고압 진공 회로 차단기의 과거와 현재에 대한 간략한 역사
고압 진공 회로 차단기: 개요
서론
고압 진공 회로 차단기(HV VCBs)는 빈번한 스위칭과 낮은 유지보수 비용이 중요한 애플리케이션에서 기존의 SF6 가스 절연 회로 차단기에 대한 실질적인 대안으로 등장했습니다. 2014년부터 HV VCBs는 고압 가스 회로 차단기의 대안으로 점점 더 채택되고 있으며, 강력한 온실가스인 SF6 사용을 없애는 것으로 더 친환경적이고 지속 가능한 솔루션을 제공합니다.
진공 스위치 기기는 30년 이상 분배 시스템에서 광범위하게 사용되어 왔으며, 주로 고장 전류를 만들고 끊고 다양한 유형의 부하를 스위칭하는 데 사용되었습니다. 중간 전압 범위(최대 52 kV)에서 진공 스위칭 기술의 신뢰성과 성능은 매우 뛰어나 분배 시스템에서 우세하였습니다. 그러나 전송 전압 수준으로 진공 스위칭 기술을 확장하기 위한 노력은 1960년대 초부터 시작되었으며, 1980년경 일본에서 첫 고압 진공 회로 차단기가 설치되면서 중요한 이정표를 달성하였습니다. 2010년까지 약 10,000개의 HV VCBs가 주로 산업 현장에서, 그리고 일부 공공 시설에서도 운영되고 있었습니다. 진공 기술이 SF6보다 선호되는 이유는 빈번한 스위칭 작업을 처리하고 유지보수 요구사항이 낮다는 것입니다.
미국에서는 242 kV까지의 전압에서 수십 년 동안 진공 커패시터 뱅크 스위치가 사용되어 왔습니다. 2008년경 중국과 유럽에서 HV VCBs를 개발하기 위한 집중적인 연구 및 개발(R&D) 프로그램이 진행되어 최대 145 kV까지 작동할 수 있는 제품이 도입되었습니다. 중국에서는 상업적 응용 분야에서 HV VCBs의 빠른 채택이 계속될 것으로 예상되며, 이미 126 kV까지의 전압 수준에서 수백 대가 운영되고 있습니다. 유럽에서는 시장 출시 전에 타입 테스트된 장치의 성능을 검증하기 위한 현장 테스트가 진행 중입니다.
기술과 설계
모든 HV VCB 제품은 오랜 세월에 걸쳐 정교해진 중간 전압 진공 중단 기술을 기반으로 합니다. 이 기술을 더 높은 전압 수준으로 확장하기 위해서는 근본적으로 새로운 기술적 특징이 필요하지 않습니다. 주요 과제는 더 높은 전압 등급을 수용하기 위해 중단기의 기하학적 구조를 확장하는 것입니다. 예를 들어, 52 kV 이상의 전압을 처리하기 위해서는 직경과 접촉 간격 길이를 늘려야 합니다. 126 kV를 초과하는 전압의 경우, 신뢰성 있는 작동을 위해 두 개의 진공 간격을 직렬로 배치하는 경우도 있습니다.
운영 특징
일반 전류 처리: 2,500 A 이하의 일반 전류에 대해서는 HV VCBs와 SF6 회로 차단기 사이에 큰 차이가 없습니다. 그러나 HV VCBs에서 2,500 A를 초과하는 높은 전류 등급을 달성하는 것은 접촉 구조에서 발생하는 열과 중단기의 제한된 열 전달 능력 때문에 어려울 수 있습니다.
모니터링: SF6 회로 차단기에서는 중단 매체의 품질을 모니터링하는 것이 더 쉽습니다. HV VCBs에서는 서비스 중에 진공 상태를 실제로 모니터링하기 어렵기 때문입니다.
스위칭 작업: HV VCBs는 진공 접촉 시스템의 우수한 내구성 덕분에 SF6 회로 차단기보다 더 많은 스위칭 작업을 수행할 수 있습니다. 이는 일상적인 작업과 같이 빈번한 스위칭이 필요한 애플리케이션에 특히 매력적입니다.
드라이브 에너지: 일반적인 72.5 kV 등급에서 진공 회로 차단기에 필요한 드라이브 에너지는 SF6 회로 차단기의 약 20% 정도입니다. 두 유형의 장치의 물리적 크기는 유사합니다.
중단기 구조: 145 kV 이상에서는 HV VCBs가 직렬로 여러 개의 중단기를 필요로 할 수 있습니다. 반면 SF6 기술은 1994년 이후 550 kV까지 단일 중단기 회로 차단기를 성공적으로 구현하여 여러 국가에서 널리 사용되고 있습니다.
전호 특성: HV VCBs의 전호 전압은 SF6 회로 차단기의 수백 볼트에 비해 수십 볼트로 훨씬 낮습니다. 또한 고장 스위칭 중 전호 지속 시간은 진공 스위치 기기에서 5~7 ms로, SF6 회로 차단기의 10~15 ms보다 짧습니다. 이로 인해 HV VCBs는 더 많은 스위칭 작업이 가능합니다.
X선 방출: 145 kV까지의 정격 전압을 가진 HV VCBs는 정상 작동 조건에서 표준화된 한도인 5 µSv/h 이내의 X선을 방출합니다. SF6 회로 차단기는 X선을 방출하지 않습니다.
전기적 특징
고장 전류 중단: HV VCBs는 SF6 회로 차단기보다 빠른 유전 회복 속도 덕분에 매우 높은 일시적 회복 전압(TRV) 상승률을 가진 고장 전류를 중단하는 데 뛰어납니다.
절연 파괴 통계: 진공 간격은 이론적으로 매우 높은 절연 파괴 전압을 가지지만, 비교적 중간 전압에서도 소량의 절연 파괴가 발생할 수 있습니다. 진공 간격은 또한 전류 중단 후 몇 백 밀리초까지 자발적인 늦은 절연 파괴가 발생할 수 있습니다. 그러나 이러한 사건의 결과는 제한적입니다. 진공 간격은 즉시 절연을 회복하기 때문입니다. 늦은 절연 파괴의 시스템 영향은 아직 완전히 이해되지 않았습니다.
유도 부하 스위칭: 샌딩 리액터 스위칭과 같은 유도 부하 관련 애플리케이션에서 HV VCBs는 재점화 후 높은 주파수 전류를 중단하는 진공의 능력으로 인해 하나의 전력 주파수 전류 제로에서 더 많은 수의 반복 재점화를 경험할 수 있습니다. 이러한 재점화 전이 효과가 RC 스누버와 금속 산화물 피뢰기와 같은 상호 작용 장비에 미치는 영향은 현재 조사 중입니다.
커패시터 뱅크 스위칭: 커패시터 뱅크를 스위칭할 때는 매우 높은 임시 전류를 피해야 합니다. 이것은 접촉 시스템의 유전 특성을 사전 점화 아크로 인해 저하시키는 원인이 될 수 있기 때문입니다. 이 문제는 HV VCBs와 SF6 회로 차단기에 모두 적용됩니다. 완화 전략에는 직렬 리액터 또는 제어 스위칭이 포함되지만, HV VCBs에 대한 후자의 현장 경험이 제한적입니다.
미래 전망 및 시장 인식
고압 스위치 기기 사용자들 사이에서 실시된 조사에 따르면, 외부 절연이 SF6-free인 경우 SF6의 부재가 진공 스위치 기기의 주요 장점으로 인식되고 있습니다. 그러나 전송 전압 수준에서의 광범위한 서비스 경험 부족은 HV VCBs의 널리 퍼져있는 채택을 망설이게 하는 중요한 요인입니다. 그럼에도 불구하고 환경적 이익과 운영상의 장점은 진공 기술에 대한 지속적인 관심과 개발을 촉진하고 있습니다.
고압 진공 회로 차단기(HV VCBs)의 잠재적 사용자들은 종종 전류 절단으로 인한 과전압 생성과 스위칭 작업 중 X선 방출 가능성에 대해 우려를 제기합니다. 이러한 문제들은 HV VCBs의 안전하고 신뢰성 있는 작동을 보장하는 데 중요하며, 특히 전송 전압 애플리케이션에서 점점 더 고려되고 있습니다.
X선 방출
단일 중단기 장치의 경우, 145 kV까지의 정격 전압을 가진 HV VCBs는 정상 작동 조건에서 표준화된 한도인 5 µSv/h 이내의 X선을 방출합니다. 다중 중단기 장치는 더욱 낮은 수준의 X선을 방출합니다. 이것은 규제 준수와 안전을 위한 중요한 고려 사항이며, HV VCBs가 인원이나 환경에 유의미한 방사선 위험을 초래하지 않고 배포될 수 있도록 합니다.
시범 프로젝트
대다수의 응답자가 HV VCB 기술에 대한 실제 경험을 얻기 위해 시범 프로젝트를 시작하는 데 강한 관심을 표현했습니다. 이러한 프로젝트는 유틸리티와 시스템 운영자가 실제 환경에서 HV VCBs의 성능, 신뢰성 및 운영 특성을 평가할 수 있게 해줍니다. 중간 전압 시스템의 네트워크 조건이 항상 전송 전압 네트워크와 같지 않기 때문에, 특히 접지 조건에 관해서는 견고하게 접지된 네트워크가 이러한 시범 프로젝트에 권장됩니다. 이러한 접근 방식은 획득된 경험들이 전송 수준의 애플리케이션에 적합하고 관련성이 있도록 돕습니다.
표준화
현재의 IEC 회로 차단기 표준인 IEC 62271-100은 SF6 스위칭 기술에 중점을 두고 있어 진공 스위칭의 고유한 특성과 도전 과제를 완전히 다루지 못할 수 있습니다. 예를 들어, 단락선 고장 테스트와 같은 SF6에 도전적인 테스트 의무는 진공 기술에 있어서는 그리 중요하지 않을 수 있습니다. 반대로 합성 테스트에서 연속 회복 전압의 적용은 SF6에 있어서는 덜 관련성이 있지만, 진공 중단기의 늦은 절연 파괴의 부재를 입증하는 데 더 중요할 수 있습니다. HV VCBs가 더 많은 관심을 받으면서 기존 표준을 개정하거나 보완하여 진공 기술을 더 잘 수용할 필요가 있을 수 있습니다.
SF6 없는 설계의 기술적 함의
외부 절연 매체로 SF6가 없을 때 다른 기술적 함의를 고려해야 합니다. 예를 들어, 대체 절연 방법은 더 높은 압력, 증가된 무게, 더 큰 발자국, 또는 충분한 절연 성능을 보장하기 위한 다른 설계 고려사항을 필요로 할 수 있습니다. 제조사들은 이러한 대안을 적극적으로 탐색하여 SF6의 실용적인 대체품을 개발하고 있지만, 모든 전압 등급을 커버할 수 있는 새로운 기술이 발견될 때까지 SF6는 특정 전송 네트워크 애플리케이션에서 필수적일 것입니다.
제조사의 약속
제조사들은 SF6 기술의 대안으로 산업적으로 실용적인 대체품을 개발하고 제공하기 위한 약속을 하고 있습니다. SF6는 그 뛰어난 유전 특성으로 인해 고압 애플리케이션에서 주요 절연 가스였지만, 특히 높은 온실 효과를 가진 SF6와 관련된 환경적 우려가 더 친환경적인 솔루션을 찾는 데 동기를 부여했습니다. HV VCBs는 빈번한 스위칭과 낮은 유지보수가 필요한 애플리케이션에 지속 가능한 대안을 제공합니다. 그러나 SF6에서의 전환은 점진적이 될 것입니다. 제조사들은 전력 산업의 다양한 요구를 충족하기 위해 새로운 기술을 계속 혁신하고 개선하고 있습니다.
