중압 스위치기어의 안전성 및 신뢰성 보장 분석
전력 시스템 운영 전문가로서 중압(MV) 스위치기어가 전력 분배, 측정, 보호에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 인식합니다. 그 작동 안전성과 신뢰성이 중요하며, 어떠한 고장도 전체 전력 시스템에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 신뢰성을 높이기 위해서는 설계 단계의 최적화를 우선시하여 MV 스위치기어가 기능을 수행하고 그리드 안정성을 유지하도록 해야 합니다.
1. 중압 스위치기어의 정의
제 실무에서 MV 스위치기어는 GB 3906-2020 AC 금속 클래드 스위치기어 및 제어기 (정격 전압 3.6 kV ~ 40.5 kV)에서 정의된 금속 클래드 스위치기어를 의미합니다: 금속 케이싱으로 완전히 둘러싸인 장비로, 입/출입 전도체를 제외하고는 완전히 밀폐되어 있습니다.
전력 시스템에서 MV 스위치기어는 발전, 송전, 배전 단계에서 전환, 측정, 전력 분배, 보호 등의 주요 기능을 수행합니다. 작동 중에는 그리드 요구 사항에 따라 구성 조정을 하며, 안정성을 유지하기 위해 장비 또는 피더를 연결하거나 분리합니다. 그리드 장비나 선로에서 고장이 발생하면 MV 스위치기어를 사용하여 고장 부분을 즉시 격리하여 영향을 받지 않는 지역의 전력 공급을 계속 유지합니다.
2. MV 스위치기어 신뢰성 확보의 중요성
MV 스위치기어는 전력 시스템에서 널리 적용됩니다. 중국의 그리드 확장과 복잡성 증가로 인해 그리드는 사회적 요구를 충족하기 위해 더 많은 부하를 처리하게 되었습니다. 제 경험에 따르면, MV 스위치기어의 신뢰성을 확보함으로써만 효과적으로 전력 분배, 측정, 보호를 관리하고 전체 그리드 안정성을 유지할 수 있습니다.
MV 스위치기어에서 안전 사고나 작동 실패는 배전 시스템을 불안정하게 만들고 전력 공급을 위협합니다. 심각한 경우 대규모 정전을 초래하여 사회 생산에 큰 경제적 손실을 초래할 수 있습니다. 따라서 MV 스위치기어의 신뢰성을 다양한 방식으로 강화하여 안정적인 기능과 그리드 지원을 보장하는 것이 중요합니다.
3. MV 스위치기어 신뢰성 향상 전략
3.1 적절한 케이싱 구조 설계
과학적인 케이싱 설계는 MV 스위치기어 신뢰성의 기본이며, 제 엔지니어링 실무에서 이를 우선시합니다. 예를 들어:
이러한 설계 최적화는 산업 표준에 부합하여 MV 스위치기어가 실제 운영에서 안전성과 성능 요구 사항을 충족하도록 합니다.
3.2 적절한 절연 구조 설계
중저압 스위치기어의 안전성과 신뢰성을 높이기 위해서는 절연 설계를 강화하는 것이 필수적입니다. 실제 설계에서는 절연 요구 사항을 충족하는 것뿐만 아니라 설계 비용과 환경 보호 요소도 고려해야 합니다.
3.2.1 적절한 절연 가스 선택
중압 스위치기어에서 SF₆ 가스는 주요 절연 매체였습니다. 그러나 이는 독성이 있으며 GWP(온실 효과 지수)가 매우 높습니다. CO₂는 온실 가스로 GWP가 높지만, SF₆ 가스는 CO₂의 23,900배의 GWP를 가지고 있어 자연 환경에 큰 해를 끼칩니다. 중저압 스위치기어에서 비판적인 차단 성능 요구사항이 없는 경우, 설계적으로 N₂ 또는 건조 공기를 SF₆ 가스로 대체할 수 있습니다. N₂와 건조 공기의 절연 성능은 SF₆ 가스의 30%에 달합니다. N₂, 건조 공기, SF₆ 가스 간의 성능 비교는 표 1에 나와 있습니다.
표 1에 따르면, N₂와 건조 공기는 온실 가스가 아니므로 생태 환경에 위협이 없습니다. 또한 낮은 끓는점으로 인해 일반 사용 중 액화의 우려가 없으며, 특히 추운 지역에서도 문제가 없습니다. 특히 N₂는 공기의 주요 구성 요소로 화학적으로 안정적이지만, 과다한 N₂ 농도는 산소 부족으로 인한 질식을 유발할 수 있으므로 N₂를 절연 가스로 설계할 때는 환기와 보호 장비를 설치해야 합니다. 반면 건조 공기를 절연 가스로 사용하면 이러한 문제가 발생하지 않습니다. 종합적인 비교를 통해 건조 공기를 SF₆를 대체하여 스위치기어 절연 설계에 사용할 수 있습니다.
건조 공기를 절연 가스로 사용할 때는 최소 공기 간격 설계를 고려해야 합니다. 관련 기준에 따르면, 정격 전압 12 kV에서 상간 및 상대 지면 간의 최소 공기 간격은 125 mm입니다. 응축 테스트를 통과하면 최소 공기 간격을 125 mm보다 약간 작게 할 수 있습니다. 건조 공기를 절연 가스로 사용하면 최소 공기 간격을 적절히 줄일 수 있습니다.
3.2.2 가스 간격 내 파괴 전압 향상
설계 과정에서 중저압 스위치기어의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 가스 간격 내 파괴 전압을 향상시켜야 합니다. 구체적인 방법은 다음과 같습니다:
중저압 스위치기어의 전기장 분포 개선. 실제 조건에 따라 전극 형태를 최적화하거나 공간 전하를 활용하여 전기장 균일성을 향상시킬 수 있습니다. 전기장 균일성이 매우 좋지 않은 경우 장벽을 추가하는 것도 한 방법입니다.
건조 공기의 이온화 과정 억제. 중압 스위치기어에서 고압을 적용하여 건조 공기의 이온화 과정을 약화시킬 수 있습니다. 또는 중압 스위치기어에서 고진공을 사용하여 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.
고압이나 고진공을 사용할 때는 가스 탱크의 강도가 매우 높아야 하며, 실제 적용에서는 누출 문제가 발생하여 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서 실제 설계에서는 전극 형태를 개선하고 극도로 불균일한 전기장에서 장벽을 추가하는 것이 가스 간격 내 파괴 전압을 향상시키는 더 실행 가능한 방법입니다.
3.3 적절한 부품 선택
중압 스위치기어의 핵심 부품인 진공 회로 차단기, 진공 차단기, 접점은 장비의 작동 안전성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치므로 엄격한 품질 관리가 필요합니다.
ABB 스위치기어를 예로 들면, 그들의 진공 차단기는 엄격한 출하 전 검사를 거칩니다: 자동 고전압 테스트로 절연 강도를 확인하고, 스프링 마그네트론 장치로 불활성 가스로 채워진 챔버 내부의 압력을 측정합니다. 지정된 격리 기간 후 두 번째 압력 테스트를 진행하고 결과를 비교하여 밀봉 성능이 기준을 충족하는지 확인합니다.
제조 과정에서 ABB 진공 차단기는 엄격한 환경 및 공정 관리가 필요합니다. CalorEmag의 독일 공장에서 생산되며, 지역 중압 스위치기어 기업에서 전문적으로 조립한 후 집중 공급됩니다. Cu-Cr 및 W-C-Ag와 같은 고성능 합금을 부품 재료로 우선적으로 사용하여 내구성을 보장합니다.전용 청정실에서 "한 번의 밀봉 및 배기" 프로세스를 사용하여 800°C 고온에서 고진공 상태를 먼저 달성한 후 동시에 용접 및 밀봉하여 프로세스 신뢰성을 보장합니다.
진공 차단기의 R&D 진화는 지속적인 성능 최적화를 반영합니다: 초기 조립은 공기 노출에 의존하여 단순히 절연 파티션으로만 격리를 수행했습니다. 이후 개선 사항으로는 차단기와 접점에 절연 소켓을 덧씌우고 전기장을 균형 잡았으며, 차단기와 접점을 통합 주조하여 상간 절연과 충격 저항을 향상시키고, 환경 친화적 재료를 채택하여 성능과 환경 고려를 통합하였습니다.
3.4 적절한 설계 검증 테스트 계획
중압 스위치기어의 설계가 완료된 후 실험적 검증은 중요한 단계가 됩니다. 실제 검증은 GB 3906-2020 정격 전압 3.6 kV ~ 40.5 kV의 AC 금속 클래드 스위치기어 및 제어기, GB/T 11022-2020 고압 AC 스위치기어 및 제어기 표준의 일반 기술 요구 사항, GB/T 1984-2014 고압 AC 회로 차단기와 같은 관련 기준을 엄격히 준수해야 합니다.
형식 테스트의 주요 포인트
중압 스위치기어의 전기 부품과 보조 요소에 대한 포괄적인 성능 검증을 수행하여 기술적 매개변수가 요구 사항을 충족하도록 해야 합니다. 설계 과정이나 생산 조건이 변경될 경우, 형식 테스트를 다시 수행하여 장비의 안전성과 신뢰성을 보장해야 합니다. 일반적으로 생산되는 장비의 경우 8년마다 온도 상승 테스트가 필요하며, 기계적 작동 테스트를 통해 작동 성능을 검사하고, 짧은 시간 내에 견딜 수 있는 전류와 피크 견딜 수 있는 전류 테스트 등 안전 검증 항목도 필요합니다.
ABB 중압 스위치기어를 예로 들면, 현재까지 가장 엄격한 기준 하에 여러 국가에서 실험적 검증을 통과하여 뛰어난 안전성과 신뢰성을 입증했습니다. 내부 아크 테스트를 예로 들면, 다음을 검증합니다:
4 결론
전력 시스템의 핵심 구성 요소인 중압 스위치기어의 작동 신뢰성은 그리드 안전에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 장비의 안전성과 신뢰성 설계를 강화하고, 기준에 따라 기술적 매개변수를 엄격히 최적화하며, 체계적인 검증 테스트를 통해 견고한 안전 방어를 구축하여 중압 스위치기어가 전력 시스템에서 분배, 보호, 제어 기능을 안정적으로 수행할 수 있도록 해야 합니다.
