SF6가스의 특성 / 공기 절연형과 가스 절연형 특성 비교

SF6가스의 특성 / 공기 절연형과 가스 절연형 특성 비교

 

 

1. SF6가스의 순도 관리

1) 사용전 가스의 순도관리

SF6 가스의 순도는 국제전기표준위원회(IEC : International Electrochnical Commission) 규격(Publication 376) 및 국내,외의 주요 G.I.S 제작사 별로 별도의 관리 기준이 있으나 대부분이 IEC 규격을 준용하고 있다.

 

< 표01. 사용전 가스의 순도 >

 

2) 불순물의 종류

SF6 가스중의 불순물은 CF4, 수분, 공기, 불화물 및 유분이 있으며 이것은 사용전인 가스중에도 위의 표에 나타난 것과 같이 불순물이 미량 포함되어 있으며 실용상 무시해도 사용에는 아무런 지장이 없다. 그러나 가스를 재사용하는 경우에는 가스 회수장치의 취급에 의하여 수분과 유분이 약간 혼입되는 경우도 있으나 가스 회수장치는 이것을 제거하는 필터를 각각의 부분마다 설치하여 직접 정화하고 있다.

 

3) 순도와 절연특성 관계

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SF6 가스의 절연특성 시험에는 교류 상용주파 파괴전압, 뇌 임펄스 파괴전압, 개폐 임펄스 파괴전압, 직류 파괴전압 등이 있으며 아래 그림들은 SF6 가스중에 불순물(주로 질소가스)이 혼입된 경우에 실시한 특성시험 결과를 나타낸 도표이다.

 

4) 순도와 소호특성

다음 표는 SF6 가스와 질소가스의 혼합가스(가스압력 5 [㎏/㎠])를 사용하여 근거리 선로 고장 차단시험(소호 특성 시험)을 실시한 결과를 나타낸 것이다.

 

< 표02. 혼합가스의 근거리 선로 고장시의 차단성능 >

위의 표에서 볼 때 차단성능은 대체로 SF6 가스의 분압에 비례하여 저하하는 것을 알 수 있다. 또한 일반적으로 경보압력과 폐쇄압력의 차이는 10%정도로 설정하며 폐쇄압력에 성능을 보정할 경우 SF6 가스 순도는 90%로 실용상 별다른 문제가 없다.

 

5) 순도 관리

SF6 가스의 순도 관리치는 아래 표와 같이 97%이상을 유지하여야 하며 이것은 가스절연 개폐장치의 사고를 미연에 방지하는 예방보전의 차원에서 관리하는 관리치이다.

 

< 표03. SF6 가스 순도 관리치 >

 

< 표04. SF6 가스 절연기기의 분류 >

 

< 표05. 가스중의 수분 관리치 및 허용치 >

① 분해가스를 발생하지 않는 기기

모선 및 단로기 등으로 기본적인 가스중 수분의 노점은 허용치 0℃, 관리치 -5℃이하로 하면 실용상 지장이 없으며 가스절연 개폐장치(G.I.S) 종류마다 가스압은 차이가 있다. 수분의 관리치 및 허용치는 위의 표로 나타냈으며 허용치는 1,000ppm(체적)이고 관리치는 500ppm(체적)으로 설정하였다.

 

② 분해가스를 발생하는 기기

가스 차단기 등은 위의 표 소분류 (4)항과 같이 가스중 수분량은 400ppm(체적) 이하로 하면 실용상에는 지장이 없으며 여유로 보는 허용치는 300ppm(체적)으로 현재 제작사의 관리상태 및 관리실적에서 종합적인 관리치는 허용치의 ½인 150ppm(체적당)으로 설정하면 양호하다.

 

 

2. 흡착제 투입량 결정

SF6 가스중의 수분 및 분해 가스량은 가스 절연기기의 절연에 영향을 미치며 이때의 기기는 관리치 내로 관리해야 한다. 그리고 각 기기에 수분 및 분해가스 발생시 양쪽 두 성분을 흡착할 때에 흡착제를 투입한다. 투입량은 차단기에 영향을 주는 분해 가스 량이 발생하는 기기는 분해가스와 수분 흡착용을 함께 투입하고 모선과 같은 발호가 없는 기기는 수분 흡착용만 투입한다. 다음은 흡착방식에 따른 흡착제의 소요량 결정방법이다.

1) 흡착 방식

흡착방식에는 일반적인 방법으로 정적 흡착과 동적 흡착방법이 사용된다.

 

2) 흡착제 소요량 결정

흡착제 소요량을 결정하는 조건은 아래 사항에 의한다.

- 수분량을 관리치 이내로 맞출것.

- 규정회수의 전류차단에 의하여 발생하는 분해가스를 흡착할것.

- 흡착제의 교환을 목적으로 할 때는 가스 주입구부분을 개방할 수 있을 것.

 

< 표06. 규정 동작 회수 >

 

 

3. 수분과 분해가스

1) SF6 가스의 분해현상

SF6 가스는 상온에서는 극히 안정된 가스이나 전류 아-크에 의하여 분해현상이 일어난다. 아래 그림은 고온에서 SF6 가스의 분해상황을 나타낸 것이다. 분해 시에 발생한 가스는 소호 후 급속도로 재결합하고 대부분은 원상태의 안정된 SF6 가스로 되돌아간다. 일반적으로 재결합의 과정에서 극히 일부분의 성분은 발호 전극재료(동-텅스텐 합금)로 미량의 가스중 수분과 반응하며 이때의 화학식은 다음과 같다.

SF6 ＋ Cu H2O 공존 SF4 ＋ H2O = CuF2 ＋ SF4O → SOF2 ＋ 2HF

3SF6 ＋ W WF6 ＋ 3H2O= WF6 ＋ 3SF4 WO2 ＋ 6HF

 

2) 분해시 발생하는 가스의 종류

개폐기기에서 전류가 차단될 때 발생하는 가스는 SF4 SF2 S2F2 이며 이 가스중 SF2 S2F2 는 아-크에 의해서 가열되고 결국은 SF2 로 흡착된다.

2SF2 → SF4 ＋ S

2S2F2 → SF4 ＋ 3S

 

실용적인 범위(예, 정격차단전류에 의한 차단 20회 정도)에서의 측정은 SF4 를 검출하게 되며 여기서 SOF2 와 SO2F2 등을 검출한다. 다음 식은 SF4 가 수분과 반응하여 SOF2 와 HF를 발생시키는 화학 반응식을 나타내며 위의 그림은 개폐기기 내의 SF6 가스의 분해 현상을 나타낸 것이다.

SF4 ＋ H2O → SOF2 ＋ 2HF

따라서 기기 내부에 수분이 많은 경우 위의 반응식을 성립시키는 차단회수가 증가함에 따라 다량의 SF4 가스가 검출되는 것을 알 수 있다.

 

3) 분해가스와 절연물 관계

SF6 가스는 아-크에 의해서 분해가스가 발생하지만 거의 대부분 급속하게 재결합하여 원래의 안정된 상태 즉 SF6 가스로 되돌아 간다. 이때 화학적인 반응이 강한 분해가스는 SF4, SOF2 로서 이들 가스는 다량의 수분과 반응하면 절연재료와 금속표면을 산화시키며 이것이 열화의 원인이 되어 위험한 관계에 이르게 된다. 그러나 열화의 메카니즘은 절연재료의 종류에 따라 약간의 차이는 있다. 아래 그 림은 SF4 의 대표적인 분해가스와 수분에 의한 절연물의 연면저항의 열화 측정결과를 나타내고 있으며 SF4 5%는 수분량 400ppm 과 SF4 1%는 수분량 1,000ppm으로 절연저항의 저하치를 알 수 있다.

 

또 차단기에 발생하는 분해 가스량은 차단전류, 차단회수 및 접촉재료에 따라 결정되며 흡착제를 사용하는 경우에는 장기간 사용시 1～3%정도로 추정할 수 있다. 그리고 흡착제를 봉입하는 경우 과거에 사용하던 가스에 존재하는 잔존 분해가스는 가스속의 수분량을 400ppm이하로 관리하면 아무런 문제가 되지 않는다. 동종의 에폭시 절연물에서 외부 연면의 영향에도 동일한 결과로 표시된다.

 

분해가스와 수분에 의한 연면 절연저항의 변화를 나타낸 것이다. 이것은 분해 가스량이 1% 이하로 가스중의 수분량이 400~500ppm 이하이면 절연물에는 거의 영향이 미치지 않음을 알수 있다. 다음 표는 차단전류, 차단회수와 분해가스 발생 량의 계산 예를 나타낸 것이다. 실리카 주입에 의한 표면 절연저항의 저하는 수분과의 반응시 분해가스의 고 전해질인 H2SiF6를 생성하는 것을 볼 수 있다.

SiO2 ＋ 4HF → SiF4 ＋ 2H2O

SiF4 ＋ 2HF ＋ H2O → H2SiF6 ＋ H2O

 

< 표07. 차단전류와 분해가스 발생량 비교 >

 

< 표08.  제작사별 정격 가스압력 >

 

 

4. 가스압력과 절연특성 관계

기기의 내전압에서 차단기는 폐쇄압력을 기타 기기는 경보압력에 소정의 절연내력을 설정하며 일반적으로 압력이 기준치이하인 경우는 다음 그림과 같이 내전압치 관계에서 연면절연은 저하하는 것을 알수 있다. 예를 들면 SF6 가스압력이 최저 경보압력에 30% 저하한 경우 기기의 내전압치(BIL기준)는 82% 정도의 절연내력을 나타낸다.

 

 

5. 가스 압력관리

차단기는 가스 압력을 경보 압력과 폐쇄 압력의 2단계로 설정하며 단로기, 변성기등 기타의 기기 들은 경보 압력 1단계로 설정한다. 경보 설정치의 정밀 점검은 6년으로 하고 가스누설 관리치는 1%/년으로 관리해야 한다.

 

 

6. 복합 절연특성

SF6 가스의 파괴전압은 가스압력 P(밀도)에 비례하는 특성을 나타낸다. Spacer와 같은 절연물에서는 파괴 전계강도 E의 최저 값으로 다음 식과 같이 나타낸다.

E = 8.9 P0.8 [㎸/㎜]

SF6 가스의 파괴전압은 가스압력에 거의 비례하여 상승하기 때문에 가스압력에 의하여 절연내력이 결정된다. 에폭시 절연물은 임펄스 전압이 50[㎸/㎜]의 절연내력이 기대되고 가스압력 0.1[Mpa]에서 큰 차이를 보이며 이 관계는 다음 그림과 같이 나타난다. 복합 절연은 SF6 가스 단독으로는 한계가 있기 때문에 파괴전압을 에폭시 절연물로 조합하여 맞추는 것으로 에폭시 절연물의 값에 맞게 상승시키는 구조로 되어 있다.

 

공기 속에서 복합 절연물로 잘 알려져 있는 것으로서 폴리머(polymer)절연이 있으며 이것을 SF6 가스 중에 응용한 것이 아래 그림과 같다.

 

반구 봉대 평판 갭에 원판형 방벽(barrier)과 사각형 방벽(barrier)을 삽입하고 있다. 원판형 방벽(barrier)을 삽입한 경우 정(+)극성 뇌 임펄스 50% flash-over 전압(+)V50 은 가스 압력 0.1～0.3[Mpa]의 범위에서 폴리머가 없는 경우에는 낮아진다. 그러나 확장 폴리머를 투입하는 경우에 (+)V50 은 가스 압력 0.1～0.2[Mpa] 범위에서 폴리머가 없는 경우보다 상승하게 된다. 이것은 반구봉 선단에 형성된 공간전하의 형성이 폴리머 형성에 의하여 확장되는 것으로 볼 수 있으며 구 전극에 있는 최대 전계 강도가 억제되어 (+)V50 이 상승한다. 이것으로 SF6 가스 중에는 전계 강도를 억제하는 경우에 내압을 향상시키게 된다. 이런 이유 때문에 전계강도를 억제하기 위하여 전극을 피복하는 방법이 있다. 전극에 절연물을 피복하면 전극 표면의 전계가 저감되는 것을 알 수 있다. 다음 그림은 반구봉 전극에 에폭시 절연물을 피복하여 나타나는 특성을 나타낸 것이다.

피복전극의 특성은 크게 다음 3가지로 구분할 수 있다.

 

A : 갭 길이가 짧은 영역의 전극간에 절연물을 투입하는 것과 가스 갭이 짧은 모양은 전계강도의 상승

을 초래한다. 이와 같은 파괴전압은 나 전극에서 저하한다.

B : 최대 전계강도의 억제가 이루어지며 파고전압이 상승한다. 최대 전계강도를 갖는 부분은 에폭시

선단과 에폭시의 유전율과 곡률반경, 두께에 의해서 결정된다.

C : 갭 길이가 비교적 긴 영역에 존재하는 최대 전계강도와 에폭시의 경계 부근에 나타나는 파괴전압

이 나전극에 의해서 저하한다. 그러나 에폭시의 피복을 전극, 전주 쪽으로 하면 이러한 부분이 없

어져 파괴전압을 더욱 상승시킬 수 있다.

 

이상에서와 같이 피복 절연은 B와 C영역의 경계부근을 적용하여 나전극과 비교하면 부(-)극성의 경우 약 1.5배의 전압향상 효과가 있다. 이러한 피복절연에 의한 전압상승 요인으로서는 피복에 의한 전극으로 부터 전자 방출억제와 전계강도 억제에 의한 부(-)이온 전자의 이탈억제 등 공간 전하를 억제하여 초기 전자의 형성을 늦추고 있는 것을 들수 있다.

 

 

7. SF6 가스의 기본특성

1) 압력 특성

가스 공간의 파괴 특성(파형, 인가 시간)은 일반적으로 다음 그림(전압과 시간 특성 패턴)과 같이 분류할 수 있다. 이것은 이론 파괴치에 대하여 어떠한 실측치인가를 나타낸 것으로서 크게 3개의 패턴으로 나누어진다. 가스 압력, 전계, 전극 면적 등에 의한 변화는 다음 표(가스 압력 pattern과 발생조건)에 나타낸 것과 같다.

 

< 표09.  가스 압력 pattern과 발생조건 >

 

2) 온도 특성

절연 내력의 향상을 위하여 혼합가스의 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 혼합가스는 각 가스의 분압의 합으로 파괴전압이 주어진다.

 

이 밖에 혼합 가스는 혼입되는 가스에 의하여 위의 그림(혼합 가스의 방전전하 특성)과 같이 나타내고 상향이나 하향의 특성이 되어 일률적인 특성을 가지는 것으로 나타난다. 다음 그림(SF6 가스농도 절연특성)은 공기와 SF6 혼합가스에 의한 구대 평판(평등전계) 갭과 봉대 평판(불평등 전계) 갭의 정극성 임펄스 방전전압 특성을 나타낸 것이다. 구대평판 갭이나 봉대평판 갭과 같은 불평등 전계에서는 SF6 가스와 공기의 혼합비에 의하여 내전압치가 변 화되며 어떠한 값 이상에서 최대치를 나타내게 된다. 다음 그림을 예로 들면 SF6 가스 90%, 공기 10% 부근에서 극대치를 이루며 SF6 가스 자체와 비교하면 약 1.2배의 내전압이 상승하게 된다. 또한 가스농도 저하에 대해서는 비교적 완만한 특성으로 SF6 가스 60%, 공기 40% 정도로 SF6 가스 자체와 동등한 것으로 되어 있다.

 

3) 관리 실태

우리 나라에서 G.I.S를 제작하는 각 제작사의 가스압력 관리방식은 다음 표와 같으며 정격 가스압력은 각 제작사 별로 다소 차이가 있다. 기기별 차이점을 살펴보면 차단기는 경보압력과 폐쇄압력을 설정하였으나 단로기, 변성기등 기타 기기들에 있어서는 경보압력 만을 설정하고 있다.

 

 

8. 가스 절연형 변전소 설계시 유의사항

가스 절연형 변전소에서도 재래식 공기 절연형 변전소와 비슷한 낙뢰 대책이 요구된다. 그러나 과 전압(over voltage)에 대한 기기 보호의 측면에서 보면 양자 사이에는 다음과 같은 장, 단점이 있다.

 

가스 절연형 기기의 전압-시간(V-T)특성은 공기 절연형 기기에 비하여 평탄하며 특히 급준파 영역에서는 절연협조가 매우 어렵다. Surge Impedance는 가공 송전선로의 약 1/5, 전력 케이블의 2~3배 정도이며 이로 인한 외부침입Surge의 진행 및 반사 특성이 공기 절연형 변전소와는 다르다.

 

공기 절연형 변전소에서는 주 변압기 보호 위주로 낙뢰대책을 수립하여 왔으나 가스 절연형 변전소에서는 기기 내 부의 Spacer등 유기 절연물에 대한 보호 대책도 함께 고려하지 않으면 않된다. 가스 절연형의 절연특성 및 선로측의 절연협조를 감안하여 선로 인입구 모선 및 변압기 전단 등의 1개소 또는 여러 개소의 적당한 위치에 소정의 피뢰기를 설치하여야 한다.

 

가스 절연형 변전소의 경우 선로 인입구에 피뢰기를 설치하면 전체적으로 보호효과가 있으므로 선로측에 설치한다. 다만 345KV 변전소의 154KV 선로 측에는 설치하지 않고 모선측에는 변압기 뱅크(Bank)별로 설치한다. 변압기 또는 큐비클에서 직접 케이블로 접속하는 경우에는 피뢰기를 생략하여도 무방하지만 가공 송전선과 지중 송전선의 접속점에는 반드시 피뢰기를 설치하여야 한다.

 

 

9. SF6 가스의 특성

 

< 표10.  SF6 가스의 주요 물리적 특성 >

기체의 열 흡수 능력은 기체의 비중과 비열의 곱으로 나타내며 공기와 비교하면 SF6 가스의 비중 및 비열은 각각 5배, 0.5배 이기 때문에 SF6 가스의 열 흡수능력은 공기보다 2.5배 크고 열 전도율은 공기의 4배이다.

 

1기압에서의 비점은 -62.0℃, 0℃에서 약 12기압, 20℃에서 약 21기압까지 액화되지 않고 압축이 가능하다. 또한 SF6 가스의 분자는 황(S)원자를 중심으로 하여 정 팔면체의 정점에 불소(F)원자가 배치된 공유 결합을 나타내고 F원자가 강한 전기적 부(-)성에 의하여 공유전자가 기울기 때문에 이온결합과 공유결합을 공유하여 보다 안정된 화합물로 되어 있다. 절연내력이 높은 것은 이 F원자의 전기적 부(-)성에 의한 것이다. 열적으로는 약 500℃이상까지 안정하다. SF6 가스는 공기에 비하여 3~4배 절연내력이 높다.

 

이것은 어떤 전계E[㎸/㎝]이상으로 작용하는 전자의 방출은 거리충격 전리계수 α[1/㎝]와 기체 분자에 포착되는 전자수의 부착계수η[1/㎝]로 나타낸다. 이때 실효전리계수(α-η)[1/㎝]를 SF6 가스와 공기로 비교해 보면 α= η로 되는 임계 전계는 SF6 가스는 89[㎸/㎝], 공기는 27[㎸/㎝]가 된다.

가스의 열 전도율은 동일조건의 공기에 비하여 약 2.5배정도 높아 도체의 온도상승이 공기 사용 시 보다 적어진다. 그리고 SF6 가스의 절연내력은 대기압, 평등 전계 하에서 공기의 2.5~3배이며 SF6 가스의 압력이 20℃에서 2[㎏/㎠.g]일 경우 변압기 절연유의 절연내력을 초과할 정도로 절연성을 갖는다.

 

또한 SF6 가스는 전자 부착력이 매우 크므로 소호성능이 우수하며 가스의 온도-압력 특성은 정격 가스압력이 다음 그림에서 보는 바와 같이 20℃에서 5[㎏/㎠.g]의 경우 가스 압력이 4.5±0.2[㎏/㎠.g](20℃)으로 떨어질 때는 위험신호가 발생하며 4.0±0.2[㎏/㎠.g](20℃)까지 내려가면 조작 회로가 폐쇄 된다.

 

 

10. G.I.S의 이점과 경제성

G.I.S를 설치하는 목적은 변전소 등의 총면적 축소화, 고신뢰도이며 용적 축소 외에 다음과 같은 이점이 있다.

- 염해등 외부환경 또는 이물질 접촉에 의한 사고가 전혀 없다.

- 전부가 접지된 금속 용기에 내장되어 있어 인축에 대한 감전사고의 위험이 없다.

- 각 기기가 표준화된 조립방식의 의하므로 대량생산이 가능하다.

- 제작 공장에서 조립한 상태로 수송하기 때문에 현장 설치작업의 공기가 단축된다.

- 보수 점검 업무가 거의 불필요하기 때문에 운전경비가 절감된다.

 

 

11. 공기 절연형과 가스 절연형 특성 비교