Qinzhou 배전망에서 지능형 고체 절연 링 메인 유닛(SIRMUs)의 적용

1 소개​

해안 지역은 집중호우, 번개, 고온, 고습도, 고염분 부식 등 환경적 도전과제에 직면해 있습니다. 이러한 환경에서 도시 배전망의 안전을 보장하고, 장비 유지보수로 인한 정전을 최소화하며, 장비의 수명 종료 및 기타 요인으로 인한 사고를 방지하기 위해 새로운 유형의 고체 절연 링 메인 유닛(SIRMU)의 사용을 연구했습니다. 이 SIRMU는 장수명, 유지보수 없음, 환경 적합성, 지능형, 전력 공급 신뢰성 향상을 제공합니다.

현재 중압 링 메인 유닛(RMU)의 90% 이상이 SF₆ 가스를 절연 매체로 사용하고 있습니다. SF₆ 가스는 화학적으로 매우 안정적이며, 뛰어난 절연 및 아크 소멸 특성을 가지고 있어 전력 장비에 널리 사용됩니다. SF₆ 가스 절연 스위치기기는 컴팩트하지만, 저온에서는 액화되어 절연 및 아크 소멸 능력이 감소합니다. 고온에서는 독성 있는 부산물로 분해되어 사람에게 심각한 위험을 초래합니다. 또한 가스 충전, 운전, 회수 과정에서 누출과 배출은 불가피하며, SF₆는 주요 환경 오염 물질로 인식되고 있습니다. SF₆는 국제적으로 6대 온실 가스 중 하나로 알려져 있으며, 환경적 관점에서 그 사용은 최소화하거나 제거해야 합니다. 고체 절연 링 메인 유닛의 설계 원칙은 SF₆ 가스의 필요성을 근본적으로 제거하여 배전망 분야에서 배출 감소와 환경 보호의 기초적인 보장을 제공하며, 환경 요구 사항과 강하게 일치합니다.

배전망 확장용 지능형 고체 절연 링 메인 유닛(SIRMU)은 환경 친화성과 혹독한 환경에 대한 뛰어난 내구성뿐만 아니라 높은 수준의 지능성을 제공합니다. 제품은 단일 장치 내에서 전통적으로 일차 및 이차 전력 시스템 장비가 제공하는 모든 기능을 포함합니다. 고압 및 저압 구성 요소 모두에 대해 통합 및 모듈식 설계 접근법을 채택하여 뛰어난 유연성과 확장성을 제공하며, 진정한 스마트 전기 장치입니다.

​2 지능형 고체 절연 링 메인 유닛(SIRMU)의 기술적 적용​​

​2.1 고체 절연 기술의 적용​

고체 절연 기술은 주로 중압 스위치기기의 주 회로의 실질적인 부분을 고체 재료로 포장 및 밀봉하거나, 고전기장 강도를 고체 절연 재료 내부로 전송하는 것을 포함합니다. 이를 통해 고체 재료는 더 높은 전위를 견딜 수 있으며, 공기 중의 전기장 강도를 줄입니다. 가장 일반적인 고체 절연 재료는 에폭시 수지와 실리콘 고무입니다.

고체 절연 링 메인 유닛(SIRMU)은 고체 절연 재료를 주요 절연 매체로 사용합니다. 진공 차단기 및 그 연결, 분리 스위치, 접지 스위치, 주 버스바, 분기 버스바와 같은 주요 전도 회로 구성 요소는 개별적으로 또는 집합적으로 고체 절연재로 포장되어 하나 또는 여러 모듈을 형성합니다. 이러한 모듈은 완전히 절연되며, 완전히 밀봉되어 있으며, 기능이 특정하며, 재조합 및 확장이 가능합니다. 사람이 접근할 수 있는 표면은 도전성 또는 반도전성 차폐층으로 코팅되어 직접적으로 그리고 신뢰성 있게 접지됩니다. 주요 특징은 완전 절연, 완전 밀봉, 모듈성, 컴팩트한 크기, 지능성입니다. SIRMU는 극저온, 고고도, 습기, 강풍/모래와 같은 혹독한 환경에서 SF₆ RMU보다 훨씬 우수한 성능을 발휘합니다. 완전히 밀봉된 방수 설계로 노출된 고압 전도체가 없어 습기와 홍수 취약 지역에 특히 적합하며, 습기나 침수 상태에서도 신뢰성 있는 전력 공급을 제공할 수 있습니다.

​2.2 지능형 보호 기술의 적용​

미세 프로세서와 컴퓨터 기술을 전기 장비에 통합하면 지능형 기능을 부여하고 제어 센터와 양방향 통신이 가능합니다. 이를 통해 지능형 모니터링, 보호, 네트워크 관리 시스템을 형성합니다. 간단한 매개변수 설정을 통해 단일 지능형 장치가 전통적으로 여러 장치가 필요했던 기능을 편리하게 수행할 수 있습니다.

SIRMU의 구조 설계는 현대적인 탄력적인 스마트 그리드의 요구 사항에 부합합니다. 빠른 알고리즘을 사용하여 회로 차단기에 빠른 트리핑 기능을 부여하여 고장 회선을 신속하게 격리하고 연쇄 트리핑을 효과적으로 방지합니다. 단상 접지 고장 보호 시스템을 장착하여 추가 구성 없이 접지되지 않은(또는 고저항 접지/PET/PEN) 시스템에서 단상 접지 고장을 온라인으로 감지하고, 설정 값에 따라 알람이나 트립 명령을 제공합니다. 주 회로는 단상 모듈식 설계를 채택하여 운전 중 위상 간 단락을 완전히 피하고 유지보수 효율을 크게 향상시키며 비용을 절감합니다. 통합 임베디드 운영 체제는 일반 처리 및 시스템 제어를 위한 ARM 프로세서(ARMP)와 다중 작업을 효율적으로 처리하기 위한 강력한 DSP를 포함하는 핵심 CPU 아키텍처를 갖추고 있습니다. 이를 통해 고속 데이터 처리, 제어, 통신이 가능합니다. 장치는 구조적으로 컴팩트하며, 크기가 작고, 무게가 가볍고, 설치가 쉽습니다. 절연 간격이 시각적으로 확인되어 안전한 운전이 가능합니다. 자동 공급 모드 인식은 듀얼 전원 공급의 유연한 자동 변경을 가능하게 하여 전력 공급 신뢰성을 향상시킵니다. 유연한 통신 지원(GSM SMS, GPRS, CDMA 유니버설 무선 서비스, 광섬유, 트위스티드 페어, 무선, 캐리어) 및 다양한 통신 프로토콜 지원은 배전 자동화의 손쉬운 구현을 가능하게 합니다.

​2.3 유지보수 없음 및 환경 친화적​

주 스위치는 주기적인 유지보수가 필요 없는 안정적이고 신뢰성 있는 진공 회로 차단기를 사용합니다. 분리 스위치와 접지 스위치가 회로 차단기와 통합 설계되어 컴팩트한 구조와 신뢰성 있는 기계적 및 전기적 상호 잠금을 제공하여 잘못된 운전을 효과적으로 방지합니다.

​2.4 SIRMU의 주요 제조 공정 및 품질 보증​

생산의 안정성, 일관성, 제품 품질을 보장하고, SIRMU 제품의 장기 절연 내압력을 보장하기 위해 고체 절연 폴은 에폭시 수지를 사용할 때 자동 압력 젤화(APG) 공정을 활용합니다. SIRMU의 제조 공정 요구 사항은 SF₆ 가스 절연 RMU보다 엄격합니다. 생산 공정 관리가 부족하면 SF₆ 장치보다 숨겨진 절연 결함과 고장의 가능성과 심각성이 크게 증가합니다. 원자재의 엄격한 품질 관리와 고급 공정 능력이 필수적입니다.

진공 차단기의 외부 절연은 에폭시, 실리콘 고무, 공기와 같은 여러 매체를 통해 이루어집니다. 따라서 개별 재료의 절연 강도와 서로 다른 절연 매체 사이의 계면 처리가 중요합니다. 에폭시와 실리콘 고무는 뛰어난 유전 강도를 제공하며, 공기의 5-6배에 달합니다. 이러한 강도를 달성하려면 성형 공정의 온도와 압력을 엄격히 관리하고, 성형 중 재료의 탈기 및 배기를 보장하여 미세 기포가 함유되지 않도록 해야 합니다. 그렇지 않으면 절연 강도가 감소하고 전기장 분포가 불균일해져 국소 방전(PD) 활동이 증가하고 운전 위험이 발생할 수 있습니다. 계면 처리는 스트레스, 열 순환 등에서 충분한 계면 절연 강도를 보장하여 절연 실패를 방지합니다. 계면 품질을 신뢰성 있게 검출하는 방법이 필요합니다. 현재 PD 측정, X-레이 검사, 번개 임펄스 테스트는 계면 절연 강도를 정확하게 평가할 수 있습니다.

X-레이 검사를 공장 테스트로 사용하면 고체 절연 조립체의 기포, 구멍, 균열과 같은 결함을 방지하고, 진공 차단기, 그 연결/단자, 고체 절연 버스바가 X-레이 이미지에서 위치에 따른 시각적으로 명백한 이상 변형이 없음을 확인합니다. PD 측정을 수행하면 고전기장으로 인한 SIRMU 절연의 약점이나 결함에서 PD의 발생과 소멸을 방지하여 시간이 지남에 따라 절연 붕괴로 이어지는 누적 저하를 방지합니다.

​3 지능형 SIRMU의 기술적 설계 방안​

다양한 배전망 운영 경험과 국내외 선진 장비 분석을 바탕으로, 실제 그리드 운영 조건과 환경 요구 사항을 고려하여 종합적인 비교를 통해 "10kV 지능형 고체 절연 링 메인 유닛 응용 연구" 프로젝트를 개발하고 적용하기로 결정했습니다.

​3.1 주요 기술 내용​

새로운 AVR-12형 고체 절연 링 메인 유닛(SIRMU)이 원래 위치에 설치됩니다. 듀얼 전원 공급 구성을 활용하여 SIRMU의 지능형 기능을 통해 고장 회선의 신속한 격리, 단상 접지 고장의 신속한 감지, 모든 스위치 정보를 광섬유를 통해 배전 자동화 마스터 스테이션(DMS) 또는 SMS를 통해 유지보수 인원의 휴대폰으로 전송합니다. 마스터 스테이션 모니터링 플랫폼을 활용하여 데이터 통계 및 고장 분석을 가능하게 합니다.

이 프로젝트는 다음과 같이 구현됩니다:

• 원래 RMU 방안을 기반으로 사용자의 중요성을 고려하여 듀얼 입력선으로 전력을 공급합니다. 정상 운전 중에는 입력선 #1이 전력을 공급하고 입력선 #2는 예비 상태입니다.
• 주 장비는 AVR-12형 링 메인 유닛으로, 7개의 베이로 구성됩니다: 6개의 회로 차단기(CB) 베이와 1개의 전압 변환기(PT) 베이.
• 6개의 CB 베이는 CB + 분리 스위치(DS) + 접지 스위치(ES) 구조를 채택하고, 통합 보호 장치를 장착합니다.
• PT 베이는 DS + 단상 PT 구조를 사용하여 통신 전력을 제공합니다. PT 베이의 DS를 사용하여 PT를 전환할 수 있으므로, PT 또는 회선 유지보수를 위해 전체 SIRMU를 중단할 필요가 없습니다.
• CB형 SIRMU를 사용하면 단락 고장 전류의 다중 차단이 가능합니다. 퓨즈 보호와 비교하여 퓨즈 교체의 불편함과 낭비를 제거하면서, 설정 조정을 통해 포괄적인 단락 보호를 제공합니다.

​정상 운전:​​
지능형 컨트롤러는 각 입출력 베이의 매개변수(회로 차단기 상태, 분리 스위치 상태, 일차 전류/전압, 영차 전류/전압, DMS 마스터 스테이션 상태)를 수집합니다. 광섬유를 통해 실시간 데이터를 지능형 배전 스위치 마스터 스테이션으로 업로드하여 원격 운전이 가능합니다.

​단락 고장:​​
지능형 컨트롤러의 신속한 보호 기능은 15ms 내에 고장 전류와 전력 흐름을 감지하고 25ms 내에 고장을 제거하여 정상적인 회선 공급을 유지하고, 연쇄 트리핑을 방지하며, 정전 범위를 최소화합니다. 순간적인 특성(전압, 전류, 스위치 상태)을 통해 영구 자석 작동기의 동작 특성을 제어하여 고장 제거 시간을 단축하고 고장 회선을 신속하게 격리합니다. 동시에 컨트롤러는 SIRMU 동작 정보를 광섬유를 통해 모니터링 센터로 전송하여 제품 상태를 즉시 평가하고 고장 위치 및 전력 복구를 용이하게 합니다.

​단상 접지 고장:​​
컨트롤러는 영차 전류 크기/위상과 영차 전압 크기/위상을 사용하여 SIRMU의 부하 측에서 고장이 발생했는지 판단합니다. 부하 측에서만 접지 고장이 발생하면 컨트롤러는 보호 트립 또는 알람 명령을 발행하고, 광섬유를 통해 고장 정보를 업로드합니다. 소스 측에서 발생하는 고장은 이 SIRMU 컨트롤러의 동작을 유발하지 않습니다.

​3.2 주요 기술적 도전과제​

(1) 고체 절연 기술과 APG 제조 공정을 적용하여 고온 및 고염분 안개 환경에서 SIRMU의 신뢰성, 장수명, 유지보수 없음을 보장합니다.
(2) 회로 차단기의 고압 일차 부분과 이차 지능형 제어 부분을 통합하고 유연한 설계 개념을 활용합니다. 내장된 복합 전류/전압 센서를 통해 일차 전압/전류 신호와 스위치 상태를 실시간으로 획득하여 회로 차단기 작동기의 유연한 제어를 가능하게 하고, 진공 차단기의 운전을 최적화합니다.
(3) 고장 전류의 신속한 감지와 보호 동작의 실행.

​프로젝트 구현:​​
이 프로젝트는 통합 지능형 제어 장치를 갖춘 고체 절연 RMU를 사용합니다. 주 스위치는 영구 자석 작동 진공 회로 차단기(VCB)와 통합 분리 스위치(DS), 접지 스위치(ES)로 구성된 조합 장치를 사용합니다. 지능형 제어 시스템을 장착하여 DMS 조정 없이도 자동 제어 기능을 수행합니다. 영구 자석 작동기는 높은 신뢰성과 유지보수 없음을 제공합니다. 광섬유 통신을 통해 모든 RMU 운전 매개변수를 실시간으로 수집하여 원격 전력 복구와 전력 고장 분석을 간소화하고, 스마트 그리드 단말 장치에 대한 경험을 축적합니다. 외부 스테인리스 캐비닛은 미래의 유지보수를 최소화합니다.

​4 결론​

지능형 고체 절연 링 메인 유닛(SIRMU)은 안전, 환경 친화적, 안정적, 신뢰성 있고 높은 수준의 지능성을 갖춘 차세대 RMU입니다. 특히 고고도, 극단적인 온도 변화, 오염, 습기 등의 혹독한 위치에 적합합니다.