고압 SF6 회로 차단기의 현황과 발전 동향
고압 회로 차단기, 또는 고압 스위치라고도 알려진 장비는 충분한 절연 및 소멸 능력을 갖추고 있습니다. 이들은 고압 회로의 무부하 전류와 부하 전류를 끊거나 닫을 수 있을 뿐만 아니라, 시스템에서 고장이 발생했을 때 보호 장치와 자동 장치와 협력하여 고장 전류를 신속하게 차단하여 정전 범위를 줄이고 사고 확산을 방지합니다. 이것은 전력 시스템의 안전한 운영을 보장하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.
고압 회로 차단기는 오일 회로 차단기, 압축 공기 회로 차단기, 진공 회로 차단기, 그리고 SF₆ 회로 차단기를 거쳐 발전해 왔습니다. 그 중 처음 두 가지 유형은 점차 폐기되고 있으며, SF₆ 회로 차단기는 나머지 두 가지보다 더 널리 사용되고 있습니다. SF₆ 회로 차단기는 1970년대 초에 널리 채택되었습니다. 이들은 황화합물인 육불화황을 절연 및 소멸 매체로 사용합니다. 이러한 종류의 회로 차단기는 큰 중단 용량을 가지고 있으며, 자유 중단 조건 하에서는 다른 회로 차단기에 비해 약 10배 정도 더 큰 중단 용량을 가집니다. 이는 전력 시스템의 안정적이고 안전한 운영에 핵심적인 역할을 하며, 경제적 및 사회적 이익 측면에서도 매우 중요합니다.
1. SF₆ 회로 차단기의 성능
SF₆ 회로 차단기는 SF₆ 가스를 절연 및 소멸 매체로 사용하는 무유 회로 차단기입니다. 그들의 절연 성능과 소멸 특성은 오일 회로 차단기보다 훨씬 높습니다. 육불화황 회로 차단기는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다:
2. 고압 SF₆ 회로 차단기의 발전
2.1 이중 압력 SF₆ 회로 차단기
회로 차단기 내부에는 두 개의 SF₆ 가스 시스템(고압 시스템과 저압 시스템)이 설정됩니다. 개방 과정 중에만 고압 실이 분사 밸브의 제어를 통해 저압 실로 흐르면서 고압 가스 흐름을 형성합니다. 중단이 완료되면 분사 밸브가 닫힙니다. 아크 소멸실의 원리는 고압 실과 저압 실 사이에 가스 압축기와 파이프가 연결되어 있습니다. 고압 실의 가스 압력이 감소하거나 저압 실의 가스 압력이 특정 한도까지 상승하면 가스 압축기가 작동하여 저압 실의 SF₆ 가스를 고압 실로 펌핑하여 자동 폐쇄형 가스 시스템을 형성합니다.
2.2 단일 압력 SF₆ 회로 차단기
단일 압력 구조는 간단하고 다양한 환경 온도에 적응할 수 있습니다. 가스 압축형은 다음과 같은 발전 과정을 거쳤습니다: 아크 분사 측면에서, 첫 번째 세대 단일 압력형은 단일 분사 구조를 가지며, 작은 중단 전류(일반적으로 31.5kA)와 낮은 단열 포트 전압(일반적으로 170kV)을 가집니다. 두 번째 세대 단일 압력형은 이중 분사 구조를 가지며, 중단 전류는 40-50kA로 증가하였지만, 단열 포트 전압은 여전히 낮습니다. 일반적으로 252kV 제품은 이중 단열 포트를 가집니다. 세 번째 세대 단일 압력형은 이중 분사 구조에 열 팽창 효과(혼합 아크 소멸)를 추가하여 중단 전류가 63kA로 크게 증가하였으며, 단일 단열 포트가 252kV, 363kV, 420kV, 심지어 550kV까지 가능합니다.
단일 압력형의 발전은 아크 소멸실의 관점에서 더 작은 가스 압축 피스톤을 채택하였습니다. 아크 소멸실의 피스톤 감소로 인한 장점은 다음과 같습니다:
2.3 자기 에너지 SF₆ 회로 차단기
자기 에너지 SF₆ 회로 차단기는 열 팽창 원리와 아크 회전 원리 두 가지 아크 소멸 원리를 가지고 있습니다. 현재 대부분의 자기 에너지 회로 차단기는 열 팽창 원리를 활용합니다. 자기 에너지 원리는 아크 에너지를 이용하여 확장 실의 SF₆ 가스를 가열하여 압력을 형성하고, 가스 흐름을 만들어 아크를 소멸시키는 것입니다. 그러나 작은 전류를 중단할 때, 아크 에너지가 작기 때문에 작은 피스톤을 사용하여 가스를 압축하여 보조 분사를 형성해야 합니다. 운전 전력이 크게 감소하여 간단한 구조의 스프링 운전 기구를 사용할 수 있습니다. 열 팽창형은 이제 두 번째 세대로 발전했습니다. 첫 번째 세대 제품은 아크 소멸에 필요한 가스 압축 에너지를 줄여서 운전 전력을 줄이는 효과를 얻었습니다. 가스 압축 피스톤의 직경은 최대 고장 전류의 30% 중단에 맞게 설계되었으며, 운동 질량도 작아져 운전 전력을 줄였습니다. 두 번째 세대 제품은 열 팽창 효과와 중단 성능을 더욱 개선하여, 정전용량 전류 중단뿐만 아니라 운전 전력도 더욱 줄였습니다.
2.4 지능형 SF₆ 회로 차단기
현대 고압 회로 차단기의 또 다른 특징은 지능형으로, 전통적인 전기 기계 시스템에서 컴퓨터 중심의 현대 지능형 시스템으로 발전했습니다. 현재 고압 회로 차단기의 온라인 검출 내용은 다음과 같습니다:
이러한 검출을 통해 90% 이상의 고장을 발견할 수 있습니다. 온라인 검출은 회로 차단기의 정기적인 유지보수를 실시간 상태 기반 유지보수로 변경할 수 있습니다.
3. 세라믹 기둥형과 탱크형 SF₆ 회로 차단기 및 그 응용
중국은 1970년에 독일의 Siemens에서 생산된 H-912형 220KV 이중 압력 세라믹 기둥형 SF₆ 회로 차단기 세 대를 수입하여 선양의 호시태 일차 변전소에 설치하면서 SF₆ 회로 차단기를 처음 적용했습니다. 오늘날에도 잘 작동하고 있습니다.
고압 육불화황 회로 차단기는 구조에 따라 세라믹 기둥형과 탱크형으로 나뉩니다. 두 가지를 비교하면 각각의 특성이 있습니다:
4. SF₆ 회로 차단기의 운영 및 유지보수 시 주의사항
가스 누출을 엄격히 통제하고, 습기와 습기를 상자에 침투하는 것을 방지하기 위해, 가공 기술과 재료 요구 사항은 일반 고압 전기 장비보다 훨씬 높습니다. 동시에, 특수한 SF₆ 가스 시스템이 필요하며, 이는 뛰어난 밀봉 성능을 가진 밸브, 누설 탐지 장비, 가스 회수 장치, 그리고 압력 모니터링 장치를 포함합니다. 또한, 금속 소비가 많아 제조 복잡성이 증가합니다.
순수한 SF₆ 가스는 무색, 무취, 무독성, 불활성입니다. 그러나 육불화황 합성 과정에서 저불화 황화합물이 생성되며, 이는 독성이 있습니다. 회로 차단기에서 아크의 고온으로 인해 가스가 분해되며, 이로 인해 고독성 가스가 생성됩니다. 따라서 회로 차단기에 흡착제가 설치되며, 활성 알루미늄이 들어가 있어 이러한 독성 가스를 흡수합니다.
그럼에도 불구하고 유지보수 중에는 독성에 대한 특별한 주의가 필요합니다. 따라서 작업 전에 가스를 완전히 배출하고 청소해야 합니다. 불쾌한 냄새가 여전하다면 마스크와 고무 장갑을 착용해야 합니다. 또한, 아크 분해 생성물에는 일부 금속 플루오라이드가 포함되어 있으며, 이들은 분말 형태로 회로 차단기에 분포되어 있습니다. 이러한 분말은 고독성 물질은 아니지만, 청소 중에 흡입되지 않도록 주의해야 합니다.
5. 결론
전력 시스템의 전압이 지속적으로 증가함에 따라, 세라믹 기둥형이나 탱크형 SF₆ 회로 차단기 모두 기술 발전에 따라 계속 진화하고 있습니다. 특히 최근에는 자기 에너지 아크 소멸 원리가 개발되어 적용되고 있습니다. 즉, 고압을 사용하여 가스 분사를 형성하여 아크를 소멸시키는 것입니다. 단열 포트 수가 줄어들고, 소재 소비가 감소합니다.
SF₆ 가스의 상대적으로 높은 가격과 SF₆ 가스의 적용, 관리, 운영에 대한 높은 요구사항으로 인해, 중압(35kV, 10kV)에서는 널리 적용되지 않고 있습니다. 일반적으로 고압 SF₆ 회로 차단기는 광범위한 응용 가능성이 있으며, 제품의 기술 연구, 개발, 업그레이드는 상당한 경제적 및 사회적 이익을 가져올 것입니다.
