12kV 공기절연 링 메인 유닛 격리 간격의 최적화 설계 방안: 절연 파괴 확률 감소를 위한

전력 산업의 급속한 발전과 함께 저탄소, 에너지 절약, 환경 보호의 생태 개념이 전력 공급 및 배전 전기 제품의 설계와 제조에 깊게 융합되었습니다. 링 메인 유닛(RMU)은 배전 네트워크에서 핵심적인 전기 장치입니다. 안전성, 환경 친화성, 운영 신뢰성, 에너지 효율성, 경제성이 그 발전의 불가피한 추세입니다. 전통적인 RMU는 주로 SF6 가스 절연형 RMU로 대표되며, SF6의 뛰어난 소멸 성능과 높은 절연 성능으로 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 SF6는 온실 효과를 일으키므로, 온실 가스 규제 압력이 증가함에 따라 환경 친화적인 가스 절연형 RMU 개발이 필수적인 추세가 되었습니다.

현재 환경 친화적인 가스 절연형 RMU에는 질소 절연형 RMU와 건조 공기 절연형 RMU가 포함됩니다. 문헌에서는 이러한 옵션을 소개하고 있습니다. SF6의 절연 능력과 비교하여 질소와 건조 공기의 절연 능력은 약 1/3 수준입니다. 따라서 절연 매체의 절연 성능 감소에도 불구하고 RMU와 내부 스위치의 전체 절연 성능이 손상되지 않도록 유지하면서 기존 캐비닛 공간을 유지하는 것이 특히 중요합니다. 이는 주로 내부 전기 구조와 절연 구조의 설계에 반영됩니다. 합리적인 전기 및 절연 구조 설계는 절연 매체의 성능 부족을 보완할 수 있습니다.

본 논문은 특정 12kV 공기 절연형 RMU 내의 분리 간격에 집중하며, 이를 통해 근처 전기장 분포와 그 균일성을 분석하고, 해당 위치의 절연 성능을 평가하며, 구조 최적화를 수행하여 방전 가능성을 줄이고 절연 성능을 향상시키고자 합니다. 본 연구는 유사 제품의 절연 설계에 대한 참고 자료를 제공하기 위한 것입니다.

​1 공기 절연형 RMU의 구조​

본 논문에서 연구한 공기 절연형 RMU의 3D 구조 모델은 도 1에 표시되어 있습니다. RMU의 주 회로 구조는 진공 스위치와 3개의 위치 스위치를 결합한 방식을 채택하고 있으며, 레이아웃은 3개의 위치 스위치가 버스바 측에 위치하는 방식을 채택합니다. 즉, 3개의 위치 스위치는 RMU 상단에 배치되고, 진공 스위치는 고체 절연 축을 통해 하단에 배치됩니다.

진공 스위치는 축 내부에 밀봉되어 있어 외부는 에폭시 수지로 절연되어 있습니다. 에폭시 수지의 절연 능력은 공기보다 훨씬 우수하므로 절연 요구 사항을 충족합니다. 또한 고체 절연 축의 밀봉된 끝에 연결된 버스바는 둥근 모서리, 곡선 디자인, 실리콘 러버 밀봉을 통해 이 부분의 부분 방전 문제를 해결합니다. 버스바 간 및 지면까지의 절연 간격은 관련 절연 요구 사항에 따라 설계되어 규정을 준수합니다.

3개의 위치 스위치의 분리 날은 완전히 공기 매체에 의존하여 절연됩니다. 이동 가능한 연결 구성 요소로서, 그 구조 설계는 핀, 스프링, 디스크 스프링, 클립 링 등의 금속 부품을 포함하여 분리 접점 간의 접촉 압력을 강화합니다. 그러나 이러한 금속 부품의 특수한 형태로 인해 매우 불균일한 전기장 분포가 발생하여 부분 방전을 유발할 수 있습니다. 이는 이 위치의 절연 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 여기의 전기 구조 설계는 특히 중요합니다.

제품 설계 요구 사항에 따르면 분리 간격은 50kV의 정격 단시간 전력 주파수 내압을 견뎌야 합니다. 분리 간격의 최소 전기 간격은 100mm로 설계되었습니다. 분리 날 구조의 복잡성을 고려하여, 분리 날 양쪽에 등급 차폐판을 추가하여 전기장의 균일성을 향상시키고 부분 방전 발생을 줄였습니다. 3개의 위치 스위치의 3D 모델은 도 2에 표시되어 있습니다. 따라서 본 논문에서는 분리 간격에 대한 전기장 시뮬레이션 분석을 수행합니다.

유한 요소 소프트웨어를 사용하여 RMU의 전기장을 시뮬레이션하고, 50kV의 정격 단시간 전력 주파수 내압 하에서 분리 간격 전체의 전기장 강도 분포를 분석했습니다. 두 가지 정전장 시뮬레이션 시나리오가 정의되었습니다:

• ​시나리오 1:​​ 버스바 측(분리 정 접점 좌석 있는 측)을 저전위(0V)에, 라인 측(분리 날 머리 있는 측)을 고전위(50kV)에 연결합니다.
• ​시나리오 2:​​ 버스바 측(분리 정 접점 좌석 있는 측)을 고전위(50kV)에, 라인 측(분리 날 머리 있는 측)을 저전위(0V)에 연결합니다.

두 시나리오 모두에서 분리 간격 내 최대 전기장 강도 위치의 전기장 분포를 시뮬레이션으로부터 얻었습니다. 시나리오 1에서 분리 날 머리의 전기장 강도 분포는 도 3에, 시나리오 2에서 분리 정 접점 좌석의 전기장 강도 분포는 도 4에 표시되어 있습니다. 시나리오 1에서 최대 전기장 강도는 등급 차폐판 끝에서 7.07 kV/mm로 측정되었습니다. 시나리오 2에서 최대는 분리 정 접점 좌석의 면取り부에서 4.90 kV/mm로 측정되었습니다.

표준 조건 하에서 공기의 임계 파괴 전기장 강도는 일반적으로 3 kV/mm입니다. 도 3과 도 4는 분리 간격 내 국소 지역에서 3 kV/mm를 초과하지만, 다른 영역에서는 이 임계값 아래로 유지되어 파괴 방전은 거의 발생하지 않는다는 것을 보여줍니다. 그러나 국소적으로 전기장 강도가 3 kV/mm를 초과하는 위치에서는 부분 방전이 발생할 것입니다.

공기가 건조에서 습기를 함유하게 될 때 절연 능력이 감소합니다. 균일한 전기장 조건 하에서의 임계 파괴 전기장 강도는 3 kV/mm 미만으로 낮아집니다. 또한 매우 불균일한 전기장 분포는 공기의 임계 파괴 전기장 강도를 낮추기도 합니다. 이 두 가지 요인이 외부 환경 조건의 영향을 받는 공기 절연 매체의 파괴 가능성과 위험을 증가시킵니다. 이를 완화하고 전기장의 균일성 계수를 개선하기 위해, 본 논문은 분리 간격 전체의 전기장 균일성 정도와 간격의 내압 값을 결정하고자 합니다. 이를 통해 분리 간격의 절연 능력을 향상시키는 기초를 마련합니다.

​3 공기 절연 특성​

​3.1 전기장 비균일성 계수의 결정​

실제로 완벽히 균일한 전기장은 존재하지 않습니다. 모든 전기장은 비균일합니다. 비균일성 계수 f에 따라 전기장은 두 가지 유형으로 분류됩니다: f ≤ 4인 경우는 약간 비균일한 전기장, f > 4인 경우는 매우 비균일한 전기장입니다. 전기장 비균일성 계수 f는 f = E_max / E_avg로 결정되며, E_max는 시뮬레이션 결과로부터 얻을 수 있는 국소 최대 전기장 강도이고, E_avg는 적용 전압을 최소 전기 간격으로 나눈 값으로 계산됩니다.

도 3에서 E_max = 7.07 kV/mm이고 E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm)입니다. 따라서 분리 간격의 비균일성 계수 f = 14.14 > 4로, 이는 매우 비균일한 전기장으로 분류됩니다. 매우 비균일한 전기장 근처에서는 안정적인 부분 방전 현상이 형성될 수 있습니다. 비균일성 정도가 클수록 부분 방전이 더욱 두드러지고 방전 크기가 커집니다. 12kV RMU의 경우, 전체 캐비닛의 총 부분 방전이 20pC 미만이어야 합니다. 비균일성 계수 f를 줄이는 것은 부분 방전 크기를 감소시키는 데 유익합니다.

​3.2 공기 내압의 결정​

비균일성 계수가 건조 공기의 내압에 영향을 미칩니다. 전기장이 약간 비균일할 때 내압은 다음과 같습니다:
​식 (1)​​

여기서:

• U는 내압입니다.
• d는 전극 사이의 최소 전기 간격입니다.
• k는 신뢰성 계수로, 경험적으로 1.2에서 1.5 사이입니다.
• E₀는 가스 파괴 전기장 강도입니다. 실제에서는 이 값이 전극 구조와 관련이 있습니다. 공기의 파괴 전기장 강도는 다양한 전극 구조와 간격 하에서 달라집니다. 본 논문의 비교 분석을 위해 E₀ = 3 kV/mm로 일시적으로 설정하였습니다.

식 (1)에서 최소 전기 간격 d를 증가시키거나 비균일성 계수 f를 감소시키면 공기의 내압을 개선할 수 있습니다. 전기장이 매우 비균일할 때, 최소 간격 d가 약 100mm인 전극의 내압은 다음과 같이 결정됩니다:
​식 (2)​​

여기서는 전극의 전기 간격 d에서의 번개 충격 50% 파괴 전압입니다. 매우 비균일한 전기장에서는 파괴 전압이 크게 분산되고 방전 시간 지연이 길어져 매우 불안정합니다.

공학적 실무에서는 U_50%(d)는 여러 번의 번개 충격 시험을 통해 결정됩니다: 50%의 확률로 파괴가 발생하는 적용 전압을 U_50%(d)로 정의합니다. 이 값은 제품 구조와 전기장의 균일성 정도에 따라 달라집니다. 낮은 비균일성 계수일수록 파괴 전압의 분산이 작아지고, 파괴 전압이 높아져 내압이 높아집니다. 따라서 비균일성 계수 f를 줄이면 분리 간격의 내압이 향상됩니다.

​4 구조 최적화​

분리 날 머리 주변의 전기장 균일성을 향상시키고 비균일성 계수를 줄이기 위해 등급 차폐판 구조를 최적화하였습니다.

원래 설계와 비교하여 최적화된 등급 차폐판은 끝부분이 두꺼워지고 둥근 모서리 설계가 적용되었습니다. 둥근 모서리 반경은 0.75mm에서 4mm로 증가하여 이 영역의 곡률 반경이 향상되어 더 균일한 전기장 분포를 달성하는 데 유익합니다. 최적화된 분리 날 머리의 전기장 강도 분포는 도 7에 표시되어 있습니다. 도 7은 이 위치의 최대 전기장 강도가 최적화 이전의 약 절반인 3.66 kV/mm로 감소하였음을 보여주며, 이는 큰 향상을 나타냅니다.

식 f = E_max / E_avg에 따라 최적화 후의 전기장 비균일성 계수는 7.32입니다. 최적화 이전 상태와 비교하여 이 값은 약 절반으로 감소하였습니다. 분리 날 머리 근처의 전기장 균일성도 크게 향상되어 구조 최적화의 타당성을 입증합니다.

최적화된 등급 차폐판 구조는 실제로 분리 간격 전체의 파괴 방전 위험을 줄였습니다. 그러나 간격 전체의 전기장은 여전히 매우 비균일하며, 그 내압은 여전히 U_50%(d)로 결정됩니다. 내압을 얼마나 증가시킬 수 있는지는 이후의 현장 시험을 통해 결정해야 합니다.

​5 결론​

12kV 공기 절연형 RMU의 분리 간격에 대한 전기장 분석을 통해 본 논문은 다음과 같은 결론을 도출하였습니다:

1. 공기의 절연 능력이 SF6에 비해 열악하므로, RMU 내의 3개 위치 스위치에서 공기를 절연 매체로 사용하려면 전기장 분포를 개선하여 절연 능력을 향상시켜야 합니다.
2. 공기 절연형 RMU의 3개 위치 스위치 내 이동 부품(분리 날)의 구조적 복잡성으로 인해, 국소 위치의 전기장 강도 분포가 매우 비균일해질 수 있습니다. 이를 줄이기 위해 분리 날 양쪽에 등급 차폐판을 추가하여 분리 날 접속부 근처의 전기장 강도를 차폐하고, 최대 국소 전기장 강도를 등급 차폐판 끝으로 이동시킬 수 있습니다. 본 논문에서는 등급 차폐판 끝의 곡률 반경을 0.75mm에서 4mm로 증가시켜, 최대 국소 전기장 강도와 비균일성 계수를 각각 원래 값의 약 절반으로 감소시켜 목표를 달성하였습니다.
3. 전기장의 균일성 정도 또는 비균일성 계수는 부분 방전과 파괴 방전에 큰 영향을 미칩니다. 매우 비균일한 전기장은 쉽게 안정적인 부분 방전(코로나 방전)을 유발합니다. 약간 비균일한 전기장과 매우 비균일한 전기장 모두에서, 비균일성 계수가 높을수록 두 전극 간의 내압이 낮아집니다.