110kV 자기기둥형 SF6 회로차단기용 가스 가열 장치의 설계 및 구현

고압 회로 차단기는 전력 시스템에서 가장 중요한 제어 장치 중 하나입니다. 고압 회로 차단기의 작동 상태는 전력 시스템의 안전하고 안정적인 작동에 직접적으로 영향을 미칩니다. 그 중 야외 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기는 고압 회로 차단기의 주요 유형 중 하나입니다. SF₆는 높은 전기 내성 강도, 우수한 소멸 성능 및 절연 능력을 가지고 있습니다. 그러나 실제로 적용할 때, 하북성 장자커 바상과 같은 극한 추운 지역에서는 낮은 온도가 쉽게 액화된 SF₆ 가스를 일으켜 SF₆ 가스의 압력을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 이로 인해 회로 차단기에 저압 경보가 발생하거나 심지어 잠금(회로 차단기 잠금이란 회로 차단기가 닫히거나 열릴 수 없는 상태를 의미함)이 발생할 수 있으며, 이는 회로 차단기의 단락 용량과 절연 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 110kV 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기를 위한 가스 가열 장치를 설계하였습니다.

1 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기의 저압 경보 및 잠금 상황

장자커 바상 지역의 겨울 기온은 -30°C까지 내려갈 수 있습니다. 바상 지역의 변전소에서 SF₆ 회로 차단기의 저압 경보와 심지어 잠금 고장이 여러 번 발생했습니다. 한 달 동안 저압 경보가 30회 이상, 잠금 고장이 10회 이상 발생하여 전력망의 안전하고 안정적인 작동에 큰 잠재적 위협을 초래했습니다. 연구 결과, 110kV 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기의 경보 및 잠금 고장의 주요 원인은 SF₆ 가스 가열 장치가 부족하다는 것입니다. SF₆ 가스 챔버가 외부 환경에 직접 노출되어 있기 때문에, 주변 온도가 일정 수준으로 떨어지면 SF₆ 가스가 액화되어 가스 챔버의 압력이 지정된 경보 및 잠금 압력 값보다 낮아집니다.

2 기존 해결 방안의 문제점

현재 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기의 저압 경보 및 잠금 문제를 해결하는 주요 방법은 다음과 같습니다:
(1) 회로 차단기에 공기를 주입하여 탱크 내의 가스 분자량을 증가시켜 SF₆ 가스의 압력을 높이는 방법입니다. 그러나 이 방법은 극한 추위에서는 적용되지 않습니다. 보충된 SF₆ 가스는 낮은 온도와 고압 환경에서 빠르게 액화되기 때문에, 여전히 가스 압력을 높일 수 없습니다. 회로 차단기의 SF₆ 정격 압력은 일반적으로 0.6 MPa이며, -20°C에서 SF₆의 포화 증기 압력은 0.6 MPa입니다. 주변 온도가 낮아짐에 따라 SF₆의 포화 증기 압력은 감소합니다. 즉, 극저온 환경에서는 회로 차단기에 공기를 주입하더라도, SF₆ 가스의 포화 증기 압력 때문에 주입된 가스가 빠르게 액화되어 압력을 높이는 목적을 달성할 수 없습니다. 따라서 주변 온도가 -20°C 미만일 때 이 방법으로 회로 차단기 내의 정격 압력을 복원할 수 없습니다.
(2) 회로 차단기의 잠금 회로를 수동으로 해제하여 회로 차단기가 정상적으로 닫히고 열릴 수 있도록 하는 방법입니다. 그러나 이 방법은 회로 차단기가 전기 잠금 보호를 잃게 됩니다. 회로 차단기 내의 가스 압력이 단락 또는 절연 요구 사항을 충족하지 못하면 심각한 사고가 발생할 수 있으며, 노동 비용이 상대적으로 높습니다.
(3) SF₆ 가스를 가열하여 추운 지역에서 SF₆ 회로 차단기의 소멸 매체 액화 문제를 해결하는 방법입니다. 회로 차단기의 구조에 따라 맞춤형 가열 장치를 제작하고, 가열을 통해 SF₆ 가스의 작동 온도를 높여 저온 환경에서 SF₆ 가스의 액화를 방지합니다. 회로 차단기의 가스 가열 장치는 일반적으로 주변 온도 변화에 따라 자동으로 가열 기능을 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다. 운영 및 유지 관리 인력은 실제 주변 온도에 따라 자동 활성화 및 비활성화 온도 설정 값을 설정할 수 있습니다. 회로 차단기의 잠금 회로를 수동으로 해제하는 것과 비교하여 이 방법은 운영 및 유지 관리에서의 노동 비용을 줄입니다. 그러나 가열 장치의 설치는 높은 인력 및 물질 비용이 필요하며, 열 이용률이 상대적으로 낮습니다.

3 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기용 가열 장치

도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기의 구조적 특성을 고려하여, 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기를 위한 가열 장치를 설계하였으며, 이는 가열 모듈, 온도 제어 모듈, 전원 모듈 세 부분으로 구성됩니다.

3.1 가열 모듈

가열 장치의 설치 위치는 매우 중요하며, SF₆ 가스의 가열 효율에 직접적으로 영향을 미칩니다. 도자기 기둥형 회로 차단기는 소멸 실, 지지 도자기 베어링, 작동 기구, 지지 프레임 등 여러 기본 단위로 구성됩니다. 소멸 실 아래에는 두 개의 연결된 지지 도자기 베어링이 있으며, 이들은 SF₆ 가스로 채워져 있습니다. 지지 도자기 베어링의 주요 기능은 대지에 대한 절연을 달성하는 것입니다. 따라서 도자기 기둥형 회로 차단기를 설계할 때는 특정 절연 거리를 유지해야 하며, 도자기 재료의 기계적 강도를 보장해야 합니다. 이는 도자기 베어링의 외부 표면에 도전성 가열 장치를 설치할 수 없다는 것을 의미합니다. 본 논문에서는 전송실을 가열 부분으로 선택하였습니다. 그러나 전송실은 불규칙한 형태를 가지고 있어, 전통적인 가열 장치는 고정하기 어렵습니다. 또한, 전송실은 도자기 기둥형 회로 차단기의 기반부에 위치하며 공간이 좁습니다. 전통적인 가열 장치는 크기가 너무 커서 회로 차단기의 전송 기구의 정상적인 작동에 영향을 미칠 수 있습니다.

장자커 바상 지역의 도자기 기둥형 회로 차단기의 특성을 고려하여 가열 모듈을 설계하였습니다. 가열 모듈은 가열 테이프와 저항선으로 구성됩니다. 가열 테이프는 절연 실리콘 고무로 만들어졌으며, 뒷면 접착제는 3M 내열 접착제이며, 앞면에 출구가 있습니다. 저항선은 가열 테이프 내부에 감싸져 있습니다. 절연 실리콘 고무와 3M 내열 접착제로 만든 가열 테이프는 고온(전압은 AC220V)을 견딜 수 있으며, 현장 회로 차단기의 전송실 형태에 따라 가열 테이프의 형태와 길이를 유연하게 선택할 수 있습니다.

그림 1은 가열 모듈의 앞면과 뒷면을 보여줍니다.

3.2 온도 제어 모듈

온도 제어 모듈은 센서와 온도 조절기로 구성됩니다. 구체적으로, 센서는 도자기 기둥형 회로 차단기의 B상 가열 테이프에 설치됩니다. 그 기능은 도자기 기둥형 회로 차단기의 전송실 온도를 측정하고 이를 온도 조절기로 전송하는 것입니다. 그림 2 참조. 온도 조절기는 JY-260 마이크로컴퓨터 온도 조절기로, 이 위치의 온도를 수신하고 표시하며, 예설 온도 임계값에 따라 가열 모듈의 시작과 중지를 제어합니다. 그림 3 참조.

그림 2 온도 센서

그림 3 온도 조절기

3.3 전원 모듈

전원 모듈은 온도 제어 전원과 강제 시작 전원으로 구성됩니다. 그림 4 참조. 그 중, 온도 제어 전원은 온도 조절기를 통해 가열 모듈에 연결됩니다. 바상 지역의 주변 온도에 따라 온도 제어 전원의 작동 임계값을 설정하고, 이 임계값 내에서 온도 제어 전원이 정상적으로 작동합니다. 강제 시작 전원은 직접 가열 모듈에 연결되며, 온도가 온도 제어 전원의 작동 임계값보다 낮을 때 강제 시작 전원이 활성화됩니다.

그림 4 온도 제어 전원

3.4 가열 장치의 작동 모드

도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기의 가열 장치는 두 가지 가열 모드를 갖추고 있습니다.
(1) 온도 제어 모드: 가열 장치는 도자기 기둥형 회로 차단기의 B상 가열 테이프에 설치된 센서를 사용하여 도자기 기둥형 회로 차단기의 전송실 온도를 얻고 이를 온도 조절기로 전송합니다. 온도 조절기는 도자기 기둥형 회로 차단기의 가열 테이프 온도를 수신 및 표시하고, 예설 온도 임계값에 따라 가열 모듈을 제어합니다.
(2) 강제 시작 모드: 온도 조절기를 우회하여 전송실의 연속적인 가열을 수행하고, 도자기 기둥형 회로 차단기 내의 SF₆ 가스를 가열합니다. 이를 통해 도자기 기둥형 회로 차단기의 저압 경보와 액화된 SF₆ 가스로 인한 단락 용량 감소 등의 문제를 피할 수 있습니다.

4 결론

장자커 바상 지역에서 극한 추위로 인해 회로 차단기의 저압 경보와 심지어 잠금이 자주 발생하는 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 110kV 도자기 기둥형 SF₆ 회로 차단기를 위한 가스 가열 장치를 설계하였습니다. 이 장치는 회로 차단기의 안전하고 안정적인 작동을 보장할 수 있으며, 설치 비용이 낮고 설치 시간이 짧다는 장점이 있어 좋은 보급 가치를 보여줍니다.