가스 절연 개폐 장치(GIS)는 어떻게 작동합니까?

소개: 수천 볼트를 제어하는 ​​금속 상자

현대식 변전소, 풍력 발전소 수집 플랫폼 또는 도시 초고층 빌딩의 지하에 들어가면 전기 세계에서 가장 위험한 작업 중 하나를 조용히 수행하는 소박한 금속 캐비닛을 발견할 수 있습니다. 이들은가스 절연 개폐 장치패널 또는GIS—그리고 금속을 기화시키고 근처에 있는 사람을 위험에 빠뜨릴 수 있는 전기 아크를 억제, 제어 및 소멸하도록 설계되었습니다.

전기 엔지니어에게 GIS 작동 방식을 이해하는 것은 학술적인 활동이 아닙니다. 변전소 배치 방법, 유지 관리 일정, 장비가 시운전 후 30년 후에도 안정적으로 작동할 것인지 여부가 결정됩니다. 조달 전문가의 경우 한 패널이 다른 패널보다 비용이 더 많이 드는 이유와 안전, 설치 공간 및 수명주기 비용 측면에서 추가 투자로 얻을 수 있는 것이 무엇인지 명확히 설명합니다.

이 기사에서는 고전압 도체를 분리하는 밀봉된 가스 탱크부터 회로를 차단하는 진공 차단기, 위험한 실수로 인한 사망을 방지하는 기계적 인터록에 이르기까지 가스 절연 개폐 장치의 기능을 구성 요소별로 설명합니다.

가스절연 개폐장치란 정확히 무엇입니까?

가스절연 개폐장치는 1차측이 금속으로 둘러싸인 개폐장치입니다.고압 부품—모선, 회로 차단기, 단로기, 접지 스위치 및 계기용 변압기 —는 밀봉된 가스로 채워진 구획 내부에 보관됩니다. 가스는 충전부 사이, 충전부와 접지 사이에서 절연 매체 역할을 합니다.

기존의 공기 절연 스위치기어는 물리적 거리에 의존합니다. 도체는 주변 공기가 파손되지 않고 전압 스트레스를 견딜 수 있을 만큼 충분히 멀리 떨어져 있습니다. 가스 절연 개폐 장치는 물리적 거리를 공기보다 절연 강도가 훨씬 높은 가압 가스로 대체합니다. 이를 통해 전체 조립품을 극적으로 줄일 수 있습니다. 어떤 경우에는 GIS가 동일한 공기 단열 설치 면적의 1/4 미만을 차지합니다.

가스 탱크 자체는 일반적으로 스테인레스 스틸 또는 알루미늄 합금으로 만들어지며 장비의 수명 동안 가스 누출을 방지하기 위해 용접 및 밀봉됩니다. 내부에서는 대기가 제어되고 모니터링됩니다. 현대 설계에서는 업계를 재편하는 규제에 대한 대응으로 SF₆ 대신 건조한 공기나 질소를 점점 더 많이 사용하고 있습니다.

GIS 패널 제작 방법: 내부 아키텍처

GIS는 외부에서 보면 단일 금속 캐비닛으로 보이지만 내부적으로는 여러 개의 기능적 구획으로 나누어져 있으며 각 구획은 기밀 장벽이나 부싱으로 서로 격리되어 있습니다. 이러한 구획을 이해하면 장비가 작동 유연성과 안전성을 모두 달성하는 방법이 설명됩니다.

1. 버스바 구획

부스바는 모든 스위치기어 어셈블리의 백본입니다. GIS에서 버스바는 패널 상단이나 후면에 있는 전용 가스 구획을 통해 수평으로 연결됩니다. 버스바는 인접한 패널을 함께 연결하기 때문에 여러 패널의 버스바 구획은 종종 기밀 부싱을 통해 연결되어 전체 배전반에 걸쳐 연속적인 가스 구역을 형성합니다.

버스바는 설치의 전체 정격 전류(종종 1250A, 2000A 이상)를 전달하며 절연 성능을 저하시키거나 접점 산화를 가속화하는 온도 제한을 초과하지 않아야 합니다. GIS에서 주변 가스는 버스바 도체에서 열을 전도하는 데 도움을 주어 공기 절연이 허용하는 것보다 작은 단면적에서 더 높은 전류 등급을 가능하게 합니다.

2. 회로 차단기 구획

부스바가 백본이라면 회로 차단기는 근육입니다. 결함이 발생할 때 회로를 중단해야 하는 장치이며 이에 대한 요구 사항은 매우 높습니다. 중전압 회로 차단기는 25,000암페어 이상을 차단하고 태양 표면과 비슷한 온도에 도달하는 아크를 몇 밀리초 내에 차단해야 할 수도 있습니다.

최신 GIS 설계에서 회로 차단기 기능은 거의 보편적으로 진공 차단기에 의해 수행됩니다. 진공 차단기는 내부에 한 쌍의 접점(하나는 고정식, 다른 하나는 이동식)이 있는 밀봉된 세라믹 병입니다. 접점이 분리되면 형성되는 호는 거의 완벽한 진공 상태에서 그려집니다. 이온화할 가스가 사실상 없기 때문에 첫 번째 전류 영점 교차점에서 아크가 꺼집니다. GIS 탱크의 주변 가스는 차단기와 탱크 벽 사이에 유전 절연을 제공하지만 아크 소멸에는 아무런 역할을 하지 않습니다.

코테넬레의 GIS 패널은 최대 25kA 또는 31.5kA 정격의 진공 회로 차단기를 사용하며 기계적 내구성은 10,000회입니다. 진공 단속기는 평생 동안 유지 관리가 필요하지 않습니다. 오일이나 가스가 없고 보충할 것도 없습니다.

3. 단로기 및 접지 스위치 구획

회로 차단기는 전류를 차단할 수 있지만 유지 관리 담당자가 목숨을 걸고 신뢰할 수 있는 눈에 띄는 절연 간격을 제공할 수는 없습니다. 해당 기능은 다음에 속합니다.단로기(아이솔레이터라고도 함) 단로기에는 아크 소멸 기능이 없습니다. 회로 차단기가 이미 전류를 차단한 후에만 작동할 수 있습니다. 그 임무는 시각적으로, 기계적으로, 전기적으로 확실한 물리적 공기 또는 가스 간격을 만드는 것입니다.

접지 스위치는 반대 기능을 수행합니다. 즉, 절연된 도체를 의도적으로 접지에 연결하여 잔류 용량성 또는 유도 전압을 방전합니다. 장비를 만져도 안전하게 만드는 단계입니다.

GIS에서는 단로기와 접지 스위치가 여러 설계에서 단일 3위치 스위치에 통합되어 있습니다. 한 위치는 "폐쇄"(버스바에 연결), 다른 위치는 "개방"(격리), 다른 위치는 "접지"입니다. 이 3위치 설계는 기계적 인터록을 단순화하고 필요한 가스 씰 수를 줄입니다.

4. 계기용 변압기 및 케이블 구획

아니요GIS측정 없이 완료됩니다. CT(변류기) 및 VT(전압 변압기)는 보호 계전기, 계량기 및 SCADA 시스템이 전력 시스템을 모니터링하고 제어하는 ​​데 필요한 신호를 제공합니다. GIS에서 CT는 회로 차단기가 케이블 구획에 연결되는 부싱 주위에 장착되는 환상형 코어인 경우가 많습니다. VT는 유도성 또는 용량성일 수 있으며 보호 및 계량 방식에 따라 버스바 또는 피더 측에 연결됩니다.

케이블 구획은 외부 고전압 케이블이 패널에 들어가 내부 도체에 연결되는 곳입니다. 건조 공기를 사용하는 SF₆-free GIS에서 케이블 구획은 개폐 장치와 동일한 밀봉 가스 용량의 일부이거나 설계에 따라 기밀 부싱으로 분리됩니다. 케이블 종단은 일반적으로 케이블과 스위치기어 사이에 완전 절연 및 완전 차폐 인터페이스를 제공하는 탄성 커넥터를 사용하는 플러그인 유형입니다.

5. 저전압 제어실

전면 패널 도어 뒤에는 보호 계전기, 제어 스위치, 터미널 블록, 보조 접촉기, 통신 게이트웨이 등 GIS의 지능이 자리잡고 있습니다. 이 격실은 접지 전위에 있으며 밀봉된 부싱에 의해 고전압 가스 격실과 격리되어 있습니다. 트리핑, 폐쇄, 표시 및 통신을 위한 모든 보조 배선이 여기로 연결됩니다.

저전압 구획의 제작 품질은 제조업체의 전반적인 품질을 나타내는 신뢰할 수 있는 지표입니다. 깔끔하게 정리된 배선, 명확하게 라벨이 붙은 단자, 적절하게 구성된 보호 계전기는 고객이 쉽게 검사할 수 없는 패널 부분에도 유사한 주의가 기울여졌음을 나타냅니다.

가스 단열 물리학 왜 가스를 사용해야 할까요?

 대답은 물질의 기본 속성인 유전 강도에 있습니다.

공기, 오일, 고체 에폭시, 가스 등 모든 절연 재료는 파손되어 전도되기 전에 견딜 수 있는 전기장에 한계가 있습니다. 대기압 공기의 경우 해당 제한은 밀리미터당 약 3kV입니다. 적당한 압력에서 SF₆의 경우 약 3배 더 높습니다. 이는 SF₆로 채워진 탱크 내부의 도체가 플래시오버 위험 없이 공기 중에서보다 훨씬 더 가깝게 배치될 수 있음을 의미합니다. 결과적으로 전체 스위치기어 패널이 수축됩니다.

메커니즘은 분자입니다. SF₆는 전기 음성 기체입니다. SF₆의 분자는 자유 전자를 쉽게 포착하여 전기장에서 천천히 이동하고 전자 사태를 유지하는 데 약한 무거운 음이온을 형성합니다. 이 특성은 SF₆에 높은 유전 강도와 뛰어난 아크 소호 능력을 부여합니다.

건조한 공기와 질소는 더 간단한 원리로 작동합니다. 절연 내력은 동일한 압력에서 SF₆보다 낮지만 탱크 형상이 적절한 간격으로 설계되면 중간 전압 애플리케이션에 충분합니다. 트레이드오프는 동일한 전압 정격에 대해 약간 더 큰 탱크 용량이며, 이는 대부분의 제조업체와 사용자가 이제 SF₆의 지구 온난화 잠재력(CO2의 23,500배)을 제거하는 대가로 받아들이는 엔지니어링 절충안입니다.

인터록 작동 방식

GIS를 정의하는 특징 중 하나는 종종 "5가지 방지" 인터록이라고 불리는 기계적 인터로킹 시스템입니다. 이러한 인터록은 순전히 기계적이며 전력, 소프트웨어 또는 사람의 기억에 의존하지 않습니다.

논리는 간단하지만 용서할 수 없습니다.

1. 단로기가 완전히 열리거나 완전히 닫히지 않으면 회로 차단기를 닫을 수 없습니다.

2. 차단기가 닫혀 있는 동안에는 단로기를 작동할 수 없습니다.

3. 회로에 전원이 공급되는 동안 접지 스위치를 닫을 수 없습니다.

4. 접지 스위치가 작동되어 있는 동안에는 회로 차단기를 투입할 수 없습니다.

5. 접지 스위치를 닫지 않으면 케이블 수납부 도어를 열 수 없습니다.

이러한 규칙은 조건이 만족되지 않을 때 작동 핸들이나 도어 래치를 물리적으로 차단하는 캠, 레버 및 슬라이딩 볼트에 의해 시행됩니다. 패널 앞에 서 있는 작업자의 경우 이는 안전하지 않은 일련의 작업이 단순히 금지되는 것이 아니라 기계적으로 불가능하다는 것을 의미합니다.

SF₆-Free GIS: 동일한 원리, 더 안전한 가스

SF₆-free GIS의 작동 원리는 기존 SF₆ GIS의 작동 원리와 동일합니다. 동일한 구획, 동일한 진공 차단기, 동일한 단로기 및 접지 스위치, 동일한 인터록. 변화하는 유일한 것은 밀폐된 탱크 내부의 가스입니다.

코테넬레의 중전압 GIS는 건조한 공기를 절연 매체로 사용합니다. 가스는 공장에서 스테인레스 스틸 탱크 내부에서 정화, 제습 및 밀봉됩니다. 탱크의 누출 여부를 테스트한 후 전체 30년 설계 수명 동안 밀봉된 상태로 유지됩니다. 작업자가 읽을 수 있는 압력 게이지도 없고, 재충전 포트도 없으며, 따라야 할 가스 관련 유지 관리 절차도 없습니다. 가스 시스템은 사용자의 관점에서 볼 때 보이지 않습니다.

이 접근 방식은 최종 사용자에게 세 가지 실질적인 이점을 제공합니다.

• 환경 준수.SF₆가 없다는 것은 F-가스 보고 의무가 없고 누출 감지 프로그램이 없으며 수명이 다한 가스 회수가 없음을 의미합니다. 장비는 예외나 해결 방법 없이 EU F-가스 규정을 준수합니다.
• 단순화된 유지 관리.패널 도어를 여는 유지보수 기술자는 다른 최신 GIS에서와 동일한 진공 회로 차단기, 동일한 단로기 메커니즘 및 동일한 보호 계전기를 찾습니다. 이해해야 할 가스 취급 장비가 없습니다.
• 미래 보장형 투자.SF₆ 제한이 전 세계적으로 강화됨에 따라 SF₆를 포함하지 않는 장비는 강화된 서비스 제한, 가스 비용 상승 또는 필수 개조 요구 사항에 직면하지 않습니다.

GIS가 사용되는 곳

GIS 기술은 공간이 제한되어 있거나 신뢰성이 중요하거나 환경 조건으로 인해 공기 절연 장비가 실용적이지 않은 모든 곳에 배포됩니다.

• 부동산 비용으로 인해 소형 장비가 재정적으로 필요한 도시 변전소.
• 개폐 장치가 유지 보수 접근이 제한된 원격, 때로는 열악한 환경에서 안정적으로 작동해야 하는 풍력 발전 단지 수집 변전소.
• 가동 시간 보장 및 ESG 약속을 준수하는 데이터 센터에는 SF₆가 없고 유지 관리가 적은 장비가 필요합니다.
• 노출된 공기 절연 도체의 품질을 저하시킬 수 있는 부식성 대기, 높은 먼지 수준 또는 높은 습도가 있는 산업 플랜트.
• 공항, 지하철, 터널과 같은 인프라에서는 화재 안전과 소형화가 타협할 수 없습니다.

자주 묻는 질문

Q: 가스가 누출되면 GIS를 수리할 수 있나요?

A: 평생 밀봉된 건조 공기 GIS의 경우 탱크는 공장에서 용접 및 테스트되었으며 현장에서 열 수 있도록 설계되지 않았습니다. 탱크가 손상되면 일반적으로 전체 패널을 교체합니다. 이것이 바로 제조 중 탱크 무결성 테스트가 중요한 이유입니다. 그러나 적절하게 제작된 밀폐형 탱크에서 가스가 누출되는 경우는 장비 수명 동안 극히 드뭅니다.

Q: 진공 차단기가 여전히 작동하는지 어떻게 알 수 있나요?

A: 진공 무결성은 개방형 접점에 대한 고전위 테스트를 통해 일상적인 공장 테스트 중에 검증됩니다. 사용 중인 진공 단속기는 유지 관리가 필요 없으며 시간이 지나도 성능이 저하되지 않습니다. 유일한 마모 메커니즘은 오류 중단 중 접촉 침식이며 이는 차단기의 정격 전기 내구성에 영향을 미칩니다.

Q: 건조 공기 GIS는 SF₆ GIS보다 물리적으로 더 큽니까?

A: 최대 40.5kV의 중전압 수준에서는 크기 차이가 최소화되며 표준 패널 크기에 맞습니다. 제조업체는 건조한 공기 설계의 설치 공간을 최소화하기 위해 수년간의 개발을 통해 탱크 형상을 최적화했습니다.

Q: GIS에는 어떤 표준이 적용되나요?

A: 금속으로 둘러싸인 GIS는 IEC 62271-200에 따라 유형 테스트를 거쳤습니다. 내부 회로 차단기는 IEC 62271-100에 따라 테스트되었습니다. 내부 아크 분류(IAC)는 IEC 62271-200 부록 A에 따라 테스트됩니다. COTENELE은 모든 견적과 함께 독립적인 IEC 인증 실험실의 완전한 유형 테스트 인증서를 제공합니다.

결론: 기본의 숙달

가스 절연 스위치기어는 가스 분위기에서 고전압 도체를 밀봉하여 서로 절연하고 접지하는 방식으로 작동하므로 전체 어셈블리를 공기 절연 스위치보다 훨씬 작게 만들 수 있습니다. 밀폐된 환경 내에서 진공 차단기는 회로를 차단하고 단로기는 눈에 보이는 절연을 제공하며 접지 스위치는 장비를 만져도 안전하게 만들고 기계적 인터록 네트워크는 이러한 작업이 올바른 순서로만 수행될 수 있도록 보장합니다.

SF₆에서 건조한 공기로의 전환은 이러한 기본 아키텍처를 변경하지 않았습니다. 수천 년 동안 환경에 대한 책임을 지지 않는 가스로 대체했을 뿐입니다. 엔지니어와 구매자의 경우, GIS 작동 방식을 이해하는 것은 올바른 장비를 지정하고, 제조업체의 주장을 확인하고, 현재 설치된 스위치기어가 지금으로부터 30년 후에도 여전히 네트워크를 보호할 수 있도록 보장하기 위한 기초입니다.

코테넬레은 건조 공기 절연 및 진공 차단을 사용하여 SF₆ 없는 가스 절연 개폐 장치를 제조하고 IEC 62271-200에 따라 유형 테스트를 거쳤습니다. 당사의 엔지니어링 팀은 입찰 단계에서 유형 테스트 인증서 및 정기 테스트 보고서를 포함한 완전한 문서 패키지를 제공하여 고객이 자신있게 지정할 수 있도록 합니다. 다음 프로젝트를 위한 SF₆ 없는 GIS를 찾고 계십니까?COTENELE는 유틸리티, 재생 에너지, 데이터 센터 및 산업용 애플리케이션을 위한 12kV ~ 40.5kV SF₆ 없는 가스 절연 스위치기어, 링 메인 장치 및 진공 회로 차단기를 공급합니다.

코테넬레SF₆-Free 가스절연 개폐장치, 진공 차단기, 링 본체, 12kV~40.5kV용 금속 피복 패널 등 중압 개폐 장치 전문 제조업체입니다. 당사의 제품은 유럽, 아시아 및 중동 전역의 유틸리티, 데이터 센터 운영자, 재생 에너지 개발자 및 산업 구매자에게 서비스를 제공합니다.