SF6 가스 절연 링 메인 유닛과 고체 절연 링 메인 유닛의 비교

소개​
현재 SF6 가스 절연 고리형 주요 장치(이하 "SF6 RMUs"라고 함)가 시장을 주도하고 있습니다. 그러나 SF6 가스는 국제적으로 주요 온실가스 중 하나로 인정되고 있습니다. 환경 보호와 배출 감소를 달성하기 위해서는 그 사용을 줄이고 제한해야 합니다. 고체 절연 고리형 주요 장치(RMUs)의 등장은 SF6 RMUs와 관련된 문제를 해결하면서 많은 새로운 기능을 통합했습니다.

​1 고리형 전력 공급과 고리형 주요 장치(RMUs)​​
"도시화" 과정은 전력 분배 신뢰성에 대한 요구를 계속 증가시키고 있습니다. 더 많은 사용자가 이중(또는 다중) 전원 공급을 필요로 합니다. "방사형 전력 공급" 시스템을 사용하면 케이블 설치, 문제 해결, 그리드 업그레이드 및 확장에 어려움이 있을 수 있습니다. 반면에 "고리형 전력 공급"은 중요한 부하에 대해 이중(또는 그 이상)의 전원을 편리하게 제공하며, 분배 라인을 단순화하고 케이블 경로 설정을 용이하게 하며, 스위치 기어 요구 사항을 줄이고, 고장률을 낮추고, 고장 지점을 식별하는 것을 용이하게 합니다.

​1.1 고리형 전력 공급​
고리형 전력 공급은 서로 다른 변전소 또는 동일한 변전소 내의 다른 버스바에서 두 개(또는 그 이상)의 출발선이 연결되어 고리를 형성하여 전력을 공급하는 시스템을 말합니다. 그 장점은 각 분배 지점이 왼쪽 메인 피더 또는 오른쪽 메인 피더로부터 전력을 공급받을 수 있다는 것입니다. 즉, 어느 한 메인 피더에서 고장이 발생해도 다른 쪽으로부터 전력을 계속 공급받을 수 있습니다. 본질적으로 단일 회로 전력 공급이지만, 각 분배 지점은 이중 회로 공급과 유사한 이점을 얻게 되어 신뢰성을 크게 향상시킵니다. 중국의 규정에 따르면 도시의 주요 고리형 연결은 "N-1 안전 기준"을 따릅니다. 이는 N개의 부하가 있는 선로에서 어떤 한 부하에 고장이 발생해도 시스템이 전환된 부하를 수용하여 나머지 "N-1" 부하가 정전이나 부하 저감 없이 안전한 전력 공급을 계속 받을 수 있도록 하는 것을 의미합니다.

​1.2 고리형 연결 방법​

• ​표준 고리형 연결:​​ 단일 소스로 공급되며, 케이블 자체를 통해 고리를 형성하여 케이블의 일부분이 고장이 발생해도 모든 다른 부하에 안정적인 전력 공급을 보장합니다.
• ​다른 버스바에서의 고리형 연결:​​ 이 연결은 두 개의 전원 소스를 가지고 있으며, 일반적으로 오픈 루프로 운영되어 공급 신뢰성이 더 높고 운영 유연성이 더 큽니다.
• ​단일 고리형 연결:​​ 전력 소스는 다른 변전소 또는 두 개의 버스바 섹션에서 가져옵니다. 네트워크의 어느 케이블 구간이 유지보수 중이라도 부하 정전을 일으키지 않습니다.
• ​이중 고리형 연결:​​ 각 부하는 독립적인 고리 네트워크로부터 전력을 받을 수 있어 매우 높은 신뢰성을 제공합니다.
• ​이중 소스 이중 "T" 연결:​​ 서로 다른 버스바 섹션에서 두 개의 케이블 회로가 연결됩니다. 각 부하는 두 케이블 모두에서 전력을 공급받을 수 있습니다. 이 방법은 이중 소스 사용자에게 실제로 정전 없음을 실현하며, 특히 특정 중요한 사용자에게 적합합니다.

​1.3 고리형 주요 장치(RMUs) 및 특징​
RMUs는 고리형 전력 공급을 위한 스위치 기어 캐비닛을 말합니다. 캐비닛 유형에는 부하 스위치, 회로 차단기, 부하 스위치 + 퓨즈 조합, 복합 장치, 버스 커플러, 측정 장치, 전압 변환기(VTs) 등 또는 그 조합이나 확장이 포함됩니다.

RMUs는 컴팩트한 구조, 작은 면적, 낮은 비용, 간편한 설치, 짧은 운용 시간 등을 특징으로 "장비 미니어처화" 요구사항을 충족합니다. 주거 지역, 공공 건물, 중소기업 변전소, 2차 스위칭 스테이션, 컴팩트 변전소, 케이블 접속 상자 등에 널리 사용됩니다.

​1.4 RMU 유형​

• ​공기 절연 RMUs:​​ 공기를 절연 매체로 사용합니다. 면적과 부피가 크고 환경 영향에 취약합니다.
• ​SF6 RMUs:​​ SF6 가스를 절연 매체로 사용합니다. 주 스위치는 SF6 가스로 채워진 밀폐된 금속 셸 내부에 위치하며, 작동 기구는 셸 외부에 위치합니다. 밀폐된 셸 덕분에 외부 환경의 영향을 받지 않으며, 표준 공기 절연 RMUs보다 부피가 훨씬 작아 현재 가장 널리 사용되는 유형입니다.
• ​고체 절연 RMUs:​​ 고체 절연 재료를 주요 절연 매체로 사용합니다. 스위치와 모든 활성 부분은 에폭시 수지와 같은 절연 재료로 코팅하거나 포팅됩니다. 스위치 내부의 안전한 위상 간 및 위상 대 지상 절연 거리가 줄어들어, 크기와 부피가 SF6 RMUs와 유사합니다. SF6 배출이 없으며 진정한 유지보수가 가능합니다.

​2 SF6 RMUs의 사용 제한​
SF6는 대기 온실효과의 주요 원인 중 하나입니다. 그러나 SF6는 우수한 절연, 아크 소멸, 냉각 성능, 강한 전기음성, 좋은 열 전도성 및 안정성, 재사용 가능, 주변 환경(습도, 오염, 고도)에 민감하지 않으며, 콤팩트한 캐비닛 설계를 가능하게 합니다. 따라서 전기 장비에서 절연 및 아크 소멸 매체로 널리 사용되고 있습니다. SF6 소비는 전력 산업에서 가장 높으며, 통계에 따르면 연간 생산되는 SF6 가스의 80%가 전기 장비에 사용됩니다.

유엔 기후 변화 정부간 패널(IPCC)과 미국 환경보호청(EPA)은 모두 SF6를 극히 해롭고 영향력 있는 온실가스로 분류합니다. EU F-Gas 규제(2006)는 다음과 같이 명시하고 있습니다: 타당한 대안이 없는 전력 스위치 기어를 제외하고 대부분의 분야에서 SF6의 사용을 금지합니다.

또한, SF6 RMUs는 복잡한 사용과 많은 투자를 필요로 하며, 많은 보조 장치가 필요합니다:

• ​SF6 누설 모니터링 장비 구입:​​ SF6 가스 누설 감지, SF6 농도 및 산소 함량 모니터링, 미세 수분 검출 등에 사용됩니다.
• ​SF6 회수 장치 장착:​​ SF6 아크 소멸 과정에서 가스 구역 내에서 SF4와 같은 부산물이 생성됩니다. 따라서 수명이 끝나면 남은 SF6 가스뿐만 아니라 잔여 독성 부산물을 특수 처리해야 합니다.
• ​SF6 가스 정화 장비 구성:​​ SF6 가스를 정화하고 재활용합니다.
• ​변전소에 환기 장비 설치.​​

SF6 RMUs를 사용할 때는 다음과 같은 사항을 준수해야 합니다:

• ​SF6 누출 최소화:​​ SF6 RMUs는 압력 밀폐 챔버를 사용하지만, 가스 누출은 불가피합니다. SF6 압력이 낮을 때 스위칭 작업을 수행하면 신뢰성이 낮아져 작업자의 안전을 직접 위협하고 장비 수명을 줄입니다.
• ​작업자가 변전소에 들어가기 전에는 강제 환기를 먼저 수행하고 특수 보호 장비를 착용해야 합니다.​​
• ​작업 및 절차가 복잡하므로 관련 인원에게 반복적인 교육이 필요합니다.​​

​3 고체 절연 RMUs의 특징 및 응용​
SF6 RMUs의 잠재적인 환경적 위협은 그들의 추가 발전을 제한합니다. SF6의 대안을 찾는 것은 전 세계적으로 연구되고 있는 주제입니다. 고체 절연 RMUs는 1990년대 후반에 Eaton Corporation(미국)에서 처음 개발 및 도입되었습니다. 작동 중에 어떠한 독성 또는 유해한 가스도 생성하지 않으며, 환경 영향이 없으며, 신뢰성이 더 높고 진정한 유지보수가 가능합니다.

고체 절연 RMUs는 진공 차단기, 분리기, 접지 스위치, 메인 버스바, 분기 버스바와 같은 주 전도 회로가 에폭시 수지와 같은 고체 절연 재료로 개별적으로 또는 조합하여 포팅됩니다. 그들은 완전히 절연되고 밀봉된 기능 모듈 내에 포장되어 추가 조합 또는 확장이 가능합니다. 모듈의 외부 표면은 작업자가 접근 가능한 부분은 도전성 또는 반도전성 차폐층으로 코팅되어 직접이고 신뢰성 있게 접지될 수 있습니다.

​3.1 고체 절연 RMUs의 특징​

• ​생태 디자인:​​ 절연 또는 스위칭 매체로 SF6를 사용하지 않습니다. 대신 스위치의 아크 소멸 매체로 진공을 사용하고, 환경에 영향을 미치지 않는 재활용 가능한 친환경 재료를 주요 절연 매체로 사용합니다. 또한, 구성 요소의 수를 최소화하여 작동 중에 낮은 에너지 소비와 가능한 고장 지점을 줄입니다.
• ​진정한 유지보수 없음:​​ 고체 절연 RMUs는 SF6 압력 용기를 제거합니다. 스위치 본체의 내부 절연 및 아크 소멸은 진공 매체를 사용하고, 외부 절연은 절연 실린더와 같은 고체 유전체 재료를 사용합니다. 절연 실린더는 솔리드 캐스팅 기술을 사용하여 진공 차단기, 주 전도 회로, 절연 지지대를 하나의 유닛으로 통합하고, 금속 케이싱 내에 밀봉하여 외부 환경의 영향을 받지 않습니다. 완전히 절연되고 밀봉된 전체 구조 덕분에, SF6 누설 감지, 충전, 폐기 등의 문제가 없어 진정한 유지보수가 가능합니다.
• ​높은 비용 효율성:​​ 고체 절연 RMUs의 초기 투자는 SF6 RMUs보다 약간 높지만, 전체 수명 주기 비용은 훨씬 낮습니다. 사용자의 고려사항은 초기 구매 가격뿐만 아니라 전체 수명 주기 비용, 안전 위험, 그리드 품질, 비용 관리, 지속 가능성 등을 포함합니다. SF6 RMUs의 수명 동안 유지보수, 가스 충전, 누설 처리, 최종 회수 등에 필요한 비용은 거의 구매 비용과 동일합니다. 반면, 고체 절연 RMUs는 초기 투자 후 기본적으로 추가 비용이 없습니다. 따라서 장기적으로 보면 고체 절연 RMUs의 경제 효율성이 SF6 RMUs보다 훨씬 높습니다.

​표 1: SF6 RMUs와 고체 절연 RMUs의 수명 주기 비용 비교​

• ​콤팩트 구조:​​ 캐비닛의 안전성과 운영 편의성을 보장하면서 가능한 한 컴팩트하게 설계되었습니다. 면적과 부피는 SF6 RMUs보다 더 작아 사용자가 공간을 절약하고 직접적인 경제적 이익을 얻을 수 있습니다.
• ​내부 아크 저항 설계, 더 안전하고 신뢰성 있음:​​ 1차 및 2차 스위치 기어에서는 내부 아크로 인한 심각한 손상이 연간 적어도 한 번 발생합니다. 대부분의 고체 절연 RMUs는 내부 아크 저항 설계를 채택하고 있습니다. 내부 아크가 발생할 때 RMU에 미치는 영향을 최소화하여 더 안전하고 신뢰성 있는 장비 운영을 보장합니다.
• ​시각화된 절연 간격:​​ 내부 3위치 분리기의 접촉 상태를 쉽게 확인할 수 있는 시각 관찰 창을 갖추고 있어 현장에서 가시적인 절연을 제공하고 작업자의 안전을 향상시킵니다.
• ​스마트 기능:​​ SF6 RMUs보다 분배 자동화를 더 쉽게 구현할 수 있습니다. 분배 단말 장치(DTU)와 통신 장치를 설치하면 상태 데이터 수집 및 모니터링, "네 가지 원격" 기능(원격 신호, 원격 측정, 원격 제어, 원격 조절), 통신, 자기 진단, 로깅/보고 기능을 쉽게 달성할 수 있습니다.

​3.2 응용 상태​
현재 고체 절연 RMUs의 광범위한 채택은 상대적으로 높은 가격과 복잡한 제조 공정에 의해 제한되고 있습니다. 그들의 공정 요구사항은 SF6 가스 절연 RMUs를 초과합니다. 만약 공정 기술이 부족하다면, 절연 위험, 고장 가능성, 위험이 SF6 RMUs보다 높아질 수 있으므로, 원자재와 공예품의 엄격한 품질 관리가 필요합니다. 또한, 고체 절연 RMUs의 배선 유연성이 제한될 수 있으며, 특히 PT(VT) 캐비닛 및 측정 캐비닛과 같은 기능 유닛의 경우, 연결 옵션이 적어 사용자의 선택을 제한하며, 이는 고체 절연 RMUs의 응용 및 발전을 어느 정도 제한합니다.

생산 구조의 지속적인 최적화와 제품 제조의 표준화로 인해 고체 절연 RMUs의 제품 품질은 더욱 안정적이 되고 가격은 점차 낮아지고 있습니다. 일부 국가에서는 SF6를 사용하지 않는 제품에 5%~10%의 인센티브를 제공하여 그 사용과 배출을 줄이고 있습니다. 이를 통해 사용자는 구매 비용만을 고려하지 않고 결정을 내릴 수 있습니다. 국제적인 사례를 참고하여, 환경적으로 민감한 프로젝트와 새로운 프로젝트(예: 주거 지역, 공공 건물, 시정 사업)에서 고체 절연 RMUs를 우선적으로 사용하고, SF6 RMUs를 점진적으로 폐지하도록 할 수 있습니다. 제조사가 약속한 수명에 따라 노후화되거나 운영 중인 SF6 RMUs를 폐기하고, 친환경 고체 절연 RMUs를 채택하는 사용자에게 보조금을 제공하여 이러한 제품을 지원할 수 있습니다. 사용자의 환경 의식이 증가하고 수명 주기 비용 고려가 증가함에 따라 고체 절연 RMUs의 전망은 넓어지고 있습니다.

​4 결론​
고체 절연 RMUs는 기술적으로 SF6 RMUs와 동등하며, SF6 RMUs가 갖지 못하는 몇 가지 특징, 예를 들어 유해 가스 배출이 없음, 진정한 유지보수가 가능하며, 전체 수명 주기 비용이 낮다는 점에서 사용자들의 관심과 선호를 받고 있습니다.