35 kV GIS 전압 변환기의 고장 및 화재 원인은 무엇인가요

1. 사고 개요
1.1 35kV GIS 스위치기어 전압변환기의 구조 및 연결

2011년 3월 제조되어 2012년 7월에 공식적으로 운영된 ZX2 가스절연 이중버스 스위치기는 각 버스 섹션당 두 그룹의 버스 전압변환기(PTs)로 구성되어 있습니다. 동일한 버스 섹션의 두 PT 그룹은 폭 600mm의 하나의 스위치기 캐비닛에 설계되었습니다. 3상 PT는 캐비닛 하단에서 삼각형 형태로 배열되어 있습니다.

PT들은 PT 스위치기의 버스 챔버 내의 분리기에 짧은 케이블 플러그를 통해 연결됩니다. 분리기는 SF₆ 완전 밀폐 버스 챔버 내의 이동 접점을 통해 3상 버스에 연결됩니다. 완전 밀폐 버스 구조는 고장률을 줄이고, 버스는 전용 버스 보호 장치가 장착되어 있지 않습니다. 버스 고장은 전원 진입 스위치의 백업 보호를 통해 제거됩니다.

1.2 소실 전 운전 모드

사고 전 전력망은 다음과 같이 운전되었습니다:

• 220kV 시스템: 교시선과 회시선이 버스 연계 스위치가 닫힌 상태에서 병렬로 운전되었습니다.

• 주 변압기 부하: 1번 주 변압기가 47MW, 2번이 14MW를 처리했습니다.

• 35kV 시스템: A 유닛은 이중 버스 분할 운전으로 운전되었습니다. 2번 발전기는 30.5MW를 처리하며, E 유닛의 1번 버스를 통해 A 유닛의 2번 버스와 연결되었으며, 361과 367 열유 인터커넥션 스위치기와 병렬로 2번 주 변압기와 연결되었습니다.

1.3 사고 경위

• 고장 전조

• 4월 19일 15:11:20.393부터 E 유닛(발전기 1, 2 버스 유닛)의 367 스위치 보호 장치가 PT 단락 경보를 반복적으로 발생시켰으며, 간헐적으로 재설정되었습니다.

• 장비 소실

• 15:12:59에 E 유닛의 1번 버스 PT 캐비닛에서 연기와 아크가 관찰되었습니다. 361과 367 스위치의 영차 과전류 보호가 활성화되어 두 스위치 모두 트립되었습니다.

• 현장 점검

• 캐비닛 문이 폭발하여 열렸습니다. A 상 PT가 심하게 타고, B 상 플러그가 파손되었습니다. 내부 장비는 타버렸습니다.

• 인접한 방전제 캐비닛의 2차 선이 손상되었습니다. 버스 챔버 압력과 절연 테스트는 정상이었습니다.

2. 원인 분석
2.1 장비 품질 및 설치 결함

• 설계 및 제조 문제

• 불량한 절연 도료 공정으로 국소 방전이 발생했습니다.

• 철심의 느슨한 적층으로 에디 전류 가열이 발생했습니다.

• 불규칙한 코일 감김으로 인해 회전 사이 단락 위험이 증가했습니다.

• 설치 및 유지 보수 결함

• 접지 나사의 불량 용접으로 접촉 저항이 증가했습니다.

• 운송/설치 중 철심 변형이 발생했습니다.

• 짧은 케이블 플러그의 횡방향 스트레스로 시간이 지남에 따라 에폭시 균열이 발생했습니다.

2.2 비정상 운전 조건

• 2차 회로 고장

• 과도한 병렬 루프로 인해 2차 회로에서 과부하가 발생하여 발열이 증가했습니다. \(Q = I²rt\).

• 2차 단락으로 인해 1차 전류 급증과 과열이 발생했습니다.

• 시스템 과전압

• 스위칭 작업 또는 아크 접지로 인한 페로공진으로 정격 값의 2.5배까지 과전압이 발생했습니다.

• 파형 왜곡으로 절연 노화가 가속화되었습니다.

• 3상 불균형

• 높은 고조파 함량(주로 홀수 고조파)으로 인해 임피던스 불균형이 발생했습니다.

• 중성점 이동 전류로 인해 영차 회로에서 과열이 발생했습니다.

2.3 제조사 해체 분석

• 고장 위치

• A 상 PT의 플랜지 마운팅 구멍에서 에폭시 균열로 인해 간헐적인 접지가 발생했습니다.

• B 상 플러그의 기계적 파단으로 인해 상간 단락이 발생했습니다.

• 스트레스 분석

• 비유연한 케이블 연결로 플랜지 구멍에 집중된 횡방향 스트레스가 발생했습니다.

• 고장 진행: 간헐적 접지 → 알루미늄 코팅 탈락 → 고장 재설정 → 최종 파괴.

3. 개조 계획
3.1 장비 모니터링 최적화

• 동일 모델의 GIS 스위치기에 대해 온라인 부분 방전 모니터링을 실시하고 기준 데이터를 설정합니다.

• 200 MΩ의 임계값으로 주기적인 절연 저항 테스트를 수행합니다.

3.2 구조 설계 개선

• 캐비닛 확장: 폭을 600mm에서 800mm로 늘려 열 방출을 개선합니다.

• 연결 업그레이드: 짧은 케이블 플러그를 직접 연결로 대체하여 스트레스를 줄입니다.

• 모듈화 설계: 유지 보수 시간을 최소화하기 위해 플러그 가능 PT/방전제를 채택합니다.

3.3 보호 시스템 강화

• PT 스위치기에 과전류/과전압 보호 장치가 있는 전용 회로 차단기를 추가합니다.

• 빠른 고장 격리를 위한 전용 버스 보호 장치를 설치합니다.

• 공진 위험을 줄이기 위해 영차 회로 설계를 최적화합니다.

3.4 운전 및 유지 보수 전략 조정

• 장비의 전체 수명 주기 관리 기록을 작성하고 설치 및 유지 보수 데이터를 문서화합니다.

• 분기마다 SF₆ 습도 콘텐츠 테스트를 수행하며 임계값은 300 ppm 이하입니다.

• 연간 PT 볼트-암페어 특성 테스트를 수행하여 공장 데이터와 비교합니다.

4. 교훈 및 예방 조치
4.1 주요 교훈

• 설계 결함: PT의 공동 배치로 인해 고장 확산 위험이 증가했습니다.

• 유지 보수 간극: 누적 스트레스 손상이 검출되지 않았습니다.

• 보호 부족: 백업 보호에 의존하여 고장 제거가 지연되었습니다.

4.2 예방 조치

• 절연 공정 및 구조적 무결성을 중심으로 장비 제조 감독을 강화합니다.

• 진동 모니터링을 사용하여 스트레스 수준을 평가하는 상태 기반 유지 보수를 촉진합니다.

• PT와 버스 간 유연한 연결을 의무화하는 설계 사양을 수정합니다.

• PT 고장에 대한 표준화된 응급 조치 절차를 위한 사고 대응 훈련을 실시합니다.

4.3 구현 결과

개조 후 데이터는 다음과 같습니다:

• 부분 방전이 80 pC에서 15 pC로 감소했습니다.

• 전 부하 상태에서의 온도 상승이 12°C 감소했습니다.

• 고장 응답 시간이 600ms에서 40ms로 단축되었습니다.

5. 결론

이 사고는 GIS 장비의 설계, 설치, 유지 보수에서 다수의 숨겨진 위험을 드러냈습니다. 구조적 최적화, 보호 시스템 업그레이드, 관리 강화를 통해 종합적인 위험 예방 시스템이 구축되었습니다. 장비 성능의 지속적인 모니터링은 유사한 변전소에 대한 재현 가능한 개조 경험을 제공할 것입니다.