배전 시스템에서 고압 개폐 장치가 작동하는 방식

생산과 소비 사이의 중추

현대 도시를 거닐다 보면 다음과 같은 수십 개의 설치물을 지나게 됩니다.중간 전압 개폐 장치한 번도 본 적 없이. 그들은 표시가 없는 건물 내부, 변전소 울타리 뒤, 상업용 타워 지하, 산업 단지 가장자리에 앉아 있습니다. 이는 전력이 전송 수준 전압에서 공장, 데이터 센터, 병원 및 아파트 블록이 실제로 사용하는 전압으로 전환되는 전기 노드입니다.

고압 개폐 장치는 배전 체인에서 특정 위치를 차지합니다. 이는 장거리에 걸쳐 전력을 전달하는 110kV, 220kV 또는 400kV 라인과 같은 고전압 전송 네트워크와 최종 사용자 장비에 연결되는 400V 또는 230V의 저전압 배전 네트워크 사이에 위치합니다. 일반적으로 적용되는 표준에 따라 1kV 이상, 최대 40.5kV 또는 52kV의 전압으로 정의되는 중전압 범위는 대량 전력이 세분화되어 시설이나 지리적 영역 전체에 걸쳐 다양한 부하로 라우팅되는 곳입니다.

이 기사에서는 고압 개폐 장치가 시스템 수준에서 작동하는 방식, 수행하는 기능, 그리고 개폐 장치 사양의 선택이 전체 배전 네트워크 다운스트림의 안전성, 신뢰성 및 운영 비용에 영향을 미치는 이유를 설명합니다.

시스템에서 중압 개폐 장치가 위치하는 위치

중전압 스위치기어의 기능을 이해하려면 그리드에서 부하까지의 전력 경로를 추적하는 것이 도움이 됩니다.

일반적인 산업 또는 상업 시설은 지역 전력회사로부터 중간 전압(국가에 따라 10kV, 11kV, 20kV 또는 33kV)으로 전력을 공급받습니다. 이 전력은 지하 케이블이나 가공선을 통해 도착하여 중압 배전반 어셈블리인 시설의 주 배전반으로 들어갑니다. 거기에서 회로 차단기와 부스바를 통해 여러 목적지로 흐릅니다. 일부 피더는 시설 내 일반 배전을 위해 전압을 400V까지 낮추는 변압기로 이동합니다. 다른 피더는 부하가 너무 커서 저전압에서 경제적으로 서비스를 제공할 수 없기 때문에 중간 전압에서 대형 모터, 냉각기 또는 압축기에 직접 서비스를 제공할 수 있습니다. 또 다른 피더는 가스 터빈이나 백업 디젤 발전기와 같은 현장 발전이나 옥상 태양광 인버터와 같은 재생 에너지원에 연결할 수 있습니다.

고압 개폐 장치는 이러한 모든 전력 흐름의 제어 지점입니다. 각 피더를 개별적으로 연결하거나 분리할 수 있습니다. 각 피더를 결함으로부터 보호할 수 있습니다. 신뢰성을 향상시키기 위해 버스를 별도의 섹션으로 분할할 수 있습니다. 또한 시설 운영자가 특정 순간에 전기 시스템이 수행하는 작업을 이해하는 데 사용하는 측정 및 모니터링 지점을 제공합니다.

핵심 기능중압 배전반

고압 개폐 장치는 배전 시스템에서 네 가지 기본 기능을 수행합니다. 각 항목을 이해하면 장비가 현재의 방식으로 설계된 이유가 설명됩니다.

기능 1: 정상 조건에서 전환

개폐 장치의 가장 기본적인 기능은 정상 부하에서 회로를 연결하고 분리하는 것입니다. 생산 라인의 공급 장치는 라인이 작동 중일 때 전원을 공급하고 유지 관리를 위해 전원을 차단해야 합니다. 발전기 회로 차단기는 발전기가 온라인 상태가 되면 닫혀야 하고, 오프라인 상태가 되면 열려야 합니다. 버스 커플러는 변압기의 사용이 중단될 때 버스바의 두 섹션을 연결해야 하며 나머지 변압기는 두 섹션 모두에 전원을 공급해야 합니다.

이러한 전환 작업은 일상적이지만 사소한 것은 아닙니다. 스위칭 장치는 과도한 아크나 접점 침식 없이 최대 부하 전류를 차단할 수 있어야 합니다. 서비스 수명 동안 이 작업을 수천 번 수행할 수 있어야 합니다. 그리고 패널 앞에 서 있는 작업자의 안전을 침해하지 않는 방식으로 그렇게 해야 합니다.

진공 회로 차단기는 오늘날 대부분의 고압 애플리케이션에서 이 역할을 수행합니다. 진공 차단기는 이온화할 가스가 없고, 품질이 저하될 오일이 없으며, 유지할 것이 없는 밀봉된 세라믹 병 내부의 아크를 소멸시킵니다. 스위칭 주파수가 낮은 애플리케이션의 경우, 전체 회로 차단기보다 간단하고 저렴한 부하 차단 스위치를 오류 전류를 차단할 것으로 예상되지 않는 피더에 사용할 수 있습니다.

기능 2: 오류 보호

정상적인 조건에서 전환하는 것이 배전반의 일상적인 작업이라면 오류 보호가 중요한 임무입니다. 위상 사이 또는 위상과 접지 사이의 단락인 오류는 시각화하기 어려운 규모로 에너지를 방출할 수 있습니다. 결함 지점의 전류는 밀리초 내에 수만 암페어까지 상승할 수 있습니다. 이 전류에 의해 생성된 열적, 기계적 힘은 장비를 파괴하고, 화재를 일으키고, 인원에게 부상을 입힐 수 있습니다.

개폐 장치는 이러한 결과가 발생하기 전에 오류를 감지하고 전류를 차단하며 오류가 발생한 부분을 격리해야 합니다. 이를 위해서는 비정상적인 전류를 감지하는 보호 계전기, 이를 차단할 수 있는 회로 차단기, 네트워크의 정상 부분에 대한 부수적 손상을 제한하는 시스템 설계 등 세 가지가 함께 작동해야 합니다.

고압 보호 계전기는 점점 더 정교해지고 있습니다. 최신 수치 계전기는 다양한 유형의 결함을 구별하고, 보호된 피더의 결함과 다운스트림 결함을 구별하며, 엔지니어가 이벤트 후 발생한 상황을 이해하는 데 도움이 되는 파형 데이터를 기록할 수 있습니다. 그러나 릴레이는 트립 신호만 보낼 수 있습니다. 그런 다음 회로 차단기는 결함 전류의 전체 전자기력에 대해 접점을 물리적으로 분리하고 접점 사이에 형성되는 아크를 소멸하며 재점화를 방지할 수 있을 만큼 빠르게 절연 내력을 회복해야 합니다. 이는 정격 단락 차단 전류가 25kA 또는 31.5kA인 진공 회로 차단기를 설계하고 테스트한 것입니다.

기능 3: 안전을 위한 격리

오류 보호 기능은 위험한 상황을 자동으로 해결합니다. 격리는 사람들이 작업할 수 있는 장비를 안전하게 만들기 위해 취하는 의도적인 조치입니다.

유지 관리 팀이 변압기, 케이블 종단 또는 회로 차단기 자체에 접근해야 하는 경우 회로에 눈에 띄고 검증 가능한 차단 장치가 필요합니다. 회로에 실수로 다시 전원이 공급될 수 없다는 점을 알아야 합니다. 그리고 잔류 전압이나 유도 전압으로 인해 위험이 발생하지 않도록 장비를 접지에 연결해야 합니다.

중압 개폐 장치는 회로 차단기, 단로기 및 접지 스위치의 조합을 통해 이를 제공하며 모두 연동되어 작동이 안전한 순서를 따라야 합니다. 작업자는 먼저 회로 차단기를 연 다음 단로기를 열어 눈에 보이는 절연 간격을 만든 다음 접지 스위치를 닫아 절연 섹션을 접지해야 합니다. 기계적 인터록은 이러한 단계가 순서대로 수행되는 것을 방지합니다. 현대 모든 차량에 표준으로 적용되는 '5대 예방' 연동 시스템입니다.중간 전압 개폐 장치.

기능 4: 측정 및 모니터링

데이터 없이는 어떤 배전 시스템도 관리할 수 없습니다. 전류 측정은 시스템이 수행하는 작업을 보호 계전기에 알려줍니다. 전압 측정을 통해 전력 품질 모니터링 및 동기화 확인이 가능합니다. 에너지 측정은 청구 및 비용 할당의 기초입니다. 그리고 온도, 부분 방전, 메커니즘 이동 시간 등 스위치기어 자체의 상태 모니터링 데이터를 사용하여 오류가 발생하기 전에 유지 관리가 필요한 시기를 예측하는 경우가 점점 늘어나고 있습니다.

고압 개폐 장치에는 이러한 모든 측정 기능이 통합되어 있습니다. 변류기 및 전압 변압기는 케이블 구획이나 부스바에 장착됩니다. 보조 출력은 저전압 구획의 보호 계전기, 미터 및 변환기에 연결됩니다. 최신 설치에서 이러한 장치는 IEC 61850, Modbus 또는 Profibus와 같은 디지털 프로토콜을 통해 시설의 중앙 SCADA 또는 에너지 관리 시스템과 통신합니다. 개폐 장치 패널은 전원 장치이자 데이터 소스입니다.

배전 시스템의 배전반 구성

배전 시스템에서 개폐 장치 패널의 물리적 배열은 임의적이지 않습니다. 이는 시설의 운영 철학과 서비스되는 부하의 신뢰성 요구 사항을 반영합니다.

단일 버스바

가장 간단한 구성은 들어오고 나가는 모든 공급 장치가 연결된 단일 버스바입니다. 단일 변압기가 버스에 전원을 공급합니다. 변압기에 오류가 발생하거나 유지 관리를 위해 서비스가 중단되면 해당 버스의 모든 부하에 전원이 공급되지 않습니다. 이 구성은 비용이 저렴하고 작동이 간단하지만 중복성을 제공하지 않습니다. 소규모 상업용 건물, 중요하지 않은 산업 공정, 임시 건설 공급 등 공급 중단의 결과가 허용되는 곳에서 사용됩니다.

구분된 단일 버스바

버스 섹션 회로 차단기를 추가하면 독립적으로 작동하거나 함께 연결될 수 있는 두 개의 버스바 섹션이 생성됩니다. 각 섹션은 자체 변압기로 전원을 공급받습니다. 하나의 변압기에 장애가 발생하면 버스 커플러가 닫히고 건강한 변압기가 두 섹션 모두에 전원을 공급합니다. 전송 중에 로드가 잠시 중단되지만 서비스는 빠르게 복원됩니다. 이는 유지 관리를 위해 일부 가동 중지 시간은 허용되지만 전체 공급 손실은 허용되지 않는 중형 산업 플랜트 및 상업 시설에 가장 일반적인 구성입니다.

메인-타이-메인

메인-타이-메인 구성은 각각 자체 메인 수신 차단기와 변압기가 있는 두 개의 개별 버스 섹션 사이에 버스 커플러를 배치합니다. 커플러는 일반적으로 열려 있습니다. 변압기 중 하나가 손실되면 커플러가 자동으로 닫히거나 작업자 작업을 통해 닫힙니다. 이 구성은 커플러 작동이 자동화될 수 있고 작업자 개입 없이 전송이 발생할 수 있기 때문에 단순한 분할형 버스보다 더 높은 신뢰성을 제공합니다. 병원, 데이터 센터, 연속 공정 산업 플랜트와 같은 중요한 시설에서 사용됩니다.

링 메인 유닛(RMU) 구성

대학 캠퍼스, 도시 배전망, 풍력 발전소 수집 시스템 등 지리적으로 분산된 여러 부하를 서비스하는 배전망의 경우 링 기본 장치 구성이 표준 솔루션입니다. 여러 개의 RMU 패널이 링으로 연결되어 있으며, 각 패널에는 일반적으로 링 피더용 부하 차단 스위치 2개와 로컬 변압기용 회로 차단기 또는 퓨즈 스위치 1개가 포함되어 있습니다. 전원은 링 주위의 어느 방향으로든 흐를 수 있습니다. 링의 어느 곳에서나 케이블 결함이 발생하면 결함에 인접한 2개의 RMU 패널이 손상된 부분을 격리할 수 있으며 다른 모든 부하는 링의 건강한 쪽에서 계속 전원을 공급받습니다. 이 아키텍처는 전체 공급 인프라를 복제하는 것보다 훨씬 낮은 비용으로 방사형 시스템이 따라올 수 없는 수준의 공급 신뢰성을 제공합니다.

COTENELE은 영구 밀봉된 스테인리스 스틸 탱크의 절연 매체로 건조 공기를 사용하여 링 메인 애플리케이션에 24kV SF₆ 없는 RMU를 공급합니다. RMU 모듈(수신, 발신, 변압기 보호, 버스 커플러 및 직접 계량)은 프로젝트 단선 다이어그램과 일치하도록 구성할 수 있는 표준화되고 유형 테스트를 거친 하위 어셈블리로 제작됩니다.

배전반에서 SF₆-Free로의 전환

지난 10년 동안 중전압 개폐 장치의 중요한 발전은 절연 및 아크 소호 매체로서 SF₆가스에서 벗어나는 것입니다. 이는 SF₆가 전통적으로 모든 충전 부품을 둘러싸는 밀봉된 탱크를 채우는 데 사용되었던 가스 절연 개폐 장치 및 링 메인 장치와 특히 관련이 있습니다.

이러한 전환의 원동력은 환경 규제이며, 특히 현재 유럽 시장에서 최대 24kV의 새로운 SF₆ 스위치기어를 금지하는 EU F-가스 규정이 있습니다. 그러나 전환은 건전한 엔지니어링 논리로도 지원됩니다. 건조한 공기와 질소는 지구 온난화 가능성이 전혀 없고, 수명이 다한 후에도 특별한 처리가 필요하지 않으며, F-가스 기록 보관 및 누출 보고에 대한 행정적 부담을 없애줍니다. 수십 년 동안 회로 차단기 애플리케이션의 표준이었던 진공 차단은 가스가 전혀 없이 아크 소호 기능을 제공합니다.

시설 운영자의 경우 SF₆RMU와 건조 공기 RMU 간의 실질적인 차이는 전기 성능 측면에서 미미합니다. 둘 다 동일한 IEC 62271-200 표준에 따라 유형 테스트를 거쳤습니다. 차이점은 운영 절차에서 나타납니다. 평생 밀봉된 탱크가 있는 건조 공기 RMU에는 모니터링할 가스 압력이 없고, 유지해야 할 재충전 일정이 없으며, 수명이 다한 가스 회수를 준비할 필요가 없습니다. 수백 개의 변전소를 관리하는 유틸리티 또는 산업 운영자의 경우 이러한 단순화는 실질적인 가치를 갖습니다.

배전 시스템 설계: 배전반 사양

고압 개폐 장치를 지정하는 엔지니어의 경우 여러 결정에 따라 최종 시스템 구성이 정의됩니다.

전압 및 결함 수준. 시스템 전압은 스위치기어의 유전체 설계를 결정합니다. 사용 가능한 고장 전류에 따라 필요한 단락 차단 용량이 결정됩니다. 둘 다 업스트림 그리드 연결과 변압기 임피던스에 의해 설정됩니다. 결함 등급을 과소 지정하는 것은 위험합니다. 과도하게 지정하면 불필요한 비용이 추가됩니다. 올바른 숫자는 단락 연구에서 나온 것입니다.

부스바 구성. 단일 부스바, 단면형 부스바, 메인 타이 메인 구성 중에서 선택하는 것은 신뢰성 요구 사항과 예산에 따라 달라집니다. 신뢰성이 높은 구성은 패널 수, 비용 및 복잡성을 추가하지만 장기간 정전의 가장 일반적인 원인인 변압기 오류로부터 보호합니다.

회로 차단기 대 퓨즈 접촉기. 변압기에 전원을 공급하는 피더의 경우 회로 차단기는 과부하 및 단락 보호 기능을 모두 제공합니다. 모터에 공급되는 피더의 경우 퓨즈형 접촉기가 더 경제적일 수 있으며 모터 관련 결함 조건에 대해 더 나은 보호 기능을 제공할 수 있습니다. 결정은 부하 유형과 필요한 보호 조정 수준에 따라 달라집니다.

고정형 대 인출형. 고정 개폐 장치는 더 간단하고 비용이 저렴하지만 회로 차단기를 유지 관리하려면 전체 버스 섹션의 전원을 차단해야 합니다. 인출형 개폐 장치를 사용하면 버스에 전원이 공급되는 동안 유지 관리를 위해 차단기를 랙아웃할 수 있습니다. 가동 중지 시간이 매우 큰 중요 시설의 경우 일반적으로 철회 가능한 구성이 정당화됩니다.

통합과 커뮤니케이션. 스위치기어는 시설의 보호 및 제어 시스템과 인터페이스해야 합니다. 통신 프로토콜, 전류 및 전압 변압기의 유형 및 수량, 보호 계전기 및 제어 회로의 보조 전원 공급 장치는 모두 사양에 정의되어야 합니다.