변전소의 SF6 회로 차단기에서 발생하는 가스 누출의 일반적인 원인 분석 및 검출 방법 연구

기술의 발전과 생산 수준의 향상으로 SF₆ 회로 차단기 장비의 성능과 품질이 지속적으로 향상되었으며, 제품은 고객들로부터 널리 인정받고 있습니다. 그러나 그 광범위한 응용에 따라 고장 빈도도 증가하였습니다. 고장 원인에는 설계 원칙, 제조 공정, 재료 선택 등과 관련된 문제가 포함됩니다. 고장 원인에 대한 조사와 통계를 통해 SF₆ 가스 누출로 인해 발생하는 문제가 20%-30%임을 알 수 있습니다. 가스 누출 검사는 전기 설치 단계에서 중요한 점입니다.

1 주요 원인

누출은 매우 일반적인 상황입니다. 내용물, 온도, 압력의 차이가 있는 곳에서는 누출 문제가 발생합니다. 다양한 누출 현상에 대해 과학적인 대책을 취하고, 누출원을 적시에 찾아야 합니다.

1.1 유압 기계의 외부 누출

다양한 유압 기계의 경우 누출 위치와 상황이 다를 수 있습니다. 일반적으로 흔히 발생하는 누출 위치는 다음과 같습니다:

• 밸브, 시일, 그리고 패킹. 세 방향 스위치, 배유 스위치, 일차 스위치, 이차 스위치, 보호 밸브 등. 누출 원인에는 밸브 코어의 부적절한 폐쇄, 제작 정밀도 부족으로 인한 접촉면 불균형, 밸브 본체의 모래 구멍, 미봉합 위치, 느슨한 가스 방출 볼트 등이 포함됩니다.

• 압력 게이지와 전기 기계 장비의 연결 위치. 이러한 연결부의 밀봉 패킹이 불균형하거나 탄성성을 잃으면 누출이 발생하기 쉽습니다.

• 제조사가 제공하는 작동 실린더 피스톤과 축적기 실린더 피스톤의 밀봉 면. 이러한 위치의 시일과 패킹은 자주 움직임 마찰을 받아 변형, 열화, 또는 손상되기 쉽습니다.

유압 기계에서의 누출 결과는 매우 심각합니다. 작은 누출이라도 장비의 청결성을 해치는 것은 물론, 오일 펌프의 반복적인 가압과 긴 압력 보충 주기를 불가피하게 만듭니다. 밸브 본체에서의 대량의 오일 누출은 압력 손실 문제를 초래합니다. 유압 오일이 축적기 실린더에 들어가면 가스 측의 압력이 계속해서 증가하여 긴급 수리를 필요로 하며, 오작동과 장비 결함을 초래하여 장비의 안전한 운전을 방해합니다.

1.2 본체 및 연결부의 외부 누출

•  용접 부위. 용접 시 큰 전류로 인해 용접 부위가 녹아서 미세 누출이 발생할 수 있습니다. 일정 기간 후 누출량이 지속적으로 증가합니다. 두 가지 다른 재료의 용접 부위에서는 국소적인 응력이 높아 용접 균열이 생겨 누출을 일으킵니다. 제조사의 제작 기술 향상으로 인해 현장 설치 및 운전 단계에서 이러한 현상이 발생할 확률은 비교적 낮습니다.

• 지지 포셀린 부싱과 플랜지 사이의 연결 위치. 이 위치에서는 압력이 높아 밀봉이 튼튼하지 않으면 누출이 발생하기 쉽습니다. 포셀린 부싱 연결면이 거칠게 제작되거나, 연결면이 불균형하며, 시일 링이 불균형하거나 불안정하게 결합되는 경우 등이 있습니다.

• 파이프라인 연결부, 밀도 계측기 장비 인터페이스, 압력 게이지의 끝부분, 세 방향 박스의 덮개 등. 이러한 위치는 가장 일반적인 연결, 폐쇄, 용접 위치이며, 밀봉의 어려운 부분이며 누출 가능성이 높습니다.

SF₆ 가스의 경우 어떤 위치의 밀봉 면도 매우 깨끗해야 합니다. 그렇지 않으면 밀봉 면에 작은 이물질이 붙어 있어도 누출률이 0.001MPa.M1/s 순으로 증가할 수 있으며, 이는 장비에 허용되지 않습니다. 따라서 설치 전에 밀봉 면과 패킹을 알코올을 묻힌 하얀 천이나 고급 티슈로 신중하게 닦고, 세부적인 점검을 수행해야 합니다. 문제가 없다고 확인한 후에만 조립할 수 있습니다. 또한, 플랜지, 볼트 구멍, 연결 볼트의 먼지를 닦아 밀봉 면으로 들어가지 않도록 해야 합니다. 특히 수직 밀봉 설치 시 더욱 주의해야 합니다.

2 SF₆ 회로 차단기 누출 검출 방법
2.1 액체 표면 장력법

기본 원리는 비누수 등의 강한 표면 장력을 가진 액체가 가스가 누출될 때 누출점에서 거품이 발생한다는 것입니다. 검출 방법은 SF₆ 회로 차단기 외부와 가능한 누출점에 비누수 등을 바르는 것입니다.
단점: 바름에 대한 요구 사항이 높고, 미세 누출을 감지할 수 없으며, 일부 위치에서는 바를 수 없습니다.
장점: 직관적입니다.

2.2 정성적 누출 검출

기본 원리는 SF₆가 강한 전기음성성을 가지고 있어서 펄스 고압의 영향으로 연속적인 방전 효과가 발생하며, SF₆ 가스가 코로나 전기장을 변화시키므로 현장에서 SF₆ 가스의 존재를 감지할 수 있다는 것입니다. 이 방법은 SF₆ 회로 차단기 장비의 누출 정도를 상대적으로 판단하는 것이며, 실제 누출률을 측정하는 것은 아닙니다. 정성적 누출 검출에는 다음과 같은 방법들이 포함됩니다:

• 진공 펌핑 검출. 진공을 133Pa까지 펌핑하고 30분 이상 유지한 후 펌핑을 중단하고 30분 동안 관찰한 후 A 값을 읽고, 다시 5시간 동안 관찰한 후 B 값을 읽습니다. 만약 67Pa > B - A라면 밀봉이 양호하다고 판단할 수 있습니다.

•  거품 생성 액체 검출. 이는 비교적 간단한 정성적 누출 방법으로 누출점을 정확하게 찾을 수 있습니다. 거품 생성 액체는 중성 비누를 물 2부에 섞어 준비할 수 있습니다. 누출을 검출할 위치에 거품 생성 액체를 바릅니다. 거품이 나타나면 해당 위치에서 누출이 발생한 것입니다. 거품이 많고 급격할수록 누출이 심각합니다. 이 방법은 누출률이 0.1ml/min인 누출 위치를 대략적으로 찾을 수 있습니다.

•  누출 검출기 검출. 누출 검출기는 회로 차단기의 각 연결부와 알루미늄 주조 부위의 표면을 따라 누출 검출기의 프로브를 이동시키고, 누출 검출기의 읽기에 따라 누출 상황을 판단합니다. 이 방법을 사용할 때 다음 기술을 숙지해야 합니다: 첫째, 프로브의 이동 속도는 느려야 하며, 너무 빠른 이동으로 누출을 놓치지 않도록 해야 합니다. 둘째, 강한 바람이 불 때는 검출을 수행하지 않아야 합니다. 바람이 누출을 불어버려 검출에 영향을 줄 수 있기 때문입니다. 셋째, 높은 민감도와 낮은 응답 속도를 가진 누출 검출기를 선택해야 합니다. 일반적으로 누출 검출기의 최소 검출 가능량은 누출률이 10-6보다 낮고, 응답 속도가 5초보다 낮을 때 더 적합합니다.

• 구분 및 위치 결정 방법. 이 방법은 3상 SF₆ 가스 회로 연결을 가진 회로 차단기에 적합합니다. 누출이 결정되었지만 위치를 찾기 어려울 때, SF₆ 가스 구조를 몇 개의 부분으로 나누어 검출하면, 무작위성을 줄일 수 있습니다.

• 압력 감소 방법. 이 방법은 장비의 누출량이 많은 경우에 적용됩니다.

2.3 정량적 누출 검출

이는 SF₆ 회로 차단기의 누출률을 검출하는 것으로, 연간 누출률이 1%를 넘지 않는 것을 기준으로 합니다. 구체적인 방법은 다음과 같습니다: (1) 국부적 포장법: 밀도 위치의 기하학적 형태를 0.01 cm 두께의 플라스틱 필름으로 한 바퀴 반 이상 포장하며, 접합부는 위쪽을 향하도록 합니다. 원형이나 사각형 형태로 형성하고, 성형 후 접착 테이프로 밀봉합니다 [3]. 포장된 플라스틱 필름과 측정 대상 사이에는 약 0.05 cm의 간격이 있어야 합니다. 포장 후 24시간 후 포장된 공간 내의 SF₆ 가스 함량을 검출하고, 서로 다른 4개 지점의 평균값을 선택합니다. 이 밀봉 과정의 누출률은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:F=ΔC⋅(V−ΔV)⋅P/Δt(MPa⋅m3/s)

 여기서:

• F: 단위 시간당 누출량(누출률, MPa⋅m³/s).

• Δ C: 검출된 누출량의 평균값 (ppm).

• ΔV: 측정 대상과 플라스틱 필름 사이의 부피 (m³).

• Δt: ΔC를 검출하는 시간 간격(s).

• P: 절대 대기압, 0.1 MPa.

• V: 가스 챔버 내의 SF₆ 가스 부피 (m³).

각 가스 챔버의 연간 누출률 Fy는 다음과 같이 계산됩니다: Fy=F⋅31.5×10−6/V⋅(Pr+0.1)⋅100% (연간) 여기서 Pr는 지정된 SF₆ 가스 압력(MPa)입니다.

위 계산을 시작할 때 다음 매개변수들은 결정하기 어렵습니다:

• Δ V: 측정 대상과 플라스틱 필름 사이의 부피는 불규칙한 형태이므로 직접 계산할 수 없습니다. 실험 방법을 사용하여, 예를 들어 플로우미터를 통해 다른 가스나 액체를 포장된 공간에 주입하여 부피 정보를 수집할 수 있습니다.

• V and W: 가스 챔버 내의 SF₆ 가스 부피와 질량. 이 정보는 제조사에서 제공하지 않습니다. 주문 기술 문서에서 제조사에게 정확한 정보를 제공하도록 요구하거나, 가스 충전 시 측정 방법을 사용하여 더 정확한 정보를 얻을 수 있습니다.

병걸이 검출법: 절연자의 검출 구멍에 병을 걸어두고 몇 시간 후 누출 검출기를 사용하여 병 안에 누출된 SF₆ 가스가 있는지 검출합니다.

2.4 적외선 검출

적외선 검출 방법은 주로 SF₆ 가스의 강한 적외선 흡수 특성을 이용합니다. SF₆ 가스는 10.6um 파장의 적외선을 가장 강하게 흡수합니다. 일반적인 적외선 검출 방법에는 적외선 레이저 방법과 수동 검출 방법이 있습니다.
레이저 적외선 검출의 작동 원리는 입사 적외선 레이저가 레이저 송신기로 전송되고, 반사되어 레이저 카메라 이미징 플랫폼으로 돌아옵니다. 만약 입사 레이저가 누출된 SF₆ 가스를 만나면 일부 에너지가 흡수되어 누출과 누출이 없는 경우에 뒤로 반사되는 레이저에 차이가 생깁니다. 마지막으로, 서로 다른 레이저 이미지를 사용하여 SF₆ 가스 누출의 존재를 검출할 수 있습니다. 수동 검출 방법은 적외선 레이저를 능동적으로 전송하지 않고, 대기 중의 SF₆ 가스가 적외선을 흡수하면서 발생하는 미세한 차이를 감지하여 SF₆ 가스의 존재를 검출합니다.

외국 과학 제품에서 선택된 냉각 양자 우물 검출기는 0.03°C의 온도 차이를 판별할 수 있으며, 최소 검출 가능한 가스 부피는 0.001ml/s의 SF₆ 가스입니다. 위의 두 방법 모두 이미징 뷰파인더를 사용하여 이미지를 표시하여 보이지 않는 SF₆ 가스를 눈에 보이게 합니다. 뷰파인더 디스플레이에서 누출된 SF₆ 가스는 동적인 검은 구름으로 보이며, 정적인 환경에서는 명확히 보입니다. 구름이 나타나는 위치를 신중하게 관찰하여 누출원을 빠르고 정확하게 찾을 수 있습니다. 구름의 속도와 크기는 누출률을 반영합니다.

SF₆ 가스의 적외선 검출 방법은 정전 없이 원격으로 누출 위치를 검출할 수 있어 개인의 안전을 보장하고 전력 공급의 안정성을 향상시킵니다. 현재 가장 과학적인 검출 방법입니다.

SF₆ 회로 차단기 누출 방지는 변전소의 안전하고 경제적이며 신뢰성 있는 운영을 보장하는 주요 감독 사항입니다. SF₆ 회로 차단기 누출 원인을 분석함으로써 SF₆ 회로 차단기 누출 문제를 예방하고 대응하는 이론적 수준을 지속적으로 향상시키고, SF₆ 누출 사고 대응 능력을 향상시킬 수 있습니다. 다양한 검출 방법 중 적외선 영상 검출은 SF₆ 회로 차단기의 상태 기반 유지보수를 위한 새로운 기술 방법이며, 미래의 주류 발전 추세입니다.