비교를 통해 가스 충진량 감소와 혼합 가스 대체는 가스의 절연 및 소멸 성능에 영향을 미치므로 적합하지 않음이 확인되었습니다. 탱크를 가열하여 가스의 액화를 방지하는 추적 가열기 사용 방법은 미터의 표시에 일정한 오차를 초래하나, 설비 인계 검사의 원활한 진행을 보장할 수 있으므로 더 적절한 해결책입니다.
