750 kV 변전소의 SF6 회로 차단기 고장 분석

Felix Spark

필드: 고장 및 유지보수

China

황화육플루오르화물(SF₆) 가스는 뛰어난 전기 절연 특성과 소멸 능력 덕분에 고압 및 초고압 전력 시스템에서 널리 사용되고 있습니다. 기존의 회로 차단기와 비교하여 SF₆ 회로 차단기는 더 신뢰성이 높고 수명이 길지만, 사용 시간과 부하가 증가함에 따라 SF₆ 회로 차단기의 결함이 점점 나타나게 되며, 특히 분해 결함은 전력망의 안전한 운영에 잠재적인 위험을 초래하고 있습니다. 분해 결함은 설비를 손상시킬 뿐만 아니라 대규모 정전을 유발하고 전력망의 안정성을 저하시킬 수 있습니다. 결함 발생 시 발생하는 아크와 고온은 내부 절연 재료와 금속 구성 요소를 손상시키고 심지어 화재와 폭발을 유발할 수도 있습니다. 따라서 SF₆ 회로 차단기의 분해 결함 메커니즘을 연구하고 근본 원인을 파악하며 예방 조치를 제안하는 것은 전력 시스템의 안전한 운영을 보장하는 데 매우 중요합니다.

현재 국내외 학자들은 SF₆ 회로 차단기의 결함 메커니즘에 대해 광범위한 연구를 진행하고 있으며, 주로 전기 성능 테스트, 재료 노화 분석, 전기장 분포 시뮬레이션 등에 집중하고 있습니다. 그러나 SF₆ 회로 차단기의 복잡한 내부 구조와 다양한 요소의 개입으로 인해 기존 연구에는 여전히 한계가 있습니다. 특히 실제 운용 중의 분해 결함에 대해서는 현장 조건의 제약과 장비 해체의 어려움으로 인해 체계적이고 포괄적인 연구가 부족합니다.

따라서 본 논문에서는 특정 변전소의 SF₆ 회로 차단기의 분해 결함에 대한 현장 결함 조사, 장비 해체 분석, 전기 성능 테스트 등을 포함한 종합적인 분석을 수행합니다. 이를 통해 결함 메커니즘을 철저히 파악하고, 향후 유사 장비의 설계 개선, 운영 유지보수, 그리고 결함 예방을 위한 과학적 근거와 기술적 지원을 제공하는 것을 목표로 합니다.

(2) SF₆ 가스 분해 생성물, 미세 수분 함량, 순도 검사

결함이 있는 회로 차단기의 SF₆ 가스 분해 생성물, 미세 수분 함량, 순도에 대한 현장 테스트가 수행되었습니다. 테스트 데이터는 표 1에 나와 있습니다. 테스트 결과 분석에 따르면, 결함이 있는 회로 차단기의 C 상의 소멸실 내 SF₆ 가스 분해 생성물과 미세 수분 함량이 "전력 송변전 설비 상태 기반 유지보수 시험 규칙" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, 미세 수분 ≤ 300 μL/L) [5]에서 규정된 표준 한도를 크게 초과하였습니다. 반면, 다른 회로 차단기의 가스 실 테스트 결과는 모두 정상이었으며, 이상이 발견되지 않았습니다. 위의 데이터를 바탕으로, 결함이 있는 회로 차단기의 C 상 소멸실 내부에 방전 결함이 있을 가능성이 있다고 초기 추론됩니다.

표 1 SF₆ 가스 분해 생성물, 미세 수분 함량 및 순도 테스트 데이터

(3) 회로 차단기의 주요 절연 저항 검사
결함이 있는 회로 차단기의 C 상 절연 저항 테스트를 수행할 때는 표준 작업 절차를 준수해야 하며, 회로 차단기가 오픈 상태임을 확인해야 합니다. 테스트 중에는 한쪽 부싱을 접지시키고 다른 쪽에 전압을 가합니다. 이렇게 하여 회로 차단기 각 단자의 절연 성능과 도전 회로와 케이싱 사이의 절연 성능을 종합적으로 평가합니다.
테스트 데이터 분석을 통해 회로 차단기의 C 상 절연 성능이 일반적으로 부족하며, 특히 회로 차단기의 Ⅱ-버스 측 분리 단자의 절연 성능 문제가 특히 두드러짐을 발견했습니다. 테스트 데이터는 표 2에 나와 있습니다.

표 2 회로 차단기 Ⅱ-버스 측 분리 단자의 절연 테스트 데이터

(4) 회로 차단기 분리 단자 간 병렬 커패시터의 용량 및 매질 손실 테스트

현장 테스트 조건에서 각 분리 단자 커패시터의 용량을 개별적으로 테스트할 수 없었기 때문에, ABC 상 회로 차단기의 분리 단자 간 병렬 커패시터의 용량 및 매질 손실에 대한 비교 테스트 방법을 채택했습니다. 구체적인 작업 중에는 회로 차단기가 오픈 상태일 때, 부싱 간(양극 연결) 및 부싱-대지(음극 연결) 테스트 방법을 사용하여 용량 및 매질 손실 테스트를 수행했습니다. 테스트 데이터는 표 3에 나와 있습니다.

표 3 결함이 있는 회로 차단기의 용량 및 매질 손실 테스트 데이터

표 3의 비교 분석을 통해 양극 연결 테스트에서 얻은 용량 값이 실제 값에 상대적으로 가까웠음을 발견했습니다. 그러나 회로 차단기 내부의 스트레이 커패시턴스의 영향으로 측정값과 계산값 사이에 일정한 차이가 있었습니다. 그럼에도 불구하고, ABC 상의 분리 단자 간 병렬 커패시턴스 테스트 결과, 세 상 간의 용량 차이는 상대적으로 작았습니다. 이를 바탕으로, C 상 분리 단자의 병렬 커패시터 상태는 정상이라고 초기 판단되었습니다.

(5) 회로 차단기 탱크 내부 검사

결함 처리 현장에서 결함이 있는 회로 차단기의 C 상 가스를 전문적으로 회수했습니다. 그 후 내시경을 사용하여 탱크 내부를 깊이 있게 검사했습니다. 자세한 검사를 통해 Ⅱ-버스 측 근처의 닫힘 저항이 분해되었음을 발견했습니다. 탱크 바닥에는 검은색 저항 칩 파편이 흩어져 있었으며, 또한 하나의 닫힘 저항의 폴리테트라플루오로에틸렌 쇼트가 균열되어 탱크 바닥으로 떨어져 있었습니다.

2.1.1 분리 스위치 검사

자세한 현장 검사를 통해 결함이 있는 회로 차단기의 양측 C 상 분리 스위치의 이동 접촉부 아크 손가락 부분에 명백한 타는 흔적이 발견되었습니다. 그 후, 현장에서 C 상 분리 스위치를 수동으로 작동하여 전체 작동 과정이 원활하게 이루어졌으며, 어떠한 걸림 현상도 없었습니다. 또한, 검사 중 이동 접촉부와 고정 접촉부 사이에 용접 현상이 없는 것을 확인했습니다. 분리 작동이 완료된 후, 고정 접촉부 베이스와 접촉 손가락을 자세히 검사하였으나, 심각한 타는 흔적은 발견되지 않았습니다.

2.1.2 2차 장비 검사

2022년 6월 18일 12시 31분 50.758초에 750kV 변전소의 결함이 있는 회로 차단기 C 상이 접지되었습니다. 결함 발생 후, 750kV Ⅱ 버스의 선로 광차동 보호 및 버스 차동 보호가 모두 정상적으로 작동했습니다. 결함 전류와 버스 차동 보호 및 선로 보호의 작동을 깊이 있게 분석한 결과, 분리 스위치가 폐쇄 상태(시스템 전압이 안정적이며 과전압이 발생하지 않은 상태)일 때 750kV Ⅱ 버스가 결함 지점에 결함 전류를 공급한 것을 확인했습니다. 특히, 결함이 있는 회로 차단기의 버스 차동 보호에 참여한 CT₇ 및 CT₈는 결함 전류의 존재를 감지하지 못했습니다. 이러한 관찰을 바탕으로, 결함 지점은 회로 차단기 CT₇와 버스 사이의 영역에 있을 것으로 판단되었습니다. 동시에, 선로 보호를 위한 CT₁ 및 CT₂는 결함 전류의 존재를 감지했으며, 결함 전류의 값은 4.5kA의 1차 전류에 도달했습니다. 따라서, 결함 지점은 결함이 있는 회로 차단기의 CT₂와 회로 차단기의 Ⅱ-버스 측 분리 단자 사이의 영역에 있을 것으로 추가로 추론되었습니다. 이러한 추론은 현장 내부 검사에서 발견된 결함 지점의 위치와 일치했습니다.

2.2 해체 검사

그림 2에 표시된 바와 같이, 회로 차단기 해체 과정 중 탱크 내부 검사에서 닫힘 저항과 그 보호 쇼트의 파편이 주변에 흩어져 있음을 관찰했습니다. 회로 차단기의 메커니즘 측 주 분리 단자와 병렬로 연결된 4번째 열 닫힘 저항의 일부 저항 칩이 폭발했으며, 해당하는 두 개의 저항 보호 쇼트도 파열되었습니다. 저항의 A 엔드 실드는 탱크 내벽에 방전 소멸 흔적이 있었으며, B 엔드 실드도 A에 방전 소멸 흔적이 있었습니다. 또한, 절연 지지봉의 표면에는 검게 변한 흔적이 있었습니다. 회로 차단기의 조립, 출장 테스트, 현장 설치 데이터를 확인하고 주요 절연 부품을 검사했으나, 이상은 발견되지 않았습니다.

3 결함 원인 분석

해체 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출했습니다: 분리 스위치의 닫힘 과정에서 저항의 A 엔드 실드가 먼저 탱크 내벽에 방전을 일으켰습니다. 이로 인해 4번째, 3번째, 2번째 열 닫힘 저항에 비정상적인 전류가 발생했습니다. 그 후, B 엔드 실드가 A에 방전하면서 2번째와 3번째 열 저항이 단락되었고, 전류는 주로 4번째 열에 집중되었습니다. 이러한 현상으로 인해 4번째 열의 저항 칩의 온도가 급격히 상승하여 결국 폭발하게 되었고, 저항 보호 쇼트가 파열되어 떨어졌습니다. 방전 과정에서 발생한 고온 아크로 인해 절연 지지봉의 표면이 검게 변했습니다.

탱크형 회로 차단기는 최대 2100kV의 번개 임펄스 전압을 견딜 수 있습니다. 분리 스위치의 정상적인 닫힘 과정에서 과전압이 발생할 수 있지만, 정상 운전 조건에서는 이러한 수준의 과전압이 회로 차단기의 방전 메커니즘을 트리거하기에는 충분하지 않습니다. 그러나 깊이 있는 분석과 추론을 통해, 탱크 내부에 이물질이 있을 가능성이 있다는 초기 의심이 제기되었습니다. 이러한 이물질은 전기장 분포에 악영향을 미쳐, SF₆ 가스 간격이 견딜 수 있는 절연 강도를 초과하게 만들 수 있습니다. 이 경우, 저항의 A 엔드 실드가 먼저 탱크 내벽에 방전할 수 있습니다. 탱크 내부의 이물질이 감지되지 않는 틈새에 숨겨져 있을 수 있으므로, 분리 스위치가 전원이 켜진 상태에서 닫힐 때 발생하는 과전압이 전기장력의 작용으로 이물질을 전기장이 더 강한 영역으로 이동시켜, 전기장 왜곡을 유발하고 방전 현상을 일으킬 수 있습니다.

4 결론

전력 시스템에서 고급 스위치 기기의 광범위한 적용으로 인해, 이물질로 인한 탱크형 회로 차단기 및 GIS 장비의 트리핑 사고가 자주 발생하고 있습니다. 이러한 결함을 예방하기 위해서는 특히 자주 작동하는 회로 차단기에 대한 실시간 검사 빈도를 늘리는 것이 필요합니다. 또한, 현장 수령 시 장비가 200회의 기계 작동을 완료했는지 엄격히 확인하여 메커니즘의 러닝인을 확보하고, 장비 운용 후 금속 파편이 장비 작동에 악영향을 미치는 것을 방지해야 합니다.