SF₆ 대비 고체 절연 RMU: 전력 분배 시스템에 어떤 것이 더 좋을까요

1 고리 네트워크 전력 공급 및 고리 메인 유닛

도시화의 발전에 따라 전력 분배의 신뢰성 향상에 대한 요구가 계속 증가하고 있으며, 점점 더 많은 사용자가 두 개 이상의 전력 공급 소스를 필요로 하고 있습니다. 기존의 "방사형 전력 공급" 방법은 케이블 설치의 어려움, 복잡한 장애 탐지, 그리고 그리드 업그레이드 및 확장의 불유연성을 겪고 있습니다. 반면에 "고리 네트워크 전력 공급"은 중요한 부하에 대해 이중 또는 다중 전력 소스를 가능하게 하며, 배전 라인을 간소화하고 케이블 설치를 용이하게 하며, 스위치 기어의 수를 줄이고, 장애율을 낮추고, 장애 위치를 쉽게 찾을 수 있게 합니다.

1.1 고리 네트워크 전력 공급

고리 네트워크 전력 공급은 서로 다른 변전소 또는 동일한 변전소의 다른 버스바에서 나오는 두 개 이상의 송출 라인이 연결되어 폐쇄적인 루프를 형성하여 전력을 분배하는 구성을 말합니다. 주요 장점은 각 배전 지점이 고리의 어느 한쪽에서 전력을 받을 수 있다는 것입니다. 한쪽에서 장애가 발생해도 다른 쪽에서 전력을 공급할 수 있습니다. 단일 루프 모드로 운영되더라도 각 지점은 효과적으로 이중 전력 소스의 신뢰성 수준을 달성하여 시스템 신뢰성을 크게 향상시킵니다. 중국에서는 도시 고리 네트워크 전력 시스템이 "N-1 안전 기준"을 따르고 있어, N개 중 하나의 부하가 실패하더라도 나머지 N-1개의 부하가 중단 없이 안전하게 전력을 공급받을 수 있습니다.

1.2 고리 네트워크 연결 구조

(1) 기본 고리 연결: 단일 전력 소스와 케이블이 고리를 형성하여 한 케이블 섹션이 실패해도 다른 부하에 대한 전력 공급이 계속됩니다 (도 1 참조).

(2) 서로 다른 버스바로부터의 고리 연결: 두 개의 전력 소스, 일반적으로 오픈 루프 모드로 운영되며, 높은 신뢰성과 유연한 운영을 제공합니다 (도 2 참조).

(3) 단일 고리 구조: 서로 다른 변전소 또는 버스바에서 전력 소스를 가져옵니다. 어느 케이블 섹션의 유지 보수에도 불구하고 어떤 부하에도 전력 공급이 중단되지 않습니다 (도 3 참조).

(4) 이중 고리 구조: 각 부하가 두 개의 독립적인 고리 네트워크로부터 공급되어 매우 높은 신뢰성을 제공합니다 (도 4 참조).

(5) 이중 공급 이중 "T" 연결: 두 개의 케이블 라인이 서로 다른 버스바 섹션에 연결되어 각 부하가 두 개의 라인으로부터 전력을 받을 수 있습니다. 이 구성은 이중 소스 사용자에게 거의 연속적인 전력 공급을 보장하며 특히 중요한 응용 분야에 적합합니다 (도 5 참조).

1.3 고리 메인 유닛 및 특징

고리 메인 유닛(RMU)은 고리 네트워크 전력 시스템에서 사용되는 스위치 기어로, 일반적으로 부하 차단 스위치, 회로 차단기, 퓨즈-스위치 조합, 버스 커플러, 측정 장치, 전압 변환기 또는 이러한 것들의 조합을 포함합니다. RMU는 컴팩트하고 공간 절약적이며 비용 효율적이고 설치가 쉽고 즉시 가동될 수 있어 "장비 미니어처화"의 요구를 충족합니다. 주거 지역, 공공 건물, 중소기업 변전소, 2차 스위칭 스테이션, 패드 마운티드 변전소 및 케이블 분배 상자 등에서 널리 사용되고 있습니다.

1.4 고리 메인 유닛의 종류

• 공기 절연 RMU: 공기를 절연 매체로 사용합니다. 이러한 유닛은 크기가 크고 공간이 많이 필요하며 환경 조건에 취약합니다.

• SF₆ RMU: 황화 육플루오르(SF₆) 가스를 절연 및 아크 소멸 매체로 사용합니다. 주 스위치는 SF₆로 채워진 금속 케이싱에 밀봉되어 있으며, 작동 기구는 외부에 위치합니다. 밀폐 설계는 환경 영향을 최소화하고 공기 절연 유닛보다 훨씬 작은 크기를 가지게 합니다. 현재 가장 널리 사용되는 유형입니다.

• 고체 절연 RMU: 고체 절연 재료(예: 에폭시 수지)를 사용하여 스위치와 모든 실질적인 부분을 포장하고 캐스팅합니다. 이 설계는 위상 간 및 위상 대 접지 절연 거리를 줄여 SF₆ RMU와 비교 가능한 컴팩트한 크기를 얻습니다. 또한 SF₆ 배출을 제거하고 유지 관리가 필요 없는 운영을 달성할 수 있습니다.

2 SF₆ 고리 메인 유닛의 제한 사항

SF₆는 온실 효과의 주요 원인 물질입니다. 높은 절연 강도, 효과적인 아크 소멸, 좋은 열 안정성, 강한 전기음성도 등의 우수한 전기적 특성과 습도, 오염, 고도에 대한 민감성이 없어 소형 전기 장비에 이상적이나, SF₆는 강력한 온실 가스로 알려져 있습니다. 전 세계 SF₆ 생산량의 약 80%가 전력 산업에 사용됩니다. 정부간 기후변화 패널(IPCC)과 미국 환경보호청(EPA)은 SF₆를 가장 해로운 온실 가스 중 하나로 분류하고 있습니다. EU F-Gas 규제(2006)는 전기 스위치 기어를 위한 다른 대안이 없는 경우를 제외하고 대부분의 응용 분야에서 SF₆ 사용을 금지하고 있습니다.

또한, SF₆ RMU는 높은 사용 복잡성과 큰 투자를 필요로 하며 다양한 보조 장비가 필요합니다:

• 가스 누출, 농도, 산소 농도, 습도를 모니터링하는 SF₆ 누출 감지 시스템.

• SF₄와 같은 부산물을 생성하는 아크 중단 시, 잔여 SF₆뿐만 아니라 독성 부산물도 특별 처리해야 하는 SF₆ 회수 장비.

• 가스를 청정하고 재사용하기 위한 SF₆ 정제 시스템.

• 변전소의 환기 시스템.

SF₆ RMU를 사용할 때 다음과 같은 조치를 준수해야 합니다:

• SF₆ 누출을 최소화합니다. SF₆ RMU는 과압 밀봉 케이싱을 사용하지만, 가스 누출은 불가피합니다. 가스 압력 감소는 스위칭 신뢰성을 낮추고 직원의 안전을 직접 위협하며 장비 수명을 단축시킵니다.

• SF₆ 장비가 있는 변전소에 들어가기 전에는 직원이 강제 환기 작업을 수행하고 특수 보호 장비를 착용해야 합니다.

• 작업은 복잡하므로 관련 직원들에게 철저하고 반복적인 교육이 필요합니다.

3 고체 절연 고리 메인 유닛의 특징 및 응용

SF₆ 고리 메인 유닛(RMU)의 잠재적인 환경적 위험으로 인해 그 발전이 제한되었으며, SF₆ 대체품의 연구가 전 세계적으로 주요 연구 주제가 되었습니다. 고체 절연 RMU는 1990년대 말에 미국의 Eaton Corporation이 처음 개발하고 도입했습니다. 이러한 유닛은 운영 중 유해 가스를 발생시키지 않으며, 환경 영향이 없으며, 높은 신뢰성을 제공하고 진정한 유지 관리가 필요 없는 운영을 달성합니다.

고체 절연 RMU는 진공 중단기, 분리 스위치, 접지 스위치, 주 전도체, 분기 버스바 또는 이러한 것들의 조합을 에폭시 수지나 다른 고체 절연 재료로 포장합니다. 이러한 구성 요소는 완전히 절연되고 완전히 밀봉된 기능 모듈에 밀봉되어 재결합하거나 확장할 수 있습니다. 직원이 접근할 수 있는 모듈의 외부 표면에는 전도성 또는 반전도성 차폐층이 적용되어 안정적인 접지를 보장합니다.

3.1 고체 절연 고리 메인 유닛의 특징

(1) 환경 친화적인 설계. 이러한 유닛은 절연 또는 아크 소멸 매체로 SF₆를 사용하지 않습니다. 대신 스위칭을 위해 진공 중단기를 사용하고, 주요 절연 재료로 환경에 무해하고 재활용 가능한 재료를 사용합니다. 구성 요소 수를 최소화하여 운영 중 에너지 소비와 장애율을 줄입니다.

(2) 진정한 유지 관리가 필요 없는 운영. 고체 절연 RMU는 SF₆ 압력 용기를 필요로 하지 않습니다. 내부 절연과 아크 중단은 진공 기술에 의존하며, 외부 절연은 고체 재료(예: 절연 하우징)를 사용합니다. 포팅 기술을 통해 진공 중단기, 주 전도 경로, 절연 지지대가 단일 유닛으로 통합되어 금속 케이싱 내에 밀봉되어 외부 환경 요인에 영향을 받지 않습니다. 완전히 절연되고 밀봉된 구조는 SF₆ 누출 감지, 가스 충전, 폐기물 처리를 필요로 하지 않아 진정한 유지 관리가 필요 없는 운영을 가능하게 합니다.

(3) 높은 비용 효율성. 고체 절연 RMU의 초기 투자는 SF₆ RMU보다 약간 높지만, 전체 수명 주기 비용은 훨씬 낮습니다 (표 1 참조). 사용자는 안전 위험, 전력 품질, 비용 관리, 지속 가능성 등을 고려하여 초기 구매 가격뿐만 아니라 전체 소유 비용을 고려하고 있습니다. SF₆ RMU의 유지 관리, 가스 충전, 누출 관리, 수명 종료 회수의 누적 비용은 초기 구매 비용에 근접할 수 있지만, 고체 절연 RMU는 설치 후 추가 비용이 필요하지 않습니다. 따라서 장기적으로 보면 고체 절연 RMU는 우수한 경제적 이점을 제공합니다.

(4) 컴팩트한 구조. 안전성과 운영의 용이성을 보장하면서 가능한 한 작게 설계되어, 심지어 SF₆ RMU보다도 작은 면적과 부피를 가지며, 사용자가 공간을 절약하고 직접적인 경제적 이익을 얻을 수 있도록 합니다.

(5) 내부 아크 장애 저항, 향상된 안전성 및 신뢰성. Exnis 보고서에 따르면, 일차 및 이차 스위치 기어에서 내부 아크로 인한 상당한 손실은 최소한 연간 한 번 발생합니다. 대부분의 고체 절연 RMU는 내부 아크의 영향을 최소화하는 아크 저항 설계를 포함하여 더 안전하고 신뢰성 있는 운영을 보장합니다.

(6) 가시적인 절연 간극. 관찰 창을 갖추어 세 위치 분리 스위치 접점의 직접적인 시각 검사를 가능하게 하여 가시적인 절연 간극을 보장하고 운전자 안전을 향상시킵니다.

(7) 지능형 기능. 고체 절연 RMU는 분배 자동화에 더 잘 적응할 수 있습니다. 분배 단말 장치(DTU)와 통신 장치를 설치하면 상태 모니터링, 원격 제어("네-원격" 기능), 통신, 자체 진단, 이벤트 로깅 등의 기능을 쉽게 구현할 수 있습니다.

3.2 현재의 적용 현황

현재 고체 절연 RMU의 광범위한 채택은 그들의 상대적으로 높은 비용과 복잡한 제조 과정으로 인해 제약을 받고 있습니다. 이러한 유닛의 제조는 SF₆ 절연 RMU보다 높은 기술적 정밀도를 요구합니다. 제조 기술이 부족하면 절연 위험이 더 커지고, 장애 가능성이 높아지며, SF₆ RMU보다 더 위험해집니다. 원자재 품질과 공정 표준에 대한 엄격한 통제가 필요합니다. 또한, 고체 절연 RMU의 배선 구조는 덜 유연하며, 특히 PT 캐비닛과 측정 캐비닛과 같은 기능 유닛의 경우 선택 옵션이 제한적이어서 적용 및 개발에 제약이 따릅니다.

생산 과정의 지속적인 최적화와 표준화로 인해 고체 절연 RMU의 품질은 더욱 안정적으로 되고 있으며, 가격은 점차 낮아지고 있습니다. 일부 국가에서는 SF₆를 사용하지 않는 제품에 대해 5%~10%의 인센티브를 제공하여 배출을 줄입니다. 이를 통해 사용자는 초기 구매 가격뿐만 아니라 전체 수명 주기 비용을 고려하게 됩니다. 국제적인 관행을 참고하여, 고체 절연 RMU는 주거 지역, 공공 건물, 시설 인프라와 같은 환경적으로 민감하거나 새로운 프로젝트에서 우선적으로 고려되며, 점차적으로 SF₆ RMU를 대체해 나갈 수 있습니다.

노후화되거나 수명이 다한 SF₆ RMU는 제조사가 지정한 수명 기준에 따라 체계적으로 교체할 수 있습니다. 환경 친화적인 고체 절연 RMU를 채택하는 사용자에게 지원금을 제공함으로써 수명 주기 비용 고려를 촉진하고, 제품 채택을 촉진하며, 환경 책임 기술을 발전시킬 수 있습니다. 환경 인식이 증가함에 따라 고체 절연 RMU는 SF₆ RMU의 대안 중 하나로서 점차 기존 SF₆ 유닛의 일부를 대체하고 광범위하게 적용될 것이며, 강력한 시장 잠재력을 보여줄 것입니다.

4 결론

고체 절연 RMU는 SF₆ RMU와 기술적으로 맞먹으며, 유해한 배출이 없고, 진정한 유지 관리가 필요 없으며, 전체 수명 주기 비용이 낮아 사용자에게 점점 더 매력적으로 보입니다. 중국 국가 그리드 기업의 "우선적으로 촉진할 주요 신기술 목록(2011)"에 따르면, 높은 기술적 신뢰성과 엄격한 환경 요구 사항의 추세를 고려할 때 고체 절연 RMU가 SF₆ RMU를 완전히 대체할 준비가 되어 있다고 합니다.

또한, 2012년 중국 국가 그리드 기업이 발표한 "12 kV 고체 절연 고리 메인 유닛 기술 사양"은 고체 절연 RMU가 복잡한 운영 요구를 충족할 수 있으며, RMU 개발의 새로운 방향을 나타내며 적극적으로 촉진할 가치가 있음을 확인했습니다. 이는 고체 절연 RMU가 업계와 기술 공동체에서 공식적으로 인정받았음을 의미합니다. SF₆ RMU의 실질적인 대안으로서 고체 절연 RMU는 점차 기존 SF₆ 유닛의 일부를 대체하여 광범위하게 적용되고 미래 발전의 훌륭한 전망을 보여줄 것입니다.