10kV 푸셔형 부하 스위치의 단락 고장 분석

1. 고장 개요

2013년 6월, 특정 도시 지역에서 운용 중인 고압 스위치기어에서 고장이 발생하여 10kV 라인이 트립되었다. 현장 조사 결과, 고장난 스위치기어는 공기식 링 네트워크 고압 부하 스위치기어(HXGN2-10형)였으며, 고장 특성은 3상 아크 단락이었다. 고장을 격리하고 사용자에게 전력 공급을 복구한 후, 이 지역의 동일 유형의 스위치기어(1999년부터 2000년 사이에 운영 시작, 12년 이상의 운용 기간, 설계된 정격 전류 630A, 실제 운용 전류 대부분 ≤ 300A)가 여러 차례 유사한 고장을 겪어 전력망의 안정적인 운용에 위협이 되고 있음을 주목해야 한다.

2. 공기식 부하 스위치의 작동 원리

공기식 링 네트워크 캐비닛은 공기식 부하 스위치를 장착하고 있기 때문에 이렇게 명명된다. 그 이동 접촉봉은 또한 공기 실린더로 작동한다 - 빈 구조체 내부에는 밀폐된 "피스톤"이 있으며, 이는 주축에 의해 닫히고 열리는 직선 운동을 실현한다. 열릴 때 피스톤이 이동 접촉봉(공기 실린더) 내의 공기를 빠르게 압축하며, 압축된 공기는 아크 소멸 접점의 분리로 인해 발생하는 아크를 향해 내화성 플라스틱 노즐을 통해 불어 보내 아크를 끊는다; 고속 공기 흐름은 절연 매체의 절연 강도를 빠르게 회복시켜 아크의 재점화를 방지한다.

스위치의 고장 전류 차단 능력이 제한적(35kV 이하 시스템에만 적용 가능)이므로, "전도 요소와 아크 발생 요소를 분리"하는 설계 방안을 채택한다:

• 전도 요소: 붉은 구리 사과 모양 접촉 손가락 + 전도봉, 전류 전송을 담당;

• 아크 발생 요소: 구리-텅스텐 합금 아크 발생봉 + 아크 발생 링, 아크 발생 및 소멸을 위한 특수 요소.

열릴 때 이동 접촉봉의 외부 표면이 먼저 고정 접촉 손가락으로부터 분리되고, 다음으로 아크 발생 링이 아크 발생봉으로부터 분리된다. 아크는 아크 발생 구성 요소 사이에서 제한적으로 연소되며, 메인 접촉부의 손상을 피한다; 이동 접촉봉과 하단 단자는 사과 모양 접촉 손가락을 통해 연결되어 전기 전도를 보장한다.

3. 고장 원인의 심층 분석
(1) 초기 조사 (외부 요인)

이 유형의 스위치의 설계된 정격 전류는 630A이나, 디스패칭 데이터에 따르면 변전소의 발신 스위치의 운용 전류는 283A이며, 스위치기어를 통과하는 이론적 전류는 ≤ 283A이다. 현장 환경(맑은 날씨, 캐비닛 몸체에 오염 없음)과 결합하면, 과전류, 과전압, 오염 플래시오버 등의 외부 요인은 직접 배제할 수 있으며, 고장은 스위치기어 자체의 결함으로 귀착된다.

(2) 해체 및 시험 검증

고장난 캐비닛을 해체한 후, "이동 접촉부와 고정 접촉부 간의 접촉이 나쁘어 과열 및 타버림"이라는 초기 추측이 있었으나, 캐비닛의 심각한 손상으로 인해 확실한 결론을 내릴 수 없었다. 따라서 동일 유형의 운용 중인 스위치기어에서 샘플링 검사를 수행하였다:

• 내전압 및 회로 저항: 내전압 수준은 적합하며, 회로 저항은 114μΩ(기술 규격 준수);

• 온도 상승 시험: 30분 동안의 전류 상승 시험 데이터(표 1)에 따르면 400A에서 온도 상승이 84.2℃, 630A에서는 133.1℃에 달하여, 1시간 내 온도 상승 ≤ 1K 또는 3시간 내 온도 상승 ≤ 2K라는 국가 기준을 크게 초과하였다.

(3) 근본 원인 확인

종합적인 시험 및 구조 분석 결과, 고장은 접촉 시스템의 실패에서 비롯되었다, 구체적으로 다음과 같이 나타났다:

• 스프링 힘 부족: 사과 모양 접촉 손가락을 효과적으로 수축시키지 못하여, 접촉 손가락과 이동 접촉봉 사이의 "표면 접촉"이 "선 접촉"으로 악화되고, 접촉 면적이 급격히 감소;

• 가공 정밀도 결함: 사과 모양 접촉 손가락의 아크 표면/평면 가공 정밀도 부족으로 인해 접촉 불량이 악화됨;

• 산화 악순환: 접촉 손가락과 이동 접촉봉이 공기와 접촉하여 산화되어 접촉 저항 증가 → 발열 증가 → 스프링 긴장도 더 약화 → 접촉 효과 더욱 악화, 결국 공기 이온화 아크 단락 및 라인 트립 발생.

4. 장비 개선 및 최적화 솔루션
(1) 공정 업그레이드: 접촉 품질의 정밀 제어

"접촉 불량"이라는 핵심 문제에 대응하여, 재료 및 가공 부분에서 개선하였다:

• 스프링 선택: 피로 저항이 높은 스프링을 채택하여 설계 수명 내(정격 전류의 ON/OFF 포함) 스프링 힘이 안정적으로 유지되도록 하여, 스프링의 고장으로 인한 접촉 문제를 방지;

• 접촉 손가락 가공: 사과 모양 접촉 손가락의 아크 표면 및 평면 가공 정밀도를 엄격히 관리하여, 이동 접촉봉의 원통형 아크 표면과 완전히 맞물리도록 하여, 선 접촉/점 접촉의 잠재적 위험을 제거하고, 접촉부의 전류 용량 및 온도 상승 준수를 보장.

(2) 설계 최적화: 전체 과정 상태 모니터링

캐비닛 구조 설계에 "온라인 모니터링" 기능을 통합하여 시각적인 상태를 실현:

• 온도 측정 창 및 프로브: 편리한 온도 측정 창을 설정하고, 고정 접촉부에 온도 프로브를 설치하여 패널 계기에 실시간으로 캐비닛 내 접촉부의 온도를 표시;

• 데이터 저장 및 조기 경보: 데이터 저장 장비를 구성하여 운용 데이터를 기록한다. 설비가 노후화되어도 데이터 분석을 통해 미리 이상 상황을 식별하여 교체 및 유지보수 프로세스를 트리거하여, 수동적인 수리를 벗어나서 능동적인 운영 및 유지보수로 전환.

(3) 운영 및 유지보수 강화: 동적 결함 처리

운영 중인 장비에 대해, 운영 및 유지보수 방법을 최적화하였다:

• 관찰 창 개선: 고정 관찰 창을 이동 가능한 것으로 변경하여 캐비닛 내부 온도 모니터링을 용이하게 함;

• 국부 방전 시험 정규화: 피크 부하 기간 동안 스위치기어의 국부 방전 시험을 수행하여, 사전에 절연 결함을 포착하고 고장의 확대를 방지.

5. 적용 시나리오 및 발전 제안

전력 소비 증가에 따라, 배전망의 주요 라인은 300-400㎡ 크로스 섹션 케이블로 업그레이드되었으며, 변전소의 용량은 지속적으로 증가하고 있다. 공기식 스위치기어의 차단 용량 부족 및 취약한 접촉부의 단점이 점점 두드러지고 있다. 다음과 같이 제안한다:

• 시나리오 조정: 라인 링 네트워크 응용에서 철퇴하고, 종단 변압기 지역(변압기 용량 ≤ 630kVA)의 고압 배전으로 전환하여, "간단한 구조 및 낮은 비용"의 장점을 활용;

• 기술 이터레이션: 라인 링 네트워크 시나리오에서는, 더 높은 신뢰성과 강력한 차단 능력을 갖춘 스위치기어(예: 진공 부하 스위치)를 우선적으로 선택하여, 배전망 자동화 및 높은 신뢰성 요구사항을 충족;

• 가치 연속: "공정 업그레이드 + 온라인 모니터링" 개선 후, 공기식 부하 스위치기어는 종단 부하 시나리오에서 계속 서비스하여 잔여 가치를 발휘할 수 있다.