SF6 회로 차단기의 개방 상태에서 발생하는 절연 파괴 고장 원인 분석

GIS(가스 절연 스위치기)는 SF₆ 가스를 절연 및 아크 소멸 매체로 사용합니다. 이는 작은 면적, 높은 신뢰성, 탁월한 안전성, 그리고 편리한 유지보수 등의 장점을 가지고 있습니다. SF₆ 회로 차단기는 GIS 장비의 중요한 부분으로, 110 kV 이상의 전압 수준에서 주요 위치를 차지하고 있습니다.

이 기사는 특정 발전소의 1호기에서 발생한 발전 및 동기화 과정 중에 발생한 고장에 대해 자세히 설명합니다. 구체적으로, 주 변압기의 고압 측 220 kV SF₆ 회로 차단기 2201이 열린 상태에서 C 상의 절연이 파괴되었습니다. 그 결과, 회로 차단기 고장 보호와 음의 순서 전류 보호가 활성화되어, 단위의 시작 및 그리드 연결이 실패했습니다.

1. 사고 경과 및 처리 절차

1호기의 발전 시작 및 이후의 동기화 과정 중, 모니터링 시스템은 회로 차단기 고장 보호, 역시간 음의 순서 전류 보호 작동, 전기 보호 트리핑, 220 kV Jia 선로와 Yi 선로의 저전압 메시지를 보고했습니다. 단위에 대한 다른 보호 알람은 없었습니다.

1호기는 정지 절차를 실행했습니다. 220 kV Jia 선로와 Yi 선로의 스위치 2211이 트립되었고, 보조 전원 변압기(2200 Jia)의 스위치도 트립되었으며, 보조 전원 공급 자동 전환 장치가 활성화되었습니다. 그리드 조정 및 제어 인원과 확인한 결과, 220 kV Jia 선로와 Yi 선로에는 고장이 없음이 확인되었습니다. 처음에는 주 회로 차단기 2201에 고장이 있는 것으로 판단되었습니다.

2201 회로 차단기를 열어서 검사했을 때, 2201 회로 차단기의 C 상 아크 소멸 실의 단락 부위에 많은 먼지와 기타 부착물이 발견되었으며, 가스 실 내부에 분산되어 있었습니다. 회로 차단기 표면에는 명백한 단락점이 없었으며, 회로 차단기의 접지 단락 현상은 감지되지 않았습니다. 초기 분석에서는 2201 회로 차단기의 C 상 단락 부위 사이의 절연이 파괴되었다고 판단되었습니다.

단위의 안전하고 안정적인 운전을 확보하고 사고 분석을 위해 2201 회로 차단기의 세 상을 일괄적으로 교체했습니다. 관련 전기 예방 시험과 단위의 수동 시작, 영전압 상승, 그리고 그리드 연결 시험이 수행되었습니다.

2. 보호 작동 분석

1호기의 고장 오실로그램을 검토한 결과, 보호가 작동할 때 1호기는 여전히 동기화 과정 중이었으며, 이 과정은 25초 동안 지속되었습니다(정상적인 동기화 폐쇄 시간은 약 80초)이고, 이 기간 동안 동기화 폐쇄 명령은 발행되지 않았습니다. 그 후, 발전기-변압기 단위의 보호 오실로그램을 검토한 결과, 주 변압기의 저압 측에서 B 상과 C 상에 전류가 있었지만 A 상에는 전류가 없었습니다(변압기 배선 구성은 Yｎ／Ｄ１１).

발전 중인 1호기의 역시간 음의 순서 과전류의 불균형 값이 임계값을 초과하여 누적되며 트리핑 섹션을 트리거하여 보호가 트립됩니다. 발전 중인 1호기의 역시간 음의 순서 과전류 보호는 2201 회로 차단기를 트립시킵니다. 이때 회로 차단기가 여전히 열린 상태이므로 C 상의 단락 전류를 차단할 수 없습니다. 이 순간, 2201 회로 차단기의 보호 RCS - 921A는 발전기-변압기 단위의 삼상 트립에 의해 시작된 고장 보호 신호를 받습니다. 동시에 C 상에 전류가 있어 고장 설정 값을 초과하며, 고장 보호가 작동하여 1호기가 정지 절차를 실행합니다. 고장 보호는 선로 보호 RCS - 931AM을 통해 220 kV Jia 선로와 Yi 선로 2211 회로 차단기를 원격으로 트립시킵니다. 따라서 이 보호 작동은 2201 회로 차단기의 단락 부위가 폐쇄되지 않은 상태에서 단락되어 발생한 것이며, 모든 보호 작동은 올바르습니다.

3. 고장 원인 분석

고장이 발생할 때, 단위의 발전기 측 전압은 정격 값에 도달하였지만, 스위치의 전도 부분은 폐쇄되지 않았습니다. 이때, 스위치 양쪽의 전압이 최대치에 도달하였습니다. 2201 회로 차단기의 C 상 단락 부위의 절연이 파괴되기 전, 모니터링 시스템은 SF₆ 가스 실의 저압에 대한 알람을 발행하지 않았으며, 현장 점검 결과 SF₆ 밀도 계측기는 모두 녹색 영역에 있었습니다.

2201 회로 차단기의 총 작동 횟수는 535회로, 설계된 정격 작동 횟수 5000회와 비교해 볼 때 매우 적습니다. 현장 고장 오실로그램 데이터, 고장 회로 차단기의 실제 상태, 그리고 1호기의 회로 차단기 관련 유지보수 데이터를 바탕으로, 2201 회로 차단기의 C 상 단락 부위 사이의 절연 파괴 가능 원인은 다음과 같이 분석되었습니다:
(1) C 상 회로 차단기의 아크 소멸 실 내부에 구조적 문제가 있습니다. 내부 구성 요소가 느슨하여 포트 사이에서 방전 및 단락이 발생할 수 있습니다.
(2) C 상 회로 차단기의 아크 소멸 실에 불순물 문제가 있습니다. 회로 차단기의 여러 번의 작동 중에 방전 채널이 점진적으로 형성되어 절연이 파괴됩니다.
(3) C 상 회로 차단기의 단락 부위에 재질 문제가 있습니다. 단락 부위 재질의 부적절한 사용으로 인해 회로 차단기 작동 중 불순물이 생성되어 포트 외부 표면에 장기간 부착됩니다. 점진적으로 방전 채널이 형성되어 결국 단락 부위 사이의 절연이 파괴됩니다.

고장난 C 상 아크 소멸 실은 공장으로 운송되어 분해 및 분석되었습니다. 동시에, 고장이 없는 A 상 또는 B 상(아무 한 상)이 공장으로 운송되어 분해 및 비교 분석되었습니다. 분석 보고서의 결론은 아크 소멸 실의 접점 A와 B 사이에서 방전이 발생한다는 것입니다.

4. 예방 조치

SF₆ 가스의 조달 및 사용 관리를 강화하고, 유지보수 작업 중 운영 지침서 및 유지보수 규정에 따라 엄격히 작업을 수행해야 합니다. 아크 소멸 실의 교체 및 설치 중에는 효과적인 먼지 방지 조치를 취해야 합니다. 구멍, 덮개 등을 열 때는 먼지 커버를 사용하여 밀봉해야 합니다. 설치 현장 환경이 나쁘고 먼지가 많다면 설치를 중단해야 합니다.

5. 결론

전 세계적으로, 이러한 유형의 회로 차단기가 열린 상태에서 이러한 고장이 발생한 사례는 없습니다. 이 고장은 우연한 일치 또는 통계적 고장보다는 더 많은 영향을 미치는 요인들로 인한 것으로 추정됩니다. 이 발전소는 펌프 저장식 발전소이며, 단위는 매일 발전 및 펌핑 상태 간에 빈번하게 전환되며, 많은 수의 작동이 이루어져 직접적인 비교가 불가능합니다. 보다 깊은 조사를 위해서는 회로 차단기 양쪽에 일시적 기록 장치를 설치하여 장기 관찰 결과를 바탕으로 가능한 원인을 찾는 것이 필요합니다.