친환경 가스 절연 링 메인 유닛의 아크 및 차단 특성에 관한 연구

친환경 가스 절연 고리형 주간 단위(RMUs)는 전기 시스템에서 중요한 전력 분배 장비로, 친환경적이고 안전하며 신뢰성 높은 특성을 갖추고 있습니다. 작동 중에 아크 형성 및 차단 특성이 친환경 가스 절연 RMUs의 안전성에 크게 영향을 미칩니다. 따라서 이러한 측면에 대한 심도 있는 연구는 전력 시스템의 안전하고 안정적인 작동을 보장하는 데 매우 중요합니다. 본 기사는 실험 테스트와 데이터 분석을 통해 친환경 가스 절연 RMUs의 아크 형성 및 차단 특성을 조사하고, 그 패턴과 특징을 탐구하여 이러한 장비의 연구 및 개발을 위한 이론적 지원과 기술적 지침을 제공하는 것을 목표로 합니다.

1. 친환경 가스 절연 고리형 주간 단위의 아크 형성 특성 연구

1.1 친환경 가스의 기본 개념 및 영향 요인

친환경 가스는 오존층을 파괴하지 않는 가스를 의미합니다. 일반적으로 질소(N₂), 건조 압축 공기(유분 제거 및 습기 제거), 특수 제조된 새로운 가스 등이 포함됩니다. 친환경 가스 절연 RMUs는 환경 친화적이고 안전하며 신뢰성이 뛰어나 전력 시스템에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 장비의 아크 형성 특성을 연구하려면 친환경 가스의 기본 개념과 영향 요인을 이해해야 합니다. 

물리적 및 화학적 특성, 분자 구조, 온도, 압력, 습도 등의 요인이 이러한 가스의 절연 성능과 아크 형성 행동에 영향을 미치므로 실험적으로 조사해야 합니다. 또한 가스 소모량 및 재활용 가능성과 같은 실제적인 문제도 해결해야 합니다. 따라서 친환경 가스의 기본 개념 및 영향 요인에 대한 심도 있는 연구는 친환경 가스 절연 RMUs의 아크 형성 특성 연구에 필수적입니다.

1.2 아크 형성 특성 연구 방법 및 테스트 설정

아크 형성 특성 연구를 위해서는 표준화된 테스트 방법론과 실험 설정을 수립해야 합니다. 테스트 방법은 일반적으로 아크 현상에 근거한 전기 테스트와 화학 분석을 포함합니다. 테스트 설정은 반복성, 정확성, 안전성을 보장해야 하며, 일반적으로 고압원, 아크 챔버, 측정 기기, 데이터 수집 시스템으로 구성됩니다. 아크 챔버는 실제로 친환경 가스 절연 RMU 내부에서 발생하는 아크 형성 과정을 시뮬레이션하는 중요한 구성 요소입니다. 아크 특성을 효과적으로 연구하기 위해서는 적절한 전압 및 전류 수준을 제공하고 아크 전압, 전류, 지속 시간, 부산물 등과 같은 매개변수를 실시간으로 기록할 수 있어야 합니다. 또한 테스트 중 사고를 방지하기 위해 충분한 안전 조치가 필요합니다.

1.3 아크 전류, 전압, 지속 시간의 테스트 및 분석
아크 특성 연구에서 아크 전류, 전압, 지속 시간은 핵심 매개변수입니다. 아크 전류는 아크 영역을 통과하는 전류의 크기를 나타내며, 아크 전압은 아크 영역 사이의 전위차를 나타내고, 아크 지속 시간은 아크 시작부터 소멸까지의 시간 간격을 나타냅니다. 이러한 매개변수를 측정하려면 고압 발생기, 전류 변환기, 전압 변환기, 디지털 오실로스코프와 같은 특수 기기가 필요합니다. 친환경 가스 절연 RMUs에서 이러한 매개변수에 대한 실험 테스트와 데이터 수집 후 데이터 분석을 통해 경향성과 상호 관계를 파악하여 아크 형성 특성에 대한 이해를 깊게 하고 추가 연구를 위한 기초 데이터를 제공합니다.

1.4 아크 발생 중의 부산물 분석
친환경 가스 절연 RMUs에서 아크 발생 중에는 산화물, 플루오라이드, 염화물, 연기 등 다양한 부산물이 생성되며, 이는 환경과 인체 건강에 위험을 초래할 수 있습니다. 현재 아크 부산물 분석을 위한 두 가지 주요 접근법이 있으며, 실험 분석과 수치 시뮬레이션이 그것입니다. 실험 분석은 실험실에서 아크 발생 과정을 시뮬레이션하고, 부산물 샘플을 수집하여 화학 분석을 수행하여 종류와 농도 분포를 결정합니다. 수치 시뮬레이션은 계산 모델을 사용하여 부산물 분포와 반응 경로를 예측합니다. 

실험 분석에서는 크로마토그래피, 질량 분석, 전자 현미경과 같은 분석 기법을 사용합니다. 수치 시뮬레이션에서는 유한 요소 분석 및 CFD(Computational Fluid Dynamics)와 같은 방법을 사용하여 아크 발생 중의 부산물 분포와 화학 반응 메커니즘을 모델링합니다. 부산물 분석 결과는 아크 발생 중의 화학 반응과 에너지 변환에 대한 이해를 깊게 하고, 친환경 가스 절연 RMUs의 설계 및 적용을 위한 이론적 및 기술적 지원을 제공하며, 환경 모니터링 및 인원 안전을 위한 참고 데이터를 제공합니다.

2. 친환경 가스 절연 고리형 주간 단위의 차단 특성 연구

2.1 차단 현상의 기본 개념 및 영향 요인
2.1.1 차단 테스트 방법
차단 테스트는 친환경 가스 절연 RMUs. 의 차단 특성 연구에서 중요한 단계입니다.일반적으로 전통적인 실험 방법이나 수치 시뮬레이션을 사용하여 수행됩니다. 전통적인 방법은 차단 테스트 플랫폼을 구축하고, 테스트 조건(예: 전류, 전압)을 변경하여 차단 동작을 관찰하고 실험 데이터를 수집합니다. 수치 시뮬레이션은 컴퓨터 모델을 사용하여 차단 중의 물리적 현상을 시뮬레이션하여 대규모 데이터셋을 빠르게 생성하고 차단 성능을 예측합니다.

2.1.2 테스트 설정
중단 특성을 연구하기 위해서는 전용 중단 테스트 설정을 설계하고 구성해야 합니다. 이 설정에는 고전압 전원 공급 장치, 스위칭 장비 및 측정 기기가 포함됩니다. 고전압 전원 공급 장치는 스위칭 장치에 에너지를 제공하며, 실제 중단 작업은 이 장치에서 수행되며, 기기는 중단 특성을 측정하고 기록합니다.

2.1.3 중단 특성 매개변수의 테스트 및 분석
중단 특성에 대한 연구는 중단 과정 동안의 전류, 전압, 시간 등의 매개변수를 테스트하고 분석하는 것을 필요로 합니다. 이러한 매개변수는 중단 성능을 평가하는 주요 지표입니다. 전류와 전압은 중단 중의 전기적 행동을 설명하며, 시간은 시간적 역학을 반영합니다. 이러한 매개변수를 분석하면 중단 전류와 전압의 변화 경향, 중단 지속 시간, 전체 성능과 같은 중요한 정보를 파악할 수 있습니다.

2.2 중단 특성에 대한 연구 방법 및 테스트 설정
친환경 가스 절연 RMU의 중단 특성을 연구하는 일반적인 방법에는 전통적인 중단 테스트와 고급 수치 시뮬레이션이 포함됩니다. 전통적인 테스트는 테스트 라이그에서 스위칭 및 부하 장치를 설정하고, 전원 공급 매개변수(전압, 전류 등)를 변경하여 중단 중의 일시적 과정을 관찰하고, 데이터 처리 및 분석을 위한 전류, 전압, 시간 등의 매개변수를 기록합니다. 

전통적인 테스트와 비교해 볼 때, 수치 시뮬레이션은 중단 특성 모델링에서 더 높은 정확도를 제공합니다. 컴퓨터 시뮬레이션 및 모델링 기법을 사용하여, 수치 방법은 중단 중의 주요 물리 필드(전기 필드, 자기 필드, 온도 필드, 유동 필드 등)를 해결하며, 전류, 전압, 전극 간격, 주변 온도와 같은 여러 요인을 고려합니다. 또한, 수치 시뮬레이션은 재료 특성 및 기하학적 구성을 조정하여 RMU 설계를 최적화할 수 있게 합니다.
테스트 설정에서는 고전압 DC 전원 공급 장치와 고출력 커패시터 방전 장치가 필요한 고전압 및 고전류 조건을 제공할 수 있습니다. 고속 데이터 수집 시스템 및 레코더는 중단 매개변수를 정확하게 캡처하는 데 사용됩니다. 재현성 및 정확성을 보장하기 위해 테스트 설정은 교정 및 검증되어야 합니다.

2.3 중단 전류, 전압 및 시간의 테스트 및 분석
중단 전류, 전압 및 시간의 테스트 및 분석은 중단 특성을 연구하는 중요한 부분입니다.
(1) 테스트 목적: 친환경 가스 절연 RMU의 중단 특성을 이해하고, 실제 운전 조건 하에서의 성능을 평가하며, 장비 활용 및 개선의 기초를 제공하기 위해 중단 전류, 전압 및 시간을 테스트하고 분석합니다.
(2) 테스트 장비: 디지털 암미터, 전압 변환기, 시간 측정 기기, 오실로스코프 및 데이터 수집 시스템을 사용하여 중단 중의 전류, 전압 및 시간을 정확하게 측정합니다.
(3) 테스트 절차:

• 중단 전류 테스트: 표준 테스트 조건 하에서 중단을 수행하고, 전류 파형을 기록하며, 테스트 장비와 RMU 사이의 연결이 적절한지 확인합니다. 전류 변환기와 디지털 암미터를 사용하여 전류 변화를 측정합니다.

• 중단 전압 테스트: 마찬가지로, 표준 조건 하에서 중단을 수행하고, 전압 파형을 기록하며, 전압 변환기와 디지털 볼트미터를 사용하여 전압 변화를 측정합니다.

• 중단 시간 테스트: 시간 측정 기기를 사용하여 중단 작업의 시작부터 완료까지의 시간 간격을 정확하게 기록합니다.

• 일시적 과정 테스트: 오실로스코프 및 데이터 수집 시스템을 사용하여 중단 중의 일시적 전류 및 전압 파형을 캡처하여 일시적 특성을 분석합니다.

(4) 데이터 기록 및 분석: 전류 파형, 전압 파형, 중단 시간 데이터, 일시적 파형을 기록합니다. 중단 전류가 공학 요구 사항을 충족하는지, 중단 전압이 사양을 준수하는지, 중단 시간이 설계 기준을 충족하는지를 분석합니다. 일시적 과정이 장비 성능 및 안정성에 미치는 영향을 평가합니다. 위의 상세한 테스트 절차를 통해 모든 관련 요소를 종합적으로 고려하여 정확한 데이터 수집 및 심층 분석을 보장합니다. 결과는 표 1에 표시됩니다.

표 1: 전류, 전압 및 시간 매개변수의 테스트 및 분석

표 1의 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다:

• 중단 전류와 전압 사이에는 일정한 관계가 있으며 일반적으로 전압이 증가함에 따라 중단 전류도 증가합니다.

• 중단 시간은 전류와 전압 모두와 관련이 있으며, 전류와 전압이 높을수록 중단 시간은 짧아집니다.

• 테스트 중에는 중단 시 전류와 전압의 범위를 제어하여 너무 높거나 낮은 값으로 인해 테스트 결과가 부정확해지는 것을 피해야 합니다. 또한 주변 온도와 습도와 같은 다른 영향 요인도 고려해야 합니다.

2.4 중단 과정 중의 전자기장 분석
친환경 가스 절연 링 메인 유닛의 중단 과정 중 전자기장 분석을 위해서는 전자기장 측정 및 분석을 수행하기 위한 실험 설정을 구성해야 합니다. 실험에서는 중단 과정 중의 전자기장을 테스트하고 기록하기 위해 전자기장 측정 시스템을 설정할 수 있습니다. 이는 표 2에서 보여주고 있습니다.

표 2: 중단 과정 중의 전자기장 분석

테이블 2를 기반으로 한 전자기장 변화 분석에 따르면, 차단 시점에서 전류가 갑자기 0으로 떨어지고, 그에 따라 자기장 세기가 급격히 감소합니다. 이후 자기장 세기는 차단 전 상태로 점차 회복됩니다. 전자기장 분석은 친환경 가스 단열 링 메인 유닛의 설계 및 최적화를 위한 중요한 참고 데이터를 제공할 수 있습니다.

3. 아크 및 차단 특성 연구 결과 분석
3.1 아크 및 차단 과정 중 매개변수의 데이터 분석 및 처리
아크 및 차단 테스트 중에는 각각의 전류, 전압, 시간 등의 매개변수를 측정하여 아크 및 차단 특성을 분석하였습니다. 데이터 처리에서는 통계적 방법을 사용하여 각 매개변수의 평균, 표준편차, 변동 계수를 계산하였습니다.

① 아크 테스트 데이터는 분석 및 처리되었습니다. 아크 전류, 전압, 시간의 평균값은 각각 8.5 kA, 4.2 kV, 2.5 ms였습니다. 또한 분포와 안정성을 이해하기 위해 표준편차와 변동 계수도 계산되었습니다. 결과는 아크 전류의 표준편차가 0.8 kA이고 변동 계수가 9.4%, 아크 전압의 표준편차가 0.4 kV이고 변동 계수가 9.5%, 아크 시간의 표준편차가 0.2 ms이고 변동 계수가 8.0%였습니다. 이는 아크 테스트 데이터가 상대적으로 안정적인 분포와 높은 신뢰성을 보였음을 나타냅니다.

② 차단 테스트 데이터는 분석 및 처리되었습니다. 차단 전류, 전압, 시간의 평균값은 각각 3.5 kA, 3.8 kV, 3.0 ms였습니다. 마찬가지로 표준편차와 변동 계수를 계산하였습니다. 결과는 차단 전류의 표준편차가 0.5 kA이고 변동 계수가 14.3%, 차단 전압의 표준편차가 0.3 kV이고 변동 계수가 7.9%, 차단 시간의 표준편차가 0.1 ms이고 변동 계수가 4.4%였습니다. 이는 차단 테스트 데이터가 상대적으로 덜 안정적이며 신뢰성이 낮았음을 나타냅니다.

위의 데이터 분석을 바탕으로, 아크 테스트 데이터의 신뢰성이 차단 테스트 데이터보다 높음을 알 수 있으며, 이는 복잡한 전자기장이 차단 과정에 관여하기 때문일 가능성이 있어 더 깊은 조사가 필요합니다. 또한 테스트 데이터를 바탕으로 아크와 차단 특성 사이의 관계를 더 깊게 탐구할 수 있습니다.

3.2 아크 및 차단 특성 간의 관계 분석
아크 및 차단 과정의 매개변수를 분석 및 처리함으로써 아크 및 차단 특성 간의 관계를 더 깊게 연구할 수 있습니다. 아크 및 차단 특성은 모두 친환경 가스 단열 링 메인 유닛의 주요 성능 지표이며, 이들의 상호 관계를 이해하는 것은 설계 및 최적화에 귀중한 지침을 제공할 수 있습니다.

아크 및 차단 특성의 관점에서 보면, 전류, 전압, 시간과 같은 매개변수는 두 과정에 다르게 영향을 미칩니다. 아크 발생 중에는 아크 전류와 지속 시간이 주요 매개변수이며, 전압도 일정한 영향을 미칩니다. 반면, 차단 중에는 차단 전류가 주요 매개변수이며, 시간과 전압도 역할을 합니다. 따라서 아크 및 차단 특성 간의 관계를 분석할 때는 각각의 주요 매개변수를 따로 고려해야 합니다.

데이터 분석에 따르면 아크 및 차단 특성 간에 일정한 상관관계가 있습니다:

• 아크 전류와 전압이 증가하면 아크 생성물의 생성량과 아크 중 에너지 소모가 증가하여 차단의 어려움이 증가합니다.

• 차단 전류가 증가하면 차단 중 아크 에너지가 증가하여 차단의 어려움이 증가합니다.

또한, 아크 및 차단 중의 전자기장 분석에 따르면, 전자기장이 두 과정에 크게 영향을 미칩니다. 아크 발생 중에는 전자기장이 아크 확산을 제한하는 압축력을 행사하며, 차단 중에는 전자기장이 아크를 밖으로 밀어내는 반발력을 발생시켜 차단 성능에 영향을 미칩니다.

이러한 결과는 아크 및 차단 특성이 서로 관련되어 있으며, 주요 운용 매개변수와 전자기장 효과에 크게 영향을 받음을 나타냅니다. 따라서 친환경 가스 단열 링 메인 유닛의 설계 및 최적화에서는 아크 및 차단 특성 간의 관계를 종합적으로 고려하고, 특정 응용 사례에 맞춘 설계를 통해 최적의 성능을 달성해야 합니다.

4. 결론

친환경 가스 단열 링 메인 유닛의 아크 및 차단 특성에 대한 연구를 통해, 이러한 특성이 전통적인 SF₆ 단열 링 메인 유닛과 크게 다르다는 결론을 얻을 수 있습니다. 친환경 가스 단열 RMU는 전류, 전압, 시간과 같은 매개변수에 대해 더 엄격한 요구사항을 가지므로, 보다 정밀한 설계 및 최적화가 필요합니다. 또한, 아크 및 차단 중의 전자기장 분포는 다릅니다: 아크 발생 중에는 전자기장이 더 집중적이고 강렬한 반면, 차단 중에는 더 균일합니다.

친환경 가스 단열 링 메인 유닛의 적용이 계속 확대됨에 따라, 향후 연구는 다음과 같은 측면에 초점을 맞출 수 있습니다:

• 시뮬레이션 분석을 통한 친환경 가스 단열 RMU의 설계 최적화.

• 다양한 운용 조건 하의 아크 및 차단 특성 연구.

• 신규 친환경 가스의 단열 링 메인 유닛 적용 가능성 탐구.

요약하면, 이러한 연구 결과는 친환경 가스 절연 고리형 주요 장치의 개발 및 최적화를 진전시키는데 큰 의미가 있습니다.