SF₆ 대체 가스 기반 고압 회로 차단기의 최신 개발 동향

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필드: 변압기 분석

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1. 소개
SF₆는 가스 절연 스위치기(GIS), 회로 차단기(CB) 및 중압(MV) 부하 스위치 등 전력 송배전 시스템에서 널리 사용되고 있습니다. SF₆는 독특한 전기 절연 및 아크 소멸 능력을 가지고 있습니다. 그러나 SF₆는 강력한 온실가스로 100년 기준으로 약 23,500의 지구 온난화 잠재력을 가지고 있어 사용이 규제되고 있으며 제한에 대한 지속적인 논의가 이루어지고 있습니다. 따라서 전력 응용 분야를 위한 대체 가스에 대한 연구가 약 20년 동안 진행되어 왔습니다.

"Club Zéro"(CZC)와 CIGRE는 최근 SF₆ 대체 가스의 최신 상태를 평가하기 위한 이니셔티브를 시작했습니다. 이 주제에 관한 모든 가능한 최신 문헌을 수집하기 위한 조사가 수행되었습니다. 결과는 2016년 CIGRE 세션에서 공동 세션에서 발표 및 논의되었습니다. 이 문서는 그 조사의 주요 결과를 제시합니다. 진공 스위칭 기술은 별도의 진행 중인 활동이므로 이번 검토에서는 다루지 않습니다.

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2. 대체 가스

1997년 교토 프로토콜 채택 이후 대체 가스에 대한 연구가 집중되었고 지난 수년간 더욱 증가하였습니다. 대체 가스의 핵심 요구 사항은 다음과 같습니다: 낮은 지구 온난화 잠재력(GWP), 오존 파괴 잠재력(ODP) 없음, 낮은 독성, 불연성, 높은 절연 강도, 높은 아크 소멸 및 열 방출 능력, 화학적 안정성, 재료 적합성, 시장 가용성.

여러 자연 출처의 가스 중 CO₂는 가장 유망한 아크 소멸 가스로 입증되었으며 O₂ 또는 CF₄와 같은 첨가제로 성능이 향상될 수 있습니다. 그러나 연구에 따르면 CO₂의 중단 및 절연 성능은 SF₆보다 열등하다는 것이 밝혀졌습니다. 다른 흥미로운 후보들은 플루오린화 가스들, 예를 들어 CF₃I, 하이드로플루오로올레핀(HFO-1234ze 및 HFO-1234yf), 페루오로케톤(예: C₅F₁₀O), 페루오로나일(C₄F₇N), 플루오린화 에테르(HFE-245cb2), 플루오린화 에폭사이드, 하이드로클로로플루오로올레핀(HCFO-1233zd) 등에서 확인되었습니다.

모든 요구 사항을 고려할 때 가장 유망한 현재 후보는 C₅ 페루오로케톤(CF₃C(O)CF(CF₃)₂ 또는 C₅-PFK) 및 아이소-C₄ 페루오로나일((CF₃)₂CF-CN 또는 C₄-PFN)입니다. 순수 가스의 경우 절연 성능은 끓는점에 비례합니다. 즉, 높은 절연 강도를 가진 가스는 일반적으로 높은 끓는점을 가집니다. 0.1 MPa에서 C₅-PFK와 C₄-PFN의 끓는점은 각각 26.5°C와 –4.7°C입니다. 따라서 낮은 온도 작동 요구 사항을 충족시키기 위해 충분히 낮은 끓는점을 필요로 하는 스위칭 장비 응용 분야에서는 버퍼 가스를 추가해야 합니다. 뛰어난 아크 소멸 능력을 갖춘 CO₂는 고압 응용 분야에서 버퍼 가스로 선택됩니다. 중압 응용 분야에서는 공기도 C₅-PFK와 함께 절연 목적으로 사용되는 버퍼 가스로 보고되었습니다.

3. 순수 가스 및 가스 혼합물의 특성

표 1은 선택된 대체 가스의 특성을 SF₆와 비교하여 나타내고 있습니다. 이러한 가스의 GWP는 크게 다양합니다: C₄-PFN은 CO₂ 또는 C₅-PFK보다 훨씬 높은 GWP를 나타냅니다. 두 가스 모두 GWP가 약 1입니다. 관심 있는 모든 후보 가스는 불연성이 있으며, ODP가 0이며, 화학 제조업체가 제공하는 기술 및 안전 데이터 시트에 따르면 독성이 없다고 보고되었습니다. 순수 C₄-PFN과 C₅-PFK의 절연 강도는 SF₆의 거의 두 배입니다. CO₂의 절연 내압은 공기와 유사하며, 즉, SF₆보다 상당히 낮습니다.

표 1: 순수 가스 특성과 SF₆의 비교

Gas	CAS Number	Boiling Point / °C	GWP	ODP	Flammability	Toxicity LC50(4h) ppmv	Toxicity TWA ppmv	Dielectric Strength / pu at 0.1 MPa
SF₆	2551-62-4	-64	23500	0	No	-	1000	1
CO₂	124-38-9	-78.5	1	0	No	>300000	5000	≈0.3
C5-PFK	756-12-7	26.5	<1	0	No	≈20000	225	≈2
C4-PFN	42532-60-5	-4.7	2100	0	No	12000…15000	65	≈2

표 2는 개스와 개스 혼합물이 스위치기어에서 사용될 때의 특성을 보여줍니다. 버퍼 가스와 혼합된 C₄-PFN과 C₅-PFK의 농도는 두 번째 열에 나와 있으며, 일반적으로 13% 미만(몰농도)입니다. C₅-PFK가 CO₂에서 사용되는 경우 산소 첨가제의 사용도 보고되었는데, 이는 산소의 존재가 유해한 부산물(예: CO) 및 고체 부산물(예: 매연)의 생성을 줄일 수 있기 때문입니다.

표 2: 중-고압 스위치기어 응용 분야에서 순수 가스와 가스 혼합물의 특성/성능

Gas	Concentration	Minimum Pressure / MPa	Minimum Temperature / °C	GWP	Dielectric Strength	Toxicity LC50 ppmv
SF₆	-	0.43…0.6	-41…-31	23500	0.86…1	-
CO₂	-	0.6…1	≤-48	1	0.4…0.7	>3e5
CO₂/C5-PFK/O₂ (HV)	≈6/12	0.7	-5…+5	1	≈0.86	>2e5
CO₂/C4-PFN(HV)	≈4…6	0.67…0.88	-25…-10	327…690	0.87…0.96	>1e5
Air/C5-PFK(MV)	≈7…13	0.13	-25…-15	0.6	≈0.85	1e5

믹스물의 유전 내압력이 동일한 압력에서 SF₆보다 낮기 때문에 (열 6 참조), 고압 응용 분야에서 버퍼 가스로 CO₂를 사용하는 C₅-PFK 및 C₄-PFN의 최소 작동 압력을 약 0.7-0.8 MPa로 증가시켜야 합니다. 중압 응용 분야에서 공기/C₅-PFK 혼합물을 사용할 때는 0.13 MPa의 압력을 유지하여 SF₆에 가까운 유전 내압력을 달성할 수 있습니다.

상대적으로 낮은 혼합 비율의 C₄-PFN 또는 C₅-PFK로 높은 유전 내압력을 달성할 수 있는 것은 시너지 효과 때문입니다. 즉, 첨가제 농도에 따라 유전 강도가 비선형적으로 증가하는 현상이 이전에 SF₆/N₂ 혼합물에서 관찰되었습니다. C₅-PFK 혼합물의 GWP는 미미하지만, 이는 더 높은 최소 작동 온도를 필요로 합니다. 저온 응용 분야(예: -25°C)에서는 순수 CO₂ 또는 CO₂ + C₄-PFN 혼합물을 사용할 수 있지만, 이에는 상호 보완적인 제약이 따릅니다: 순수 CO₂의 경우 유전 내압력이 크게 감소하거나, C₄-PFN 혼합물의 경우 GWP가 크게 증가합니다.

4. 대체 가스의 전환 성능
표 3은 순수 CO₂와 CO₂ 기반 혼합물의 전환 성능에 대한 초기 정보를 요약하고 있으며, 비교를 위해 SF₆의 성능도 제공합니다. SF₆에 비해 작동 압력을 증가시키면 예를 들어 용량성 스위칭 성능을 측정하는 지표로 사용되는 냉각 유전 강도를 SF₆ 수준으로 끌어올릴 수 있습니다.

표 3: 고압 응용 분야에서 SF₆와 비교한 고압 상태에서의 가스 및 가스 혼합물의 전환 성능 비교

가스	작동 압력 [MPa]	절연 강도 / pu	SLF 성능 대비 SF₆ / pu
SF₆	0.6	1	1	1
CO₂	0.8…1	0.5…0.7	0.5…0.83	≥0.5
CO₂+C5-PFK/O₂	0.7…0.8	SF₆에 가까움	0.8…0.87	SF₆에 가까움
CO₂/C4-PFN	0.67…0.82	SF₆에 가까움	0.83…(1)	SF₆에 가까움

검토된 문헌에서 C₄-PFN과 C₅-PFK 혼합물에 대한 전환 성능에 관한 질적 서술만 발견할 수 있었습니다. CO₂의 경우 일부 양적 비교가 가능합니다. 일반적으로 순수 CO₂를 약 1 MPa의 증가된 충전압력으로 사용하면 SF₆의 절연 및 단거리 고장(SLF) 차단 성능의 약 2/3 정도의 성능이 예상됩니다.

CO₂에 O₂를 첨가(O₂ 혼합비율 최대 30%까지)하면 SLF 차단 성능 향상과 약간의 유전 강도 증가가 예상됩니다. CO₂에 C₄-PFN 또는 C₅-PFK를 첨가하면 SF₆에 가까운 유전 성능을 달성할 수 있습니다. 연구에 따르면, CO₂/O₂/C₅-PFK 혼합물의 SLF 전환 성능은 SF₆보다 약 20% 낮다고 보고되었습니다. 반면, CO₂/C₄-PFN 혼합물을 위한 특별히 설계된 회로 차단기는 SF₆와 유사한 SLF 성능을 달성한다고 주장되었습니다.

그러나 동일한 기하학적 조건과 압력 조건 하에서 순수 CO₂와 CO₂/C₄-PFN, CO₂/C₅-PFK 혼합물을 직접 비교한 연구에서는, 첨가제 유무에 관계없이 CO₂의 근접 영역(열) 차단 성능이 유사하다는 결과가 나왔습니다. 소규모 설계 변경이나 적당한 파생 등으로 새로운 혼합물은 IEC 시험 규격 L90(SLF) 및 T100(100% 단말 고장)을 성공적으로 통과하였으며, 이는 그들의 전환 성능이 SF₆보다 크게 열등하지 않음을 나타냅니다. 이는 회로 차단기의 차단 기능에서도 입증되었습니다.

향후 전용 설계 최적화를 통해 전환 성능의 추가적인 개선이 예상됩니다. 중요한 문제 중 하나는 아크 후의 가스 독성입니다. C₅-PFK와 C₄-PFN은 복잡한 분자로, C₄-PFN의 경우 약 650°C 이상에서 분해되기 시작합니다. 분해될 때 이러한 분자는 원래 구조로 재결합하지 않고 더 작은 단편으로 형성됩니다. 고전류 차단시 CO₂/O₂/C₅-PFK 혼합물의 분해 속도는 0.5 mol/MJ로 보고되었습니다. 부분 방전의 경우, 위 값보다 한 자릿수 이상 낮은 분해 속도가 관찰되었습니다.

이 새로운 가스의 분해 행동은 주로 접촉부와 노즐 재료와의 화학 반응으로 인해 분해되는 SF₆와 직접 비교할 수 없습니다. 새로운 가스의 경우 장비 수명 동안의 분해는 임계적인 문제가 아니지만, 장비 내의 가스 농도는 모니터링하거나 주기적으로 점검해야 합니다. 고압 응용분야(즉, CO₂ 혼합물)에서 가장 독성 있는 분해 생성물은 CO와 HF입니다. 이러한 혼합물의 아크 부산물은 SF₆의 아크 분해 생성물과 유사하거나 더 낮은 독성을 가지는 것으로 여겨집니다. 따라서 아크 노출된 SF₆에 사용되는 처리 절차와 유사한 방법을 권장합니다.

그러나 위의 진술은 이러한 새로운 가스의 독성에 대한 제한된 지식을 바탕으로 한 것입니다. SF₆ 대체재의 아크 후 독성에 대한 더 많은 경험 필요합니다. 기타 보고된 우려 사항에는 재료 호환성(예: 실리콘 및 그리스의 영향), 가스 밀봉의 무결성, 가스 처리 절차 등이 포함됩니다. 따라서 적절한 설계나 재료 수정 없이는 기존의 고전압 장비가 이러한 새로운 가스로 안전하게 작동할 것으로 기대해서는 안 됩니다.

모든 혼합물에 대해 내부 아크 시험이 수행되었으며, 심각한 문제는 보고되지 않았습니다. 혼합물의 열전도율은 SF₆보다 약간 낮아, 전류 용량을 위한 적당한 파생 또는 설계 조정이 필요할 수 있습니다. CO₂ 실탱크 회로 차단기는 몇 년 전부터 배치되어 현장 경험을 쌓았으며, 이제 CO₂ 충전 차단기는 상업적으로 이용 가능합니다.

C₅-PFK 혼합물을 사용하는 고압 및 중압 파일럿 설치는 2015년부터 스위스와 독일에서 성공적으로 운영되고 있습니다. CO₂/C₄-PFN 혼합물을 사용하는 파일럿 프로젝트는 여러 유럽 국가에서 계획 중이거나 진행 중이며, 스위스의 145 kV 실내 GIS, 독일의 245 kV 실외 전류 변환기, 영국과 스코틀랜드의 실외 420 kV GIL 시스템 등이 포함됩니다.

5. 결론 및 전망
전환 응용을 위한 SF₆ 대체 가스에 대한 게시된 정보를 검토했습니다. 현재 단계에서 이 연구는 아직 초기 단계이며, SF₆에 대한 수십 년 간의 연구와 비교하여 매우 미미합니다. 제조사 데이터에 따르면, 새로운 가스들(C₅-PFK 및 C₄-PFN)은 CO₂를 버퍼 가스로 혼합하여 SF₆ 성능의 일부를 일치시킬 수 있는 실질적인 옵션이지만, SF₆의 모든 기능을 완전히 재현하지는 못합니다.

주요 차이는 절연 및 차단 성능, 그리고 끓는점(스위치 기어의 최소 지정된 작동 온도를 결정함)에 있습니다. 순수 CO₂를 사용하면 -50°C의 낮은 최소 작동 온도를 달성할 수 있습니다. 그러나 CO₂는 특히 복구 전압 피크 견딜 수 있는 능력과 차단 능력 측면에서, C₄-PFN 또는 C₅-PFK를 포함한 가스 혼합물에 비해 일반적으로 낮은 차단 성능을 나타냅니다.

CO₂/C₅-PFK 혼합물은 CO₂/C₄-PFN 혼합물에 비해 GWP(~1 대비 427/600)가 거의 없다는 장점이 있습니다. 반면, CO₂/C₄-PFN 혼합물은 CO₂/C₅-PFK 혼합물(-5°C 정도)에 비해 낮은 최소 작동 온도(-25°C 정도)를 제공합니다.

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker

설명 ：

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers는 고전압 전력 시스템의 필수적인 보호 장치입니다. 진공을 아크 소멸 및 절연 매체로 사용하여, 뛰어난 아크 소멸 능력을 갖추고, 고장 전류를 신속하게 차단하며, 아크 재점화를 효과적으로 방지하여 안정적인 전력 시스템 작동을 보장합니다. Dead tank 설계는 컴팩트한 크기와 견고한 기계적 안정성을 제공하여 설치 및 유지보수를 용이하게 합니다. 높은 신뢰성의 스프링 작동 메커니즘을 탑재하여 10,000회 이상의 기계 수명을 제공하며, 신속하고 정확한 반응을 제공합니다. 뛰어난 환경 적응성 덕분에 혹독한 야외 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 변전소, 송전선, 기타 다양한 시나리오에서 널리 적용되며, 다양한 전압 수준에서 효율적이고 안전한 전력 스위칭 제어 및 신뢰성 있는 보호를 제공합니다.