신뢰성 있는 24kV 공기 및 가스 절연 장비 설계

현재 중국의 중압 배전망은 주로 10kV에서 운영되고 있습니다. 빠른 경제 발전과 함께 전력 부하가 급증하면서 기존의 전력 공급 방식의 한계가 점점 노출되고 있습니다. 24kV 고압 스위치기어는 더 높은 부하 용량 요구를 충족시키는 뛰어난 장점 덕분에 업계 내에서 조용히 인기를 얻고 있습니다. 국가그리드공사의 "20kV 전압 수준 촉진에 관한 통지" 이후 20kV 전압 등급이 급속도로 채택되고 있습니다.

이 전압 수준의 핵심 제품인 24kV 고압 스위치기어의 구조와 절연 설계가 업계의 주요 관심사가 되었습니다. 전력 산업 표준 "고압 스위치기어 및 제어 장비의 일반 기술 요구사항" (DL/T 593-2006)에 따르면 스위치기어에 대한 특정 절연 요구사항이 명확하게 정의되어 있습니다. 24kV 제품의 절연 요구사항은 다음과 같습니다:

최소 공기 간격 (상간, 상대지): 180mm; 정현파 내압 (상간, 상대지): 50/65 kV/min, (절연 접합부): 64/79 kV/min; 번개 내압 (상간, 상대지): 95/125 kV/min, (절연 접합부): 115/145 kV/min.

참고: 슬래시 왼쪽의 데이터는 단단히 접지된 중성 시스템에 적용되며, 오른쪽의 데이터는 아크 소멸 코일을 통해 접지되거나 접지되지 않은 시스템에 적용됩니다.

24kV 고압 스위치기어는 절연 방법에 따라 공기 절연 금속 밀폐형 스위치기어와 가스 절연 SF6 링 메인 유닛으로 분류할 수 있습니다. 특히 24kV 공기 절연 금속 밀폐형 스위치기어, 특히 중앙 탈착형 (이하 24kV 중앙 탈착형 스위치기어)이 주요 설계 초점이 되었습니다. 이 기사는 24kV 중앙 탈착형 스위치기어와 가스 절연 SF6 링 메인 유닛의 구조와 절연 설계에 대한 몇 가지 제안을 논하며 참조 및 의견을 제공합니다.

1. 24kV 중앙 탈착형 스위치기어 설계

24kV 중앙 탈착형 스위치기어 기술은 주로 세 가지 출처에서 유래되었습니다: 첫째, 12kV KYN28-12 제품의 업그레이드를 통해 절연 관련 구성 요소를 직접 교체하는 것입니다. 둘째, ABB와 Eaton Senyuan과 같은 외국 중앙 탈착형 제품이 국내 시장에 진입한 것입니다. 셋째, 중국 내에서 독립적으로 개발된 24kV 중앙 탈착형 스위치기어입니다. 세 번째 카테고리는 중국의 기존 기술 조건과 요구 사항에 맞게 설계되어 시장에서 가장 경쟁력이 있습니다. 따라서 그 설계 과정에서 전체 제품 구조와 절연 설계를 충분히 고려해야 합니다. 아래에 자세히 설명하겠습니다:

1.1 동일 높이 캐비닛 구조 및 삼각 모양 버스바 배열

대부분의 12kV 중앙 탈착형 스위치기어는 앞쪽이 높고 뒤쪽이 낮은 구조를 사용하며, 세 상 버스바는 삼각형 (델타) 형태로 배열되고 계측 콤팩트는 제거 가능한 독립 구조입니다. 이러한 방법을 24kV 중앙 탈착형 스위치기어에 적용하면 최소 공기 간격 180mm를 충족시키지 못합니다. 따라서 24kV 중앙 탈착형 스위치기어는 동일 높이 캐비닛 설계를 채택하고 계측 콤팩트를 주 캐비닛에 통합해야 합니다.

캐비닛 높이는 2400mm로 적절히 증가하여 버스바와 회로 차단기 구획에 더 많은 공간을 제공해야 합니다. 버스바 벽 부싱은 삼각형으로 배열해야 합니다. 이러한 접근 방식은 공기 간격 요구 사항을 충족시키는 동시에 전자기력을 효과적으로 억제하고 견딜 수 있으며, 버스바 열 방출을 향상시키고 절연 신뢰성을 향상시킵니다.

1.2 스위치기어 너비의 합리적인 설계

절연 신뢰성의 관점에서 보면 공기 절연이 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다. 최소 절연 간격이 보장되면 절연은 완전히 확보될 수 있습니다. 완전 공기 절연 설계를 고려할 때 24kV 스위치기어의 이론적 너비는 1020mm여야 합니다. 그러나 실제 생산에서는 대부분의 제조사가 1000mm의 캐비닛 너비를 선택하기 때문에 복합 절연을 사용해야 합니다. 일반적으로 버스바에 열수축 튜브를 적용하고, SMC (Sheet Molding Compound) 절연 장벽을 상간 및 상대지 사이에 설치하여 절연을 강화합니다.

1.3 균일한 전기장 분포 설계

시험 결과, 전압 수준이 높을수록 정현파 내압 시험 중 국부적인 전기장 강도가 높아지며, 때때로 눈에 띄는 코로나 방전 소리가 발생합니다. 규정에 따르면, 방해되는 방전이 발생하지 않으면 시험이 통과된 것으로 간주됩니다. 그러나 국부적인 전기장 강도가 높으면 제품의 정상 작동 중 과전압을 견디는 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 

따라서 제품 설계는 가능한 한 균일한 전기장 분포를 달성하고 국부적인 필드 집중을 피하는 것을 우선시해야 합니다. 실제 경험에 따르면, 도체를 성형하여 균일한 필드를 달성하는 것이 효과적입니다. 버스바의 절단 부분은 형성 밀링 커터를 사용하여 둥근 모서리로 가공합니다. 접촉 상자 내의 버스바 끝은 먼저 반원형으로 성형한 후 둥근 모서리로 밀링합니다. 가능하다면 회로 차단기의 매화 접점 외부에 금속 차폐 커버를 설치하거나 접촉 상자의 주조 과정에서 금속 차폐 메쉬를 삽입합니다. 이러한 조치는 전기장 분포를 효과적으로 균일하게 하여 필드 피크를 억제하고 절연 수준을 더욱 향상시킵니다.

1.4 긴 기복 거리를 갖는 절연 재료 사용

벽 부싱, 접촉 상자, 지지 절연체와 같은 절연 재료는 24kV의 절연 요구 사항을 충족하기 위해 확장된 셔드와 충분한 기복 거리를 가져야 합니다. 특히 접촉 상자 설계에서는 금속 차폐 메쉬를 추가해야 하며, 내부 공동은 고리 구조의 문제점을 피하기 위해 혀 모양 구조를 사용해야 합니다. 고리 구조는 운전 중 응결과 오염 누적을 효과적으로 억제하지 못합니다.

2. 24kV 가스 절연 SF6 링 메인 유닛 설계

외국의 24kV 가스 절연 SF6 링 메인 유닛은 초기부터 시작되었으며, Siemens와 ABB와 같은 회사들은 1980년대 초부터 이를 도입했습니다. 이는 많은 외국 국가들이 24kV를 주요 중압 배전 전압으로 사용하기 때문입니다. 그들의 제품은 기술적으로 선진적이며 성능이 우수하고 신뢰성이 높습니다. 국내 24kV 가스 절연 SF6 링 메인 유닛은 최근에만 개발되기 시작했으며, 다양한 조건에 의해 여전히 연구, 개발, 시험 단계에 머물러 있습니다.

24kV 가스 절연 SF6 링 메인 유닛 기술의 선진성으로 인해, 그 구조와 절연 설계는 외국의 성숙한 경험을 참고해야 합니다. 다음은 제품 구조와 절연 설계에 대한 몇 가지 제안입니다:

2.1 구조적 합리성에 중점

모든 활성 부분과 스위치가 24kV 가스 절연 SF6 링 메인 유닛은 SF6 가스로 충전된 스테인레스 스틸 캐비닛 내에 밀봉되어 компактны. В конструктивном проектировании необходимо полностью учитывать диэлектрическую прочность и влажность изоляционного газа, чтобы рационально спроектировать размеры шкафа. Устройство должно иметь полную функциональность, быть удобным в эксплуатации и иметь простую структуру.

2.2 확장성 있는 구성

구성 설계는 확장성을 가져야 합니다. 어느 정도까지 제품의 품질과 널리 채택될 잠재력은 구성의 유연성에 의존합니다. 표준화되고 모듈화된 설계는 좌우로 유연하게 확장할 수 있습니다.

2.3 절연 설계의 신뢰성

24kV 가스 절연 SF6 링 메인 유닛의 주요 위험은 절연 성능의 저하입니다. 절연 성능 저하의 원인에는 SF6 가스 누출, 고분자 절연 또는 밀봉 재료의 다양한 가스 (예: 수증기)에 대한 일정한 투과성으로 인해 컨테이너 내벽에 허용할 수 없는 응결이 발생, SF6 가스의 수분 함량 제어, 절연 부품의 균열 등이 포함됩니다.

절연 성능 저하를 방지하기 위해 다음과 같은 대응 조치를 취해야 합니다: 가스 컨테이너는 완전 용접을 사용하여 스테인레스 스틸로 제작하고, 밀봉된 개구부가 없도록 합니다; 케이블 연결 부싱은 에폭시 캐스트 수지를 사용하여 제작하고 컨테이너와 일체적으로 용접합니다; 가스 컨테이너의 밀봉을 강화하여 수분 투과를 최소화합니다; SF6 습도 측정기로 정기적으로 수분 함량을 측정하고, 밀폐된 컨테이너 내에 적당량의 건조제를 배치하며, 모든 구성 요소를 지정된 온도와 시간에 따라 엄격히 건조합니다; SF6 스위치기어를 진공 상태로 만들고 충전할 때, 충전 라인을 고순도 N2 또는 SF6 가스로 청소합니다; 절연 부품 내부의 기계적 스트레스를 최소화하여 노화와 균열을 방지합니다. 이러한 조치는 절연 신뢰성을 효과적으로 향상시킵니다.

3. 결론

24kV 고압 스위치기어의 구조와 절연 설계는 12kV 스위치기어를 기반으로 하지만, 요구 사항은 훨씬 높습니다. 또한 실제 운영 경험 부족으로 인해 설계 과정에서 모든 영향 요소를 충분히 고려하여 제품 표준을 충족해야 합니다.