고체 절연 링 메인 유닛(RMUs)의 글로벌 개발 및 핵심 기술

국내외 개발 현황

일본 도시바는 1999년 고성능 에폭시 수지 재료와 주조 기술을 개발하고, 2002년 24kV 고체 절연 링 메인 유닛(RMU)을 출시했습니다. 이후 제품 라인은 확장되었으며, 회사는 현재 72kV와 84kV의 더 높은 전압 수준으로 발전하고 있습니다. 환경 친화적인 제조 공정과 선진적인 설계 개념으로 유럽에서 선도적이었던 Holec은 나중에 Eaton에 인수되었습니다.

Holec의 고체 절연 RMU는 중국에 처음으로 도입된 제품 중 하나였으며, 많은 국내 제조사들이 자체 개발한 고체 절연 RMU가 Holec의 설계에 명확히 영향을 받았습니다. 중국은 이 분야에서 시작이 늦었지만, 발전이 빠르게 이루어졌습니다. 베이징 슌제, 선양 하오청, 북해 은하 등 대표적인 회사들은 형식 시험을 통과하고 양산 능력을 갖추고 있으며, 점점 더 많이 보급되고 배치되고 있습니다.

주요 기술 및 개발 동향

고체 절연 기술의 돌파구와 발전은 고체 절연 스위치기어의 성공적인 보급과 적용의 근본입니다. 도시바와 히타치를 포함한 전 세계 많은 제조사들이 고체 절연 기술에 상당한 인력, 물질, 재정적 자원을 투자하여 눈에 띄는 기술적 진전을 이루었습니다. 전 세계 연구 결과를 종합하면, 주요 기술적 과제와 개발 동향은 다음과 같습니다:

• 새로운 고성능 에폭시 수지 개발. 고성능 에폭시 수지를 사용하여 진공 차단기를 직접 포장하면 열 전도가 용이해지고 실리콘 러버 버퍼가 필요 없습니다.

• 필요한 내전압과 부분 방전 수준을 보장하는 절연 설계.

• 고체 절연 부품의 부분 방전과 균열 문제를 해결하기 위한 에폭시 수지 주조 공정 연구 및 개발.

• 고체 절연 부품의 표면 차폐층 연구 및 개발.

• 에폭시 수지의 안정성 분석. 가속 노화 시험을 통해 에폭시 수지의 정상 서비스 수명을 연구하고, 서비스 수명 동안 부분 방전 등의 성능 변화 경향과 속도를 분석합니다.

• 지능형 설계. 고급 감지 및 측정 기술을 사용하여 부분 방전 수준과 같은 특성 매개변수의 질적 및 양적 온라인 모니터링을 달성합니다.

기존 문제와 제한 사항

고체 절연 RMU는 SF₆ 가스 절연 RMU보다 더 높은 기술적 및 공정 요구사항을 가지고 있습니다. 기술이 미숙하거나 공정이 부족하면 절연 실패, 운전 장애, 잠재적 위험이 SF₆ 가스 절연 유닛보다 더 큽니다. 따라서 고체 절연 RMU는 기술, 제조 공정, 원자재 품질에 더 높은 기준을 요구합니다. 최근 몇 년 동안 사용자의 수용성이 증가했음에도 불구하고, 장기 산업 발전과 장비 신뢰성의 관점에서 여전히 몇 가지 문제가 남아 있습니다:

(1) 부분 방전 문제

가스 절연에서는 가스 누출을 모니터링하고 방전이 스스로 회복될 수 있지만, 고체 절연은 일단 방전으로 손상되면 회복할 수 없습니다. 방전은 제품 수명 동안 점점 커져 절연 파괴와 상대간 단락을 초래할 수 있습니다.

(2) 절연 부품 균열

국내외 초기 고체 절연 RMU는 장기간의 전력 주파수 진동, 작동 진동, 기계적 충격, 열 사이클링, 환경 온도 변동으로 인해 절연 부품에 균열이 발생하기 시작했습니다. 이로 인해 사고율이 증가하였습니다.

(3) 격리 기능의 안전성 및 신뢰성

고체 절연 RMU의 격리 기능의 안전성과 신뢰성은 매우 중요합니다. 현재는 전통적인 3위치 분리 스위치가 주로 사용되며, 고체 절연 내부에 완전히 포장되어 있습니다. 격리 절단의 절연 성능은 이동 접점과 고정 접점 간의 공기 간극과 절연 부품의 표면 크롤 거리에 의존합니다. 절연 부품의 표면 플래시오버는 절단 실패와 잠재적인 인적 위험을 증가시킵니다. 또한 환경 요인과 재료 노화는 표면 누설 전류를 증가시키고, 절연 성능을 크게 저하시키며, 안전하고 신뢰적인 운영을 위협합니다.

(4) 절연 재료 선택 및 개발

주요 절연 재료의 품질과 성능은 전체 유닛의 신뢰성과 안정성에 직접적으로 영향을 미칩니다. 절연 재료의 광범위한 사용을 고려할 때, 폐기물 재료와 부품의 재활용, 분리, 처리, 재사용을 고려하여 자원 낭비를 최소화해야 합니다.

(5) 포장 공정 문제

제품 설계는 제조 및 조립이 용이하도록 해야 하며, 제조 및 조립 공정은 환경 오염을 최소화하고 에너지와 자원을 최적으로 활용해야 합니다. 포장 제품의 경우, 포장 공정의 구성과 포장 장비의 선택이 특히 중요합니다.

주요 기술 분석

(1) 고품질, 고효율 포장 기술

부분 방전 메커니즘에 따르면, 고체 절연 부품 내부의 방전은 주로 재료 내의 공극(거품)에 의해 발생합니다. 기존의 포장 방법은 예열된 부품을 예열된 금속 금형에 넣고, 금형 내부를 진공 상태로 만들고, 가열된 경화성 에폭시 수지를 천천히 주입한 후 경화시키는 것입니다. 이 방법은 비효율적이고 비용이 많이 들며, 종종 거품을 완전히 제거하지 못하여 많은 공극을 남깁니다. 이러한 공극은 가동 후 부분 방전을 일으켜 절연 파괴를 초래하고 안전하고 신뢰적인 운영을 저해할 수 있습니다. 따라서 고급, 고품질, 효율적인 에폭시 수지 포장 기술을 채택하는 것이 필수적입니다.

(2) 절연 모듈 구조 설계 최적화

절연 모듈 설계는 기능, 검사, 설치 요구사항을 충족하면서도 미적 가치, 소재 소비 감소, 잔류 스트레스 회피를 보장해야 합니다. 잔류 스트레스는 절연 부품 내부와 외부에 균열을 일으켜, 운전 중 부분 방전과 절연 파괴를 초래할 수 있습니다. 따라서 절연 모듈의 전체 레이아웃, 두께, 전환부에 대한 심층 연구와 함께 열 방출 설계를 고려해야 합니다.

(3) 전기장 설계 최적화

전기장 강도가 도체 표면 근처에서 주변 가스의 파괴 강도에 도달하면, 일반적으로 매우 불균일한 전기장에서 코로나 방전이 발생합니다. 고전압 전극의 날카로운 모서리나 점은 전기장을 집중시켜 코로나 방전을 일으킬 수 있습니다. 코로나는 부분 방전의 형태로, 시간이 지남에 따라 절연 파괴로 진행되어 안전하고 신뢰적인 운영을 저해할 수 있습니다. 따라서 도체 부품을 설계하여 충분히 약하고 균일한 전기장을 보장하는 것이 주요 기술입니다. 효과적인 방법에는 전기장 계산을 위한 시뮬레이션 소프트웨어 사용, 전기장 분포 최적화, 절연 및 전극 형태 세부 조정이 포함됩니다. 전기장 강도를 줄이기 위해 차폐 링이나 유사한 조치가 필요할 수도 있습니다.

(4) 차폐층 연구 및 설계

절연 모듈 외부 표면에 접지된 금속 차폐층을 적용하는 주요 목적은 다음과 같습니다: 첫째, 절연 실패 시 단락 고장이 상대간에만 국한되도록 하여 내부 아크 에너지와 고장 위험을 줄입니다. 둘째, 표면 청소 없이 모든 환경에서 절연 성능을 유지하고, 유지보수가 필요 없는 운영을 달성하며, 금속 외부 물체가 케이스에 들어왔을 때 전기장 분포가 변경되지 않도록 합니다.

(5) 에폭시 수지 안정성 연구 및 분석

폴리머 재료인 에폭시 수지는 가공, 적용, 저장 과정에서 열과 자외선 등으로 인해 열화(노화)될 수 있으며, 이는 성능과 수명에 영향을 미칩니다. 스위치기어에서 연속적인 열 발생은 에폭시 수지의 노화를 가속화합니다. 따라서 다양한 재료와 노화 단계의 고체 절연 부품의 성능을 시뮬레이션 노화 시험을 통해 통계적으로 분석하여 중요한 관계를 설정하는 것이 필요합니다.

결론

고체 절연 기술은 사용자와 시장에서 인정받고 있으며 점점 더 많이 보급되고 배치되고 있습니다. 이를 위해서는 장비 제조사들은 전력 공급의 신뢰성과 안정성을 충족하는 제품을 생산해야 합니다. 고체 절연 RMU의 포장 공정과 표면 차폐층 설계에 대한 많은 연구가 이루어져 실질적인 결과를 얻었습니다. 그러나 이러한 노력은 아직 충분하지 않습니다. 새로운 포장 재료, 절연 부품 균열 방지, 혁신적인 부품 구조 설계에 대한 연구에 더 많은 역점을 두어야 합니다. 결론적으로, 고체 절연 RMU에 대한 추가적인 기술 연구, 축적, 그리고 돌파구가 필요합니다.