초고압 가스 절연 송전 장비에 대한 연구

전력 산업의 발전 요구에 적극적으로 대응하기 위해 우리 회사는 특정 지역의 전력망 건설 결함 조사를 강화하고 고도 지역에서 직류 초고압 송변전 프로젝트를 위한 운영 및 유지 관리 지원을 제공했습니다. 이를 위해 UHV 송전 장비 설계 방안을 설치하고 최적화하였습니다. 건설 현장의 총 면적은 2,541.22 m²이며 순면적은 2,539.22 m²입니다. 상부에서 하부까지 지반층은 황토와 유사한 토양, 황토, 고대 토양, 점토질 사양토로 구성되어 있으며 이 네 가지 기초 토양층으로 이루어져 있습니다. 지질이 복잡하고 장기간 고도 영향을 받아 쉽게 송전선로 고장이 발생할 수 있습니다.

이러한 맥락에서 우리 회사는 프로젝트 계산을 수행하여 프로젝트의 건축 계수는 61.48%임을 확인하였으며 지하수위 깊이는 8.8m에서 8.9m 사이로 프로젝트 내 콘크리트 구조물에 일정 정도의 부식성을 나타내고 있습니다. 우리 회사는 주로 110 kV 송변전 프로젝트에 중점을 두고 있으며 건설 규모는 표 1에 나와 있습니다.

표 1: UHV 기체절연 송전 프로젝트 건설 규모

또한 우리 회사는 UHV 가스 절연 전송 장비의 압력 저항 범위를 더 고려하고 포스트 인슐레이터와 바질형 인슐레이터를 적절히 적용하여 변압기의 장기적인 안정적인 작동을 보장해야 합니다.

1. 접촉 저항 모델 개발
이 프로젝트의 운영 중 과부하 전류가 전도체를 통해 발생하기 쉽기 때문에, 도전점 형성을 피할 필요가 있습니다. 이는 스팟 영역에 대한 이해를 강화하고 전류 경로의 수축 행동을 파악함으로써 달성할 수 있습니다 [1]. 따라서 현장 관찰을 강화하여 주변 전류선의 변화를 이해하고, 지표면 분포, 접지 전류, 전원, 원격 무선 점 등을 미세 수준에서 분석함으로써 접촉 표면에서 발생하는 불균일 문제를 철저히 이해할 수 있습니다. 그림 1과 같습니다.

접촉 모델을 설정함으로써, 본 논문은 UHV 가스 절연 전송 장비의 응용과 결합하여 단일 접촉 스팟의 실제 수축 저항을 다음과 같이 정의합니다:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
여기서: Re는 단일 접촉 스팟의 수축 저항을 나타내며, ρ₁과 ρ₂는 접촉 재료의 비저항을, α는 접촉 스팟의 반경을 나타냅니다.

따라서, 스트랩형 접촉 핀의 윤곽 기반 수정 방법을 통해 접촉 저항의 크기를 정확하게 분석할 수 있습니다. 또한, 접촉 영역의 절연 전송 장비의 재료 매개변수를 조사함으로써 어떤 재료를 연결에 사용해야 하는지를 결정할 수 있습니다. 표 2와 같습니다.

초고압 가스 절연 송전 장비의 내압 범위는 1,000 kV이며 최대 내압은 1,683 kV로 전력 송전의 안전성을 보장합니다. 그 송전 용량은 500 kV 초고압 송전의 2.4에서 5배에 달합니다. 순수한 SF₆ 가스가 절연 매체로 사용되며 충전 압력은 0.3–0.4 MPa입니다. 2세대 GIL(가스 절연 라인)에서는 부피 분율로 20%의 SF₆와 80%의 N₂ 혼합물이 절연 매체로 사용되며 충전 압력은 0.7–0.8 MPa입니다. 또는 건조하고 깨끗한 압축 공기가 1–1.5 MPa의 충전 압력으로 매체로 사용될 수 있습니다. 따라서 현장 조건에 따라 절연 가스를 선택하여 프로젝트에서 초고압 가스 절연 송전 장비의 안정적인 운전을 보장해야 합니다. 운전 가스 압력을 적절히 증가시키고 공중 설치 방법을 채택하여 현재 초고압 전압 수준에 적합하도록 장비를 조정할 수 있습니다.

작업자는 또한 초고압 가스 절연 송전 장비의 주 재료 접속 상태에 특별히 주의를 기울여 하중 지지 능력을 향상시켜야 합니다. 주 구조 요소의 슬렌더비도 계산되어야 합니다:
λ₀ = kL₀ / r,
여기서: λ₀는 연결된 주 요소의 슬렌더비를 나타내며, k는 수정 계수, L₀는 초고압 가스 절연 송전 장비의 주 요소 길이, 그리고 r은 주 요소의 회전 반경입니다.

2.초고압 가스 절연 송전 장비의 적용 대책

2.1 버스 덕트 및 도체 스트레스 검증
초고압 가스 절연 송전 장비를 적용할 때는 파이프형 버스 덕트의 스트레스 상태도 고려해야 합니다. 내부 압력은 0.6 MPa이고 버스 덕트의 중심 고도는 7.7 m입니다. 기존 실외 송전 시스템에서는 두 지지대 사이의 최대 간격이 12 m입니다. 도체에 작용하는 외부 힘도 0.6 MPa이며 두 구성 요소 모두 허용 스트레스는 110 MPa입니다. 또한 송전 시스템은 세 방향 지지 절연자와 도체를 통해 고정됩니다.

먼저, 버스 덕트의 외경은 500 mm이고 도체의 외경은 160 mm입니다. 내부 압력이 존재할 경우 외경은 변하지 않아야 하며, 벽 두께는 5 mm에서 20 mm로 적절히 증가시켜야 합니다. 기본 스트레스-두께 변화 곡선에 따르면, 버스 덕트의 초기 스트레스는 18.45 MPa로, 재료의 허용 스트레스의 16.71%를 차지하며, 도체의 초기 스트레스는 3.45 MPa로, 허용 스트레스의 3.71%를 차지합니다. 이는 외경이 일정할 때 벽 두께가 압력 반응에 크게 영향을 미치며, 특히 파이프의 첫 번째 주 스트레스에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 내부 압력은 파이프라인 구조의 스트레스 값을 변경하며, 특히 얇은 벽 두께의 파이프에 대해 GIL 평가 방법을 사용하여 압력이 버스 덕트와 도체에 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다.

둘째, 초고압 가스 절연 송전 장비의 압력 저항 파이프라인—예를 들어 압력 파이프라인과 고압 상승관—은 운전 성능에 영향을 미칩니다. 얇은 벽 두께의 압력 저항 파이프라인 구조의 스트레스 분석은 다음 공식을 사용하여 파이프의 종단 단면에서의 원주 방향 정규 스트레스 σₜ를 계산해야 합니다:
σₜ = ρD / (2δ),
여기서: ρ는 파이프의 내부 압력, D는 파이프의 내경, δ는 파이프의 벽 두께입니다. 전압 수준이 변경됨에 따라 더 높은 전압 수준에는 큰 직경의 부싱이 선호되며, 낮은 전압 수준에는 작은 직경의 부싱이 충분합니다.

2.2 가스 전기 접촉 특성 명확화
초고압 가스 절연 송전 장비의 주요 가스로는 SF₆, 질소-산소 혼합물, 그리고 N₂가 사용됩니다. 이러한 가스들에 대한 연구를 강화하여 전기 접촉 특성의 차이를 이해해야 합니다. 스트랩형 접촉 핀의 경우, SF₆를 절연 매체로 사용하여 그 우수한 소멸 및 절연 특성을 최대한 활용할 수 있습니다. 전체 접촉 저항(Rₜ)은 전류 전달 구조의 전기적 행동을 설명하는데 사용됩니다:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
여기서: Rₚ는 본질 저항, R꜀₁는 상부 전극의 접촉 저항, R꜀₂는 하부 전극의 접촉 저항입니다. 따라서 SF₆의 유전 강도는 가스 압력에 의존하며, 압력이 높을수록 유전 강도가 커진다는 것을 알 수 있습니다.

2.3 전기장 간극 설계 최적화
이 프로젝트에서 내부 전기장은 약간 비균일하며, 비균일 계수는 약 1.7입니다. 만약 지역에 번개 충격 내압 조건이 존재한다면, 전송 라인에 대한 스트레스가 증가하며, 충격 계수는 1.25입니다. 먼저, 지역의 전력 주파수와 번개 충격 내압 조건에 따라 피크 값이 1.6–1.7 범위 내에서 확인되어야 하며, 이를 통해 초고압 가스 절연 송전 장비의 문제 없는 운전을 보장할 수 있습니다.

동축 원통 구조를 이해하면, 해당 영역의 전기장 강도 E(x)를 계산하여 최적화가 필요한 시나리오를 식별할 수 있습니다:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
여기서: x는 도체와 격벽 사이의 거리, U는 전극에 가해진 전압, R은 격벽의 내부 반경, r은 중앙 도체의 외부 반경입니다. 이를 통해 최대 전기장 강도에서 중앙 도체 표면이 손상될 가능성을 평가할 수 있습니다. 전기장 안전성이 제어되고 기계적 성능이 향상되어야 합니다.

전기장 인프라 설정 중, 초고압 가스 절연 송전 장비의 실제 하중 지지 능력은 기초 수준에서 확인되어야 하며, 스트레스 계산이 완료되어야 합니다:
P = A × F,
여기서: P는 장비의 하중 지지 능력, A는 송전 탑의 단면적, F는 재료 강도입니다. 또한, 기초가 진흙 모래로 구성되어 있다면, 공중 선로 설치가 진행되기 전에 지반을 다져야 합니다.

제품 구조와 제조 능력을 고려한 최적화된 설계를 통해 번개 충격 조건하에서의 높은 절연 성능을 보장할 수 있습니다. 둘째, 가스 칸막이가 길다면, 초고압 가스 절연 송전 장비의 설치가 어려워집니다. 이러한 경우, 현장 강도 설계를 통해 국부적 운전 가스 압력을 0.4–0.5 MPa로 설정하여, 전기장 영향 하에서 도전 입자가 정상적으로 작동하면서 부분 방전이나 가스 간극 붕괴를 유발하지 않도록 할 수 있습니다.

마지막으로 UHV 가스 절연 장비의 특정 조건에 따라 전도봉의 외경은 130mm로 설계되어야 하며, 케이싱의 내경은 480mm로 설계되어야 합니다. 플러그 인 섹션에도 주의를 기울여야 하며, 벽 두께는 30-40mm로 설정하고 클리어런스는 <1mm로 유지해야 합니다. 만약 플러그 인 영역의 외부 치수 반경을 5mm로 설정하면 전기장 강도의 변화를 더 잘 이해할 수 있습니다—치수 반경이 클수록 치수 근처에서 높은 전기장 강도가 나타나고, 치수 반경이 작을수록 낮은 전기장 강도가 나타납니다. 국소 전기장 집중을 통제하는 전제하에 간극에서 과도한 전기장 강도를 방지하여 UHV 가스 절연 장비의 초기 전기 연결 설계와 전기장 신호 분포 요구사항을 충족시킬 수 있습니다.

2.4 합리적인 절연자 설계
UHV 가스 절연 장비의 절연자는 지상에서 작동하므로 그들의 플래시오버 전압은 간극 파괴 전압보다 낮아 전기 절연의 약점이 됩니다. 따라서 간극 고려 사항을 강화하고 번개 임펄스 조건에서의 전기장 강도를 이해하여 절연 부품을 적절히 설계해야 합니다.

2.4.1 절연자 전기장 강도의 향상된 제어
프로젝트 건설 조건을 바탕으로 당사는 절연자 표면을 따라 발생하는 플래시오버 현상을 연구하였으며, 이는 절연자 재료, 구조 및 표면 전하의 영향을 포함합니다. 금속 입자 오염은 피해야 합니다. SF₆ 가스, 절연재 및 임베디드 구성 요소를 결합하여 UHV 가스 절연 장비의 합리적인 구조를 확보합니다. 과거의 절연자 설계 경험을 바탕으로 운영 중인 전기장 강도를 정상 운영 전기장 간극의 절반으로 제한할 수 있습니다. 순수한 SF₆ 절연 장비의 경우 운전 가스 압력을 0.4-0.5 MPa로 유지할 수 있습니다.

수직 전기장 강도(Eₛ)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
여기서 p는 가스 압력입니다. 따라서 장비의 내전압에 따라 중심 전도체 표면의 설계 전기장 강도를 19.9-24.5 kV/mm로 제어할 수 있으며, 절연자 표면의 전기장 강도는 10 kV/mm를 초과해서는 안 됩니다. 절연자가 전기장 내부에 임베디드되어 있음을 보장함으로써 UHV 영향 하에서 갑작스러운 전기장 증가를 방지하고 절연 실패의 위험을 줄여 프로젝트에서 UHV 가스 절연 송전 장비의 장기적 적용이 가능하게 합니다.

2.4.2 최적화된 용기형 절연자 설계
프로젝트의 복잡한 지형과 전기장 시뮬레이션의 필요성을 고려하여 용기형 절연자 설계를 강화해야 합니다—특히 차폐 전극을 생략하는 구조를 통해. 이러한 구조는 절연자의 고전압 전도체 측 근처의 전기장 강도를 관찰할 수 있게 합니다. 만약 전기장 강도가 높다면, 볼록 표면의 최대 값은 12.7 kV/mm이고 오목 표면의 최대 값은 13 kV/mm입니다; 이러한 임계값을 초과하면 비정상적인 작동을 의미합니다. 절연자 근처의 전기장 강도가 높을 때 최대 전력 주파수 운전 전압은 3.4 kV/mm 미만으로 유지되어야 합니다. 용기형 절연자에 차폐 전극을 설치하여 전기장을 더욱 최적화하고 시뮬레이션합니다.

이전의 전기 연결 방법을 따르면서 차폐 전극의 크기를 신중하게 제어하고, 전기 플러그 인 커넥터를 용기형 절연자의 치수 부분에 위치시켜 전극 차폐 효과를 강조함으로써 UHV 가스 절연 송전 장비의 전기장 분포를 개선합니다.

3. 결론
전력 기업의 종합적인 발전 요구 사항을 충족하기 위해 당사는 UHV 가스 절연 송전 장비에 대한 연구를 더욱 강화해야 합니다. 특정 운영 조건을 바탕으로 접촉 저항 모델을 설정하고, 버스 덕트 및 전도체 스트레스를 검증하며, 가스 전기 접촉 특성을 명확히 하고, 전기장 간극 설계를 최적화하며, 절연자를 합리적으로 설계하는 등의 방법을 통해 문제를 분석하고 해결하여 장비의 수명을 연장할 수 있습니다.