24kV 건식 공기 절연 링 메인 유닛 설계 솔루션
고체 절연 보조 + 건식 공기 절연의 조합은 24kV RMU의 개발 방향을 나타냅니다. 절연 요구 사항과 컴팩트함 사이의 균형을 맞추고 고체 보조 절연을 사용하면 상간 및 상대지 사이즈를 크게 늘리지 않고도 절연 테스트를 통과할 수 있습니다. 폴 컬럼을 캡슐화하면 진공 차단기와 그 연결 도체의 절연이 강화됩니다.
출선 버스바의 상간 간격을 110mm로 유지하면서 버스바 표면을 캡슐화하여 전기장 강도와 불균일성 계수를 줄일 수 있습니다. 표 4는 다양한 상간 간격과 버스바 절연 두께에 따른 전기장을 계산합니다. 이 결과, 상간 간격을 130mm로 적절히 증가시키고 원형 바 버스바에 5mm 에폭시 캡슐화를 적용하면 전기장 강도가 2298 kV/m가 됩니다. 이는 건식 공기의 최대 내전압(3000 kV/m)보다 낮은 여유를 유지합니다.
표 4: 다양한 상간 간격과 버스바 절연 두께에 따른 전기장 조건
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상간 간격 (mm) |
110 |
110 |
110 |
120 |
120 |
130 |
|
구리 바 직경 (mm) |
25 |
25 |
25 |
25 |
25 |
25 |
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캡슐화 두께 (mm) |
0 |
2 |
5 |
0 |
5 |
5 |
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공기 간극에서의 최대 전기장 강도 (Eqmax) (kV/m) |
3037.25 |
2828.83 |
2609.73 |
2868.77 |
2437.53 |
2298.04 |
|
절연 활용 계수 (q) |
0.48 |
0.55 |
0.64 |
0.46 |
0.60 |
0.57 |
|
전기장 불균일성 계수 (f) |
2.07 |
1.83 |
1.57 |
2.18 |
1.66 |
1.75 |
건식 공기의 낮은 절연 강도로 인해 고체 절연만으로는 분리 간극의 내전압 문제를 해결할 수 없습니다. 이중 절연 브레이크 구성을 사용하면 두 개의 가스 간극에 걸쳐 전압을 효과적으로 분배할 수 있습니다. 집중된 전기장 영역인 분리 접점과 접지 정착 접점에는 전기장 강도를 줄이고 공기 간극 크기를 최소화하기 위해 그레이딩 링(전기장 차폐)을 설계합니다. 도 3에서 보듯이 강화된 나일론 메인 샤프트가 이중 브레이크 메커니즘을 회전시켜 작동, 분리 및 접지 상태를 달성합니다. 정착 접점의 그레이딩 링은 60mm 직경과 에폭시 캡슐화를 통해 100mm 클리어런스를 확보하여 150kV 번개 임펄스 내전압을 견딜 수 있습니다.
다른 방법으로는 종방향 위상 분리 레이아웃, 고강도 단일 위상 합금 탱크 사용, 또는 가스 압력을 중간 정도로 증가시키는 것 등이 있습니다. 그러나 RMU는 낮은 비용이 필요하며, 지나치게 높은 비용은 사용자에게 받아들여지지 않습니다. 최적화된 설계를 통해 RMU 너비를 적당히 늘리는 등의 방법으로 24kV 친환경 가스 절연 RMU의 저비용과 소형화 목표를 달성할 수 있습니다.
1. 친환경 가스 RMU에서의 접지 스위치 배치
두 가지 주요 회로 방법으로 접지 기능을 구현할 수 있습니다:
- 출선 측 접지 스위치(하단 접지 스위치)
- 버스바 측 접지 스위치(상단 접지 스위치), 옵션으로 E0 등급, 접지 작업을 위해 메인 스위치와의 조정이 필요합니다.
국가 그리드 "12kV RMU(케비닛) 표준화 설계 방안" 2022년 판에서는 모든 세 위치 스위치(분리, 연결, 접지)가 버스바 측 배치를 사용하도록 명시되어 있으며, 이를 "버스바 측 복합 기능 접지 스위치"라고 합니다.
전력 안전 규정에 따르면 접지 도체/접지 스위치와 유지 보수 중인 장비 사이에 회로 차단기(CB) 또는 유전관이 존재해서는 안 됩니다. 설계 제약으로 인해 접지 스위치와 장비 사이에 CB가 있는 경우, 접지 스위치와 CB 모두 닫힌 후에도 CB가 열릴 수 없도록 조치해야 합니다. 따라서:
- 라인 측 접지 스위치는 CB 하류에 위치하며 직접 접지된 출선 케이블에 연결되므로, 그 사이에 CB가 없으므로 규정을 자연스럽게 충족합니다.
- 버스바 측 접지 스위치는 CB 상류에 위치하며, 접지된 출선 케이블 사이에 진공 CB가 있어 직접 연결 요구사항을 위반합니다. 접지 스위치와 CB를 모두 닫은 후, CB가 열리는 것을 방지하는 조치가 필요합니다. 예를 들어, 차단 플레이트를 사용하여 CB 트립 회로를 해제하거나, 기계적 연동 장치를 사용하여 우발적인 CB 열림과 접지 손실을 방지할 수 있습니다.
국가 그리드 표준은 또한 복합 기능 접지 스위치가 CB(닫힘)를 사용하여 케이블 측을 접지할 때 수동 또는 전기적으로 CB를 열지 않도록 하는 기계적 및 전기적 연동 장치를 요구합니다.
국가 그리드 표준에서 버스바 측 분리-접지 3위치 스위치를 선택하는 주된 이유는 접지/접지 생성 용량입니다:
- SF6 RMU: SF6는 공기보다 약 3배의 절연 강도와 약 100배의 아크 소멸 능력을 가지고 있어 충분한 접지 스위치 생성 용량을 보장합니다.
- 친환경 가스 RMU: 친환경 가스는 본래 아크 소멸 능력이 부족하고 절연성이 떨어지므로, 필요한 생성 용량을 달성하기 위해서는 매우 높은 폐쇄 속도가 필요합니다. 그러나 표준 RMU 작동 메커니즘은 이러한 속도를 위한 에너지를 갖추고 있지 않습니다. 라인 측 접지 스위치를 사용하면 고속 메커니즘, 강력한 아크 저항 접점, 그리고 힘 분석이 필요하여 비용과 복잡성이 증가합니다. 버스바 측 접지 스위치는 CB 연동 솔루션이 필요하지만, 더 강력한 생성 용량을 제공하여 접지 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
SF6 대 친환경 가스 기술 및 제품 분석에 따르면 12kV 친환경 가스 RMU는 최소한의 크기 증가로 절연 및 온도 상승 요구 사항을 충족할 수 있으며, 이는 성숙한 기술 솔루션을 나타냅니다.
반면에 24kV 친환경 가스 절연 제품은 여전히 제한적입니다. 주요 과제는 훨씬 높은 전압 수준으로 인해 크기가 훨씬 커지고 비용이 높아져 개발이 어렵습니다. 절연 가스 유형, 충진 압력, 가스 탱크 부피, 보조 절연 비용 등을 균형있게 고려하여 저비용, 소형 RMU를 설계하는 것이 중요합니다. SF6를 성공적으로 대체하면 국내 시장을 포착할 뿐만 아니라 글로벌 접근을 가능하게 하여 중국의 저탄소, 친환경 제품을 전 세계적으로 홍보할 수 있습니다.
