고도 지역을 위한 최적화된 가스 절연 스위치기어 설계

가스 절연 링 메인 유닛은 중간 전압 배전 자동화 시스템에 적합한 소형이고 확장 가능한 스위치 기어입니다. 이러한 장치는 12~40.5 kV 링 네트워크 전력 공급, 이중 방사형 전력 공급 시스템 및 종단 전력 공급 응용 분야에서 사용되며, 전기 에너지의 제어 및 보호 장치로 작용합니다. 또한 패드 마운트 변전소에 설치하기에도 적합합니다.

전기 에너지를 분배하고 조정함으로써 전력 시스템의 안정적인 운전을 보장합니다. 이러한 장치의 핵심 구성 요소는 회로 차단기 또는 부하 스위치와 융선의 조합을 사용하며, 간단한 구조, 작은 크기, 낮은 비용, 개선된 전력 공급 매개변수 및 성능, 그리고 향상된 전력 공급 안전성을 제공하는 장점이 있습니다. 도시 주거 지역, 고층 건물, 대형 공공 시설, 산업 기업 등 부하 중심지의 배전소 및 패드 마운트 변전소에서 널리 사용됩니다. 다양한 절연 가스가 절연 매체로 사용되며, SF₆, 건조 공기, 질소 또는 혼합 가스 등을 포함하여 높은 절연 성능과 환경적 이점을 제공하여 전력 시스템에서 널리 적용되고 있습니다.

이 유형의 링 메인 유닛의 주요 구성 요소는 절연 가스(이하 "가스 챔버"라고 함)로 충진된 밀봉 용접 탱크 내에 설치됩니다. 가스 챔버는 가스 절연 링 메인 유닛의 핵심 구성 요소입니다. 그 주요 기능은 오염, 습도, 부식 등의 외부 환경 요인에 영향을 받지 않고 고압 구성 요소가 안정적으로 작동하도록 하는 것입니다. 동시에 구성 요소의 운전 환경과 정상적인 전기 성능을 보장합니다. 모든 내부 구성 요소는 밀봉된 가스 챔버에 의해 보호됩니다. 챔버에는 압력 또는 가스 밀도 모니터링 장치, 예를 들어 압력계나 밀도계가 장착되어 있으며, 일반적으로 챔버 내외부의 압력 차를 측정합니다.

이 기사는 고도 환경에서 링 메인 유닛의 기계적 및 전기적 성능에 영향을 미치는 문제에 대해 주로 다룹니다.

1. 가스 절연 링 메인 유닛의 일반적인 고도 설계 방안 및 현존하는 문제

가스 절연 링 메인 유닛은 완전 절연 설계를 특징으로 하며, 주 전도 회로는 밀봉된 가스 챔버, 완전 절연된 입출력 부싱, 완전 절연된 케이블 종단부로 구성된 완전 절연 시스템에 의해 둘러싸여 있습니다. 가스 챔버 내부 환경은 외부 조건에 영향을 받지 않으므로, 가스 밀도와 습도는 일정하게 유지됩니다. 이론적으로 절연 성능은 습도, 오염, 부식성 가스와 같은 외부 요인에 영향을 받지 않습니다. 마찬가지로, 에폭시 수지와 실리콘 고무와 같은 절연 재료로 설계된 부싱과 케이블 종단부의 절연 성능도 외부 환경에 영향을 받지 않습니다. 표면적으로 보면, 전통적으로 설계된 가스 절연 링 메인 유닛은 고원 환경에 적응할 수 있어 보이며, 많은 제조사들은 이를 고도 운영 요구 사항을 충족한다고 믿고 이러한 지역에 직접 배치합니다.

현재, 가스 절연 링 메인 유닛을 고도 환경에 적용할 때 두 가지 주요 기술 방안이 사용되고 있습니다:

1.1 고도 지역에 직접 배치

설계 개념: 이 접근 방식은 주 전도 회로가 완전 절연 시스템(밀봉된 가스 챔버, 완전 절연된 부싱, 케이블 종단부)에 의해 완전히 둘러싸여 있어 고도 조건에도 절연 성능이 영향을 받지 않는다는 원칙에 의존합니다.
현존하는 문제: 실제 운전에서는 고도에서 외부 대기압이 감소하여 가스 챔버 내외부의 압력 차가 증가합니다. 이로 인해 챔버가 크게 팽창 변형되어 회로 차단기 및 차단기와 같은 전기 구성 요소의 기계적 성능에 영향을 미칩니다. 이는 운전 시 잠금이나 기계적 특성의 변화를 초래할 수 있습니다.

1.2 공장에서 가스 압력을 낮추는 것

설계 개념: 고도에서 내외부 압력 차가 증가하는 것을 해결하기 위해, 이 방안은 공장에서 챔버 내부의 가스 압력을 낮춥니다. 장치가 고도 지역에 도착하면, 낮은 대기압으로 인해 압력 차가 기술 규격에 요구되는 값으로 상승하여 압력계가 필요한 운전 압력을 표시합니다.
현존하는 문제: 이 설계는 챔버 내부의 절연 가스의 밀도를 효과적으로 낮춥니다. 고도에서 압력계는 설계된 값을 표시하지만, 가스의 절연 성능은 독일 물리학자 프리드리히 파셴이 제시한 파셴 곡선(도표 1 참조)에 따르면 가스 밀도와 본질적으로 관련되어 있습니다. 파셴 곡선은 파셴 법칙에서 유도된 함수를 나타냅니다. 그 물리적 의미는: 절연 거리 d(cm)와 가스 압력 P(Torr)의 곱에 대한 단락 전압 U(kV)의 함수로, U = apd / [ln(Pd) + b]로 표현됩니다(도표 1 참조), 여기서 a와 b는 상수입니다.

곡선의 주요 의미: 고정된 절연 거리를 유지하면서 압력을 증가시키거나 진공 상태(예: 10⁻⁶ Torr)로 압력을 낮추면 단락 전압이 증가합니다. 진공 상태 근처에서는 낮은 진공 수준(즉, 증가된 공기 밀도)으로 전극 사이의 전기적 단락이 더 쉬워집니다. 특정 압력 임계값을 넘어서면 압력이 증가함에 따라 절연 성능이 점차 개선됩니다. 이 단계(도표 1의 점 a 이후)에서 압력을 낮추면 가스 밀도가 감소하여 단락 전압이 낮아지고, 즉 절연 성능이 저하됩니다. 가스 절연 링 메인 유닛의 운전 압력 범위는 완전히 이 영역(도표 1의 점 a 이후 부분)에 속합니다.

1.3 전통적인 고도 설계의 문제 요약

• 가스 챔버 내외부의 압력 차가 증가하여 챔버의 변형이 커져 스위치의 기계적 운전 및 성능에 영향을 미칩니다.

• 내외부 압력 차가 증가하는 조건에서 압력 해제 장치가 활성화되기 쉽습니다.

• 압력 게이지는 가스 구획 내부와 외부 사이의 상대적인 압력 차이를 측정합니다. 가스 밀도계는 압력 게이지에 온도 보상 기능을 추가합니다. 그러나 높은 고도에서는 실제 가스 밀도를 정확하게 표시할 수 없으며, 가스 밀도는 본질적으로 절연 성능과 관련되어 있습니다.

• 높은 고도에서 대기 밀도가 감소함에 따라 가스 구획의 외부 절연 부품의 종합적인 절연 성능이 저하됩니다.

2. 고고도 가스 절연 링 메인 유닛 설계 방안
위의 분석에 따르면, 가스 절연 링 메인 유닛의 완전 절연 구조(주 전도 회로가 밀폐된 가스 구획, 완전 절연 부싱, 완전 절연 케이블 터미널로 완전히 둘러싸인)는 이론적으로 절연 성능이 영향을 받지 않지만, 고도에서 발생하는 요인들(가스 구획 내외부 압력 차 증가, 구획 내 절연 가스 밀도 감소, 정확한 가스 밀도 표시 요구)으로 인해 영향을 받습니다. 따라서 고고도 가스 절연 링 메인 유닛의 설계 핵심은 가스 구획 및 압력 해제 장치 설계, 고도 환경 요구 사항을 충족하는 가스 구획 압력 게이지, 고도에서 외부 절연 부품의 종합적인 절연 능력 저하 해결에 있습니다.

2.1 고고도용 가스 구획 및 압력 해제 장치 설계
위에서 언급한 기술적 문제를 해결하기 위해, 이 논문은 특수 설계되지 않은 일반 유닛이나 단순한 압력 감소만 적용한 유닛과 다른 고고도 가스 절연 링 메인 유닛의 새로운 설계 개념을 제안합니다. 이 링 메인 유닛은 다음과 같은 측면에서 특화된 설계를 갖추고 있습니다:

(1) 가스 구획 구조 강도 강화
고도에서 발생하는 내외부 압력 차 증가를 대비하여 가스 구획의 구조 강도를 강화합니다. 이를 통해 고도에서의 구획 변형이 기술 사양 내에 유지되며, 구획 내 고압 부품의 기계적 성능이 영향을 받지 않습니다.

국제 표준 대기 모델에 따르면, 주어진 고도에서의 표준 대기 압력을 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
여기서 P는 주어진 고도에서의 대기 압력, P₀는 해수면에서의 표준 대기 압력, H는 고도입니다.

예를 들어 4000m 고도에서:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

일반적인 10kV SF₆ 가스 절연 링 메인 유닛을 예로 들면, 비고도 지역에서의 가스 구획 설계 압력은 일반적으로 0.07 MPa입니다. 고도에서의 대기 압력 감소를 고려하면, 4000m 고도에서의 실제 가스 구획 설계 압력을 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) 고고도용 압력 해제 장치 설계
최신 국가 표준 GB/T 3906—2020 "3.6kV 이상 40.5kV 이하의 정격 전압을 가진 교류 금속 폐쇄 스위치장치 및 제어장치"의 7.103 조항에 따르면, 가스 절연 링 메인 유닛의 가스 구획은 1분 동안 설계 압력(P₁)의 1.3배를 견뎌내야 하며, 압력 해제 장치가 작동하지 않아야 합니다. 압력이 1.3배(P₁)에서 3배(P₂) 사이에서 계속 상승하면 압력 해제 장치가 작동할 수 있지만, 제조사의 설계 사양을 충족해야 합니다. 테스트 후에는 가스 구획이 변형될 수 있지만 파열되어서는 안 됩니다.

이러한 요구 사항에 따라 가스 구획과 압력 해제 장치의 강도를 설계하면 국가 표준을 충족합니다. 다양한 고도에 대한 가스 구획과 압력 해제 장치는 모두 이 방법을 사용하여 계산 및 설계할 수 있습니다:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

가스 구획의 구조 강화(예: 두꺼운 강판 사용 또는 강성재 추가)를 통해 고도에서 발생하는 내외부 압력 차 증가에 따른 강도 요구 사항을 충족합니다. 이로 인해 구획 내 고압 스위치의 기계적 및 전기적 성능이 변형으로 인해 영향을 받지 않으며, 정격 가스 압력에서 안정적으로 작동하며, 평지 환경과 동일한 기계적 및 전기적 성능을 제공합니다.

설계 계산 및 실험 검증을 통해 압력 해제 다이어프램의 두께와 강도를 증가시키면 압력 내구성이 향상됩니다. 이로 인해 가스 구획의 압력 해제 범위가 지정된 압력 범위 요구 사항을 충족하며, 고도 환경에서 발생하는 내외부 압력 차 증가로 인한 압력 해제 장치의 조기에 작동을 방지합니다. 이를 통해 내부 절연 수준을 유지하고 링 메인 유닛의 전기적 성능을 보장합니다.

2.2 고고도용 가스 밀도 표시 장치 설계
절연 가스 밀도 표시 장치는 밀폐형 밀도계를 사용합니다. 그 표시 값은 온도 변화나 외부 대기 압력 변화에 영향을 받지 않습니다.

고고도 가스 절연 링 메인 유닛의 경우, 가스 구획에 선택된 밀도계는 온도와 고도의 영향을 받지 않는 밀폐형 전체 조건 밀도계입니다. 그 원리는 밀도계 내부의 보상 요소가 온도 보상을 가능하게 하는 것입니다(온도에 영향을 받지 않음). 동시에, 미터 헤드는 표준 대기 압력을 유지하는 밀폐 구조를 갖추고 있습니다. 밀도계의 표시 압력 값은 가스 구획 내부와 표준 대기 압력 사이의 압력 차를 나타냅니다.

이 설계는 고압 가스실의 밀도계가 항상 실내의 실제 가스 밀도를 정확하게 반영하도록 보장합니다. 표시된 값은 온도와 고도에 영향을 받지 않으며, 고고도 지역의 운영 요구 사항을 완전히 충족합니다.2.3 고고도 가스 절연 링 메인 유닛의 완전 절연 부싱 설계

고도가 높아짐에 따라 가스실과 측정 기기뿐만 아니라 외부에 장착된 완전 절연 구성 요소(예: 입/출선 부싱 및 케이블 종단 접속부)에도 영향을 미칩니다. 이러한 외부 완전 절연 구성 요소의 절연 성능은 절연 재료의 절연 강도와 지면 대비 크리핑 절연 강도에 의해 영향을 받습니다. 고도가 높아짐에 따라 공기 밀도가 감소하여 지면 대비 크리핑 절연 강도가 감소합니다. 실제 응용에서 전통적으로 설계된 가스 절연 링 메인 유닛은 고도가 높은 지역에서 배치 후 외부 절연 구성 요소(예: 절연 부싱 또는 상부 확장 모선)의 전력 주파수 내압 테스트를 통과하지 못하는 경우가 많습니다.

이를 해결하기 위해 이 논문에서는 고고도 가스 절연 링 메인 유닛의 완전 절연 부싱에 대한 새로운 설계 방안을 제안합니다: 이러한 절연 구성 요소의 외부 표면에 접지 차폐층을 추가하는 것입니다. 이 설계는 전기장 균일성을 개선하고 주 회로 모선에서의 접지 방전을 방지합니다.

티베트 나그추의 야외 10 kV 스위칭 스테이션 프로젝트에서 한 회사는 수락 테스트 중에 장비가 지면 대비 29 kV/1분의 전력 주파수 내압 테스트만 통과할 수 있는 상황을 겪었습니다. 입/출선 부싱과 가스실의 외부 모선의 외부 절연체에 접지 차폐층을 추가한 후, 장비는 지면 대비 42 kV/1분의 국가 표준 요구 사항을 충족했습니다.

2.4 기술적 핵심 포인트 요약
고고도 가스 충전 절연 링 메인 유닛의 중요한 설계 측면은 다음과 같습니다:

• 강판 두께를 늘리거나 강화재를 추가하여 고도가 높아짐에 따른 내외부 압력 차이로 인한 변형 제한과 압력 저항 범위 요구 사항을 충족하도록 가스실의 구조적 강도를 강화합니다.

• 가스실의 압력 해제 장치의 압력 해제 다이어프램의 강도 설계를 강화합니다. 강화 후에는 고도가 높아짐에 따른 내외부 압력 차이로 인한 압력 해제 장치의 압력 저항 범위 요구 사항을 충족합니다.

• 밀폐형 밀도계를 압력 표시 장치로 채택합니다. 표시된 값은 온도 변화나 외부 대기압 변동에 영향을 받지 않아 고고도 환경에 적합합니다.

• 가스실의 외부 절연 구성 요소의 외부 표면에 접지 차폐층을 설계하여 전기장 균일성을 개선하고 주 회로 모선에서의 접지 방전을 방지합니다.

3. 고고도 가스 절연 링 메인 유닛 설계의 의의
이 설계 방안은 진정으로 고고도 운영 요구 사항을 충족하는 가스 절연 링 메인 유닛을 제공하기 위한 것입니다. 가스실 강도를 동시에 향상시키고, 압력 해제 장치의 압력 저항 능력을 개선하며, 내부 가스 밀도를 정확하게 측정하고, 관련 절연 구성 요소를 합리적으로 설계함으로써 링 메인 유닛은 고고도 환경에 대한 완전한 기술적 적응성을 달성합니다. 이를 통해 링 메인 유닛의 기계적 및 전기적 성능이 보장되어 고고도 환경에서도 가스 절연 링 메인 유닛의 정상적인 작동이 가능해집니다.

중국의 고고도 지역은 넓어 고고도 조건에 적응한 전력 장비에 대한 수요가 매우 큽니다. 제품 설계의 표준화와 합리성이 급격히 개선되어야 합니다. 고고도 지역의 실제 환경 변화는 제품 설계에 새로운 요구 사항을 제기합니다. 이 기술 방안은 새로운 설계 이론과 방법론을 제공하며, 의미 있는 탐구를 나타냅니다.