1. 정의 및 기능
1.1 발전기 회로 차단기의 역할
발전기 회로 차단기(GCB)는 발전기와 승압 변압기 사이에 위치한 제어 가능한 분리점으로, 발전기와 전력망 사이의 인터페이스 역할을 합니다. 주요 기능은 발전기 측 고장의 격리를 포함하며, 발전기 동기화 및 그리드 연결 중 운영 제어를 가능하게 합니다. GCB의 작동 원리는 표준 회로 차단기와 크게 다르지 않지만, 발전기 고장 전류에 큰 직류 성분이 존재하기 때문에 GCB는 고장을 신속히 격리하기 위해 매우 빠르게 작동해야 합니다.
1.2 발전기 회로 차단기를 갖춘 시스템과 없는 시스템의 비교
그림 1은 발전기 회로 차단기가 없는 시스템에서 발전기 고장 전류를 차단하는 상황을 보여줍니다.
그림 2는 발전기 회로 차단기(GCB)가 장착된 시스템에서 발전기 고장 전류를 차단하는 상황을 보여줍니다.
위의 비교에서 볼 수 있듯이, 발전기 회로 차단기(GCB)를 설치하는 이점은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
발전 단위의 정상적인 시작 및 종료 중 보조 전원 공급 전환은 필요하지 않으며, 발전기 회로 차단기만 작동하면 됩니다. 이로 인해 발전소 서비스 전력의 신뢰성이 크게 향상됩니다.
발전기 내부(즉, GCB의 발전기 측)에서 고장이 발생할 경우, 발전기 회로 차단기만 트립하면 되므로, 단위 고장 중 운영 복잡성이 크게 줄어듭니다.
주 변압기와 고압 발전소 서비스 변압기에 대한 보호를 더 잘 제공합니다. 이러한 변압기 중 하나에서 내부 고장이 발생하면, 발전기는 그 필드(자극) 전류의 감소 기간 동안 고장 전류를 계속 공급하므로, 주 변압기의 고압측 회로 차단기가 보호 계전기로 인해 열린 후에도 그렇습니다. GCB가 설치되면 발전기를 신속히 분리하여 주 변압기의 손상을 최소화할 수 있으며, 이는 대형 발전 단위에 있어 중요한 이점입니다.
추가적으로 중요한 이점은 고압 회로 차단기의 비동시(폴-불일치) 작동으로 인한 발전기 손상의 완화 또는 제거입니다. 발전기-변압기 유닛 연결에서는 고압 회로 차단기가 높은 정격 전압에서 작동하고, 개방형 스위치 기어에서 큰 위상 간 간격으로 인해 기계적 3극 잠금이 불가능합니다. 따라서 정상적인 스위칭 중에도 비동시 작동이 발생할 수 있습니다. 이러한 조건은 발전기 스테이터에 음의 순서 전류를 유도하며, 로터는 음의 순서 자기장에 매우 제한적인 허용 범위를 가지므로, 심각한 로터 손상으로 이어질 수 있습니다. 그러나 현대의 GCB는 3상 기계적 잠금으로 설계 및 제작되어 비동시 작동을 효과적으로 방지합니다.
GCB의 발전기 측에서 발생하는 고장의 경우, 주 변압기의 고압측 차단기를 열지 않고 발전기 회로 차단기만 트립하면 전체 그리드 구조에 미치는 영향을 최소화하고 시스템 안정성에 도움이 됩니다.
발전소 배치가 더 간단하고 경제적이며, 설치 및 시운전 시간과 비용이 줄어듭니다. 발전소 서비스 변압기와 관련된 중압 및 고압 스위치 기어를 제거할 수 있습니다. GCB 구현으로 인해 평균 발전소 가용률은 0.3%–0.6% 증가하고, 더 높은 발전기 가용률은 직접적으로 에너지 수익 증가로 이어집니다.
2. 구조 및 기능
2.1 전체 구조
회로 차단기 시스템은 기본적으로 다음 구성 요소와 장비로 구성되며, 모두 공통 지원 프레임에 장착됩니다. 구매 주문 사양에 따라 일부 나열된 구성 요소는 제외될 수 있습니다.
HEC/HECI형 스위치 기어의 표준 설계에는 다음과 같은 것이 포함됩니다:
SF₆ 회로 차단기
분리기(격리 스위치)
접지(그라운딩) 스위치
콘덴서
전류 변압기(CTs)
전압 변압기(VTs)
서지 방지기, 단락 링크, 그리고 시작 스위치(정적 주파수 변환기, SFC)는 선택사항으로 제공됩니다.
1 – 회로 차단기 2 – 분리기(격리 스위치) 3a – 접지 스위치 3b – 접지 스위치 4 – 단락 링크 5 – 시작 스위치(SFC) 6 – 콘덴서
7 – 전류 변압기 8 – 전압 변압기 9 – 서지 방지기 10 – 케이싱
회로 차단기는 아크 소멸 매체로 SF₆ 가스를 충전합니다. 주 접점과 아크 접점은 분리되어 있으며, 접점은 스프링 작동 메커니즘으로 작동됩니다. 회로 차단기의 세 개의 폴은 기계적으로 연결되어 있습니다.
1 – 유연한 연결 2 – 분리기 (격리 스위치) 3 – 아크 소멸 챔버 4 – 절연 5 – 케이싱 6 – 접지 (그라운딩) 스위치 7 – 격리된 상 버스바 연결
8 – 전류 변환기
GCB 케이싱 내부 구성 요소는 아래 그림에 표시되어 있습니다.
2.2 구성 요소 및 기능
1) 작동 메커니즘
HECI5형 GCB 스위치는 AHMA 4 작동 메커니즘을 사용합니다. 이 작동 메커니즘의 실제 사진은 다음과 같습니다:
1 – 복합 모터 (유압 펌프 모터) 2 – 제어 밸브 보조 접점 3 – 보조 접점
① 작동 모듈:
이 모듈은 일정한 압력 차 구조를 채택하며, 고압 유는 피스톤 막대의 상단에 지속적으로 작용합니다. 개폐 속도는 해당 스로틀 나사로 각각 조정할 수 있습니다.
② 에너지 저장 모듈:
유압 유의 작용 하에 누적기 피스톤이 디스크 스프링을 압축하고 에너지 저장 피스톤 실린더에서 장기간 유압 에너지를 저장하여 개폐 작업에 필요한 에너지 저비를 제공합니다.
③ 제어 모듈:
주제어실로부터의 전기 명령 신호가 개폐 솔레노이드 밸브를 활성화하여 방향 제어 밸브가 전환되어 회로 차단기의 개폐를 달성합니다.
④ 어댑터 (링크) 모듈:
피스톤 막대가 움직이는 동안 연결 크랭크암이 보조 스위치를 회전시키며, 이를 통해 개폐 위치 신호를 전환합니다.
⑤ 유압 펌프 모듈:
전기 모터가 유압 펌프를 구동하여 누적기에 유를 주입하여 전기 에너지를 유압 에너지로 변환합니다.
⑥ 모니터링 모듈:
디스크 스프링의 압축이 리미트 스위치의 캠을 구동하여 마이크로스위치의 접점을 열거나 닫게 합니다. 이를 통해 주제어실에 알람 신호와 자동 연동 기능을 제공합니다. (압력이 지정된 값보다 높아질 경우, 압력 해제 밸브가 자동으로 열려 과압 보호를 달성합니다.)
2) 회로 차단기
회로 차단기는 GCB의 주요 구성 요소입니다. 그 구조 원리는 복잡하지 않으며, 기능 도식도는 다음과 같습니다:
S1 – 스프링 리미트 스위치 S0 – 보조 스위치 SA – 위치 표시기 Y1 – 폐쇄 코일 Y2, Y3 – 개방 코일 1 및 2 M0 – 에너지 저장 모터 R10 – 히터 DI – 밀도 표시기
F6 – 밀도 모니터
3) SF₆ 가스 시스템
GCB에서는 SF₆ 가스가 회로 차단기, 밀도 계전기, 밀도 게이지 및 연결 가스 파이핑에만 존재합니다.
밀도 모니터는 온도 보상 압력 모니터링 장치로, 삼극 (삼상) 회로 차단기의 SF₆ 가스 밀도를 모니터링하는 데 사용됩니다. 가스 압력은 압력 게이지를 통해 직접 관찰할 수 있습니다. 압력이 지정된 임계값 미만으로 떨어지면 밀도 모니터가 "가스 보충" 신호를 보냅니다. 만약 SF₆ 압력이 계속해서 감소하면 두 개의 독립적인 마이크로스위치가 작동하여 모든 스위칭 작업을 방지하는 인터록을 활성화합니다—회로 차단기는 기계적 및 전기적으로 잠깁니다.
밀도 모니터의 설정점은 관련 제어 도표 및 SF₆ 가스 밀도 특성 곡선에 지정되어 있습니다.
제어 캐비닛의 제어 패널은 주로 네 부분으로 구성됩니다:
인터록 스위치
작동 카운터
작동 및 알람 표시기
현장 작동 모드 버튼
4) 제어 캐비닛
회로 차단기의 작동 기구의 모든 기능이 제어 캐비닛 내에 통합되어 있습니다. 최종 구성 및 기능 배치는 관련 제어 도면에 상세히 나와 있습니다. 다음의 제어 구성 요소들이 모두 제어 캐비닛 내에 수납되어 있습니다:
S2 – 로컬/원격 선택 스위치: 작동 모드는 S2 스위치를 통해 선택됩니다.
원격 위치에서는 명령이 주제어실에서만 발행될 수 있습니다.
로컬 위치에서는 명령이 회로 차단기의 제어 캐비닛에서만 시작될 수 있습니다.
로컬 위치일 때, 선택 스위치 S2의 키를 제거할 수 없습니다. 키는 제어실에 보관하는 것이 권장됩니다.
S11/S12 – 회로 차단기 작동을 위한 점등식 푸시 버튼 스위치입니다.
5) 압력 방출 (폭발 방지) 시스템
파열판: 내부 아크 고장(장시간 단락 전류로 인해 발생) 시, 격납용기 내 가스 압력이 활성화 임계치에 도달하면 파열판이 파열되어 과도한 압력을 즉시 방출합니다. 이 빠른 배기 작용은 SF₆ 가스의 과압을 안전하게 방출하여 치명적인 격납용기 손상을 방지합니다.
