GIS의 개발 동향
고압 스위치기어의 모듈화
각 구성 요소와 부품에 대한 소형화 조치 및 전체적인 소형화 레이아웃으로 인해 고압 스위치기어의 크기는 지속적으로 감소하고 있습니다. 다양한 스위치기어 조합과 유연한 조합 방법, 매우 컴팩트한 구조가 있습니다. 가스 절연 금속 폐쇄형 스위치기어(GIS)는 대부분의 고압 전기 장비와 보호 검출 장치를 포함하며, 원래 별도로 존재하던 전기 장비의 기능을 하나의 실체로 통합합니다. 따라서 GIS의 설계 및 생산 수준은 가스 절연 금속 폐쇄형 스위치기어의 수준을 대표한다고 할 수 있습니다.
가스 절연 금속 폐쇄형 스위치기어(GIS)는 1960년대 중반에 등장한 새로운 종류의 전기 장비입니다. 폐쇄적이고 모듈식인 특성 덕분에 공간 차지가 적고, 외부 환경의 영향을 받지 않으며, 소음이나 방송 간섭이 없고, 안전하고 신뢰할 수 있으며 유지보수 작업이 최소화되어 크게 발전했습니다. 출시 이후, 더욱 높은 전압, 더 큰 용량, 그리고 소형화를 향해 지속적으로 진화해 왔습니다. 인도네시아에서의 여러 년간의 운영 경험과 지속적인 설계 개선을 통해 GIS는 높은 전압과 큰 용량뿐만 아니라 지속적인 혁신을 이뤄냈습니다.
황화불화수소(SF6) 가스의 기본 특성 및 아크 소멸 원리
최근 SF6 가스는 회로 차단기의 아크 소멸 매체로서 빠른 발전을 이루었습니다. SF6 가스는 원래 공기보다 몇 배나 강한 절연 강도를 가진 절연 가스로 잘 알려져 있었습니다. 매우 강력한 아크 소멸 능력을 가지고 있으며, 전도 아크에서 절연체로의 전환은 매우 빠른 속도로 이루어집니다. 따라서 고압 회로 차단기에서 SF6 가스는 아크 소멸 매체와 절연 매체 모두로 사용될 수 있습니다. SF6 가스의 가장 눈에 띄는 특성은 다음과 같습니다:
우수한 기본 특성
순수한 SF6 가스는 무색, 무취, 비독성, 불연성 할로겐 화합물 가스입니다. 상온(20°C, 0.1MPa)에서 그 밀도는 공기의 5배입니다. 대류 효과를 포함한 SF6 가스의 열전달 계수는 공기의 1.6배입니다.
특정 열화학적 특성
실험 결과, SF6 가스의 분해 온도는 공기보다 낮지만, 필요한 분해 에너지는 더 큽니다. 따라서 SF6 가스는 분해 과정에서 많은 에너지를 흡수하여 아크에 강력한 냉각 효과를 미칩니다. SF6 가스는 자유 전자에 친화적이므로, 열구역 공간에서는 실제로 매우 작은 전도성 또는 전혀 없는 경우가 많지만, 열전도성은 매우 높습니다. SF6 가스는 비교적 낮은 온도 범위(2000-2500K)에서 빠르게 분해됩니다. 아크 셔드 영역에서 SF6 가스가 분해되면 아크로부터 많은 열을 흡수하여 SF6 가스에 우수한 아크 소멸 능력을 부여합니다. SF6 가스에서 아크 전류가 0에 가까워질 때, 매우 얇은 아크 핵만이 높은 온도를 가지며, 그 주변은 비전도층으로 구성됩니다.
따라서, 전류가 0을 지나갈 때, 아크 간극의 절연 강도는 회복 전압의 상승 속도보다 빠르게 회복됩니다. SF6 가스에서, 매우 낮은 전류에서도 극히 얇은 아크 핵이 지속됩니다. 이것은 회로 차단기의 중단 시, 전류가 0을 지날 때 좋은 전도체에서 절연체로의 빠른 전환이 요구되는 특성을 만족시킵니다. 이러한 특성 덕분에, 작은 전류를 중단할 때에도 아크 핵은 전류가 0에 도달할 때까지 연속적으로 유지되고 계속해서 수축할 수 있습니다. 이는 강제 전류 중단, 즉 전류 절단을 방지하고, 스위칭 과전압의 발생을 줄입니다.
강한 전기음성도
전기음성도는 분자나 분리된 원자가 음이온을 형성하는 경향을 의미합니다. SF6는 전자를 흡착하는 강한 능력을 가지며, 이를 전기음성도라고 합니다. SF6와 그 분해로 생성된 할로겐 분자와 원자는 아크에서 전자를 강하게 흡착하여 음이온을 형성합니다. 음이온의 질량은 전자보다 훨씬 크므로, 전기장의 영향 하에서 음이온의 움직임 속도는 전자보다 훨씬 느립니다. 전기장 운동 중, 음이온은 쉽게 양이온과 재결합하여 중성 분자를 형성합니다. 따라서, 공간 전도성의 소멸 과정은 매우 빠릅니다. 이 현상은 이온화 공간에서 매우 강력한 냉각 효과와 동일한 효과를 가지며, 아크 전류의 0 교차점 근처에서 공간 전도성이 매우 빠르게 변화합니다. 이러한 특성과 아크가 극히 얇은 핵을 형성하는 특성은 아크 시간 상수를 크게 단축시킵니다. 따라서, 강한 전기음성도는 SF6에 우수한 절연 특성을 부여합니다.
아크 소멸 매체의 기본 요구사항은 높은 절연 강도뿐만 아니라, 절연 강도의 빠른 회복 속도도 중요합니다. 또한, 아크 전류가 0을 지날 때 매우 작은 열 시간 상수를 가져야 합니다. SF6 가스는 이러한 특성을 갖추고 있습니다. 가스 흐름의 압력 기울기에 의해 형성되는 등엔트로피 냉각 효과뿐만 아니라, SF6 가스의 특정 열화학적 특성과 강한 전기음성도가 SF6 가스에 특히 강력한 아크 소멸 능력을 부여합니다. SF6 가스가 우수한 아크 소멸 및 절연 특성을 가지며, 화학적으로 안정적이고 독성이 없기 때문에, 전력 송변전, 변압기, 융단, 접촉기 등의 분야에서 SF6 가스의 적용이 지속적으로 확대되고 있습니다.
가스 절연 금속 폐쇄형 스위치기어(GIS)는 SF6 회로 차단기를 기반으로 더욱 발전되었습니다. GIS는 회로 차단기, 차단기, 접지 스위치, 전류 및 전압 변환기, 서지 보호기, 연결 버스바 등을 금속 케이스 내에 봉입하고, 우수한 아크 소멸 및 절연 특성을 가진 SF6 가스로 채워, 위상 간 및 지면과의 절연을 제공합니다. 폐쇄적이고 모듈식인 특성 덕분에 공간 차지가 적고, 외부 환경의 영향을 받지 않으며, 소음이나 방송 간섭이 없고, 안전하고 신뢰할 수 있으며 유지보수 작업이 최소화되어 크게 발전했습니다.
삼상 폐쇄형 GIS의 구조
삼상 폐쇄형 GIS에서는 주회로 구성 요소의 세 위상이 공통의 접지 외부 케이스 내에 설치되며, 에폭시 수지 주조 절연체에 의해 지지되고 절연됩니다. 이 형태의 GIS는 구조가 컴팩트하며, 외부 케이스 수가 줄어들어 재료를 크게 절약할 수 있습니다. 또한, 밀봉 포인트 수가 줄어들고 밀봉 길이가 짧아져 가스 누출률이 낮습니다. 또한, 운전 중 순환 전류를 줄이고 유지보수 작업을 간소화할 수 있습니다. 삼상 폐쇄형 GIS는 전체 크기가 상대적으로 작고, 구성 요소 수가 적으며, 외부 케이스의 마모가 적고 설치 주기가 짧습니다. 그러나 단점은 내부 전기장이 불균일하여 상 간 영향으로 인해 상 간 플래시오버가 발생하기 쉽다는 것입니다.
삼상 폐쇄형은 또한 삼상 공통 탱크형이라고도 합니다. 삼상 버스바는 원통형 내부에 절연체를 통해 고정되어 삼각형으로 배열됩니다. 각 GIS 기능 단위는 여러 구획으로 구성됩니다. 구획 분할은 정상 운전 요구사항을 충족해야 하며, 내부 고장 시 아크를 제한할 수 있어야 합니다. 서로 다른 구획은 서로 다른 가스 압력을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 차단기 구획은 아크 소멸 효과를 고려하여 약 0.6 MPa의 가스 압력을 필요로 하며, 다른 구획은 상대적으로 낮은 압력을 가집니다.
고압 스위치기어의 지능화를 위한 핵심 기술
지능형 고압 스위치기어의 기술 내용은 매우 광범위합니다. 주요 기술은 다음과 같습니다:
스위칭 작업 지능화: 개폐 장치의 작동 상태 모니터링 및 진단;
2차 제어 지능화: 분산형 아키텍처, 네트워크 연결 기술, 종합 모니터링 기술을 사용하여 신호 수집 - 센서 기술, 예를 들어 복합 전류 및 전압 센서, 스트로크 센서, 가스 밀도 센서를 위한 로고스키 공기 코어 토로이달 코일;
절연 성능 모니터링: 부분 방전 검출, 이상 전도 검출, 미세 입자 검출;
고장 진단 및 의사 결정 시스템: 신호 분석을 통해 판단 및 결정 수행;
전자기적 호환성(EMC): 주로 항간섭 결합 경로에서 간섭 억제, 즉, 결합된 공통 임피던스를 형성하는 다양한 요인을 제거하거나 약화시키는 방법으로, 차폐, 격리, 필터링 등;
특별 목적용 마이크로컴퓨터 R & D: 전용 집적 회로 및 소프트웨어 개발을 통해 마이크로컴퓨터의 적용성, 실시간 성능, 운영 시스템을 향상시키고, 고압 스위치기어의 운영 수준과 신뢰성을 향상시킵니다.
