슈퍼그리드 회로 차단기를 한계까지 밀어붙이는 연구실 내부

Jun 17, 2023

The Guardian: KEMA 연구소는 매우 중요한 순간에 회로 차단기가 고장나지 않도록 극한의 조건에서 회로 차단기를 테스트합니다.

중국 중부 지역의 엄청나게 더운 날을 상상해 보세요. 모든 대도시의 모든 에어컨이 최대 속도로 작동할 때입니다. 산시성의 외딴 산간 지역을 통해 초고압 전력을 도시까지 전달하는 주요 송전선이 최대 용량에 가깝게 가동되고 있습니다. 햇빛과 흐르는 전류로 인해 뜨거워진 송전선은 나무 꼭대기 근처에서 위험할 정도로 늘어납니다. 갑자기 전류가 선에서 나뭇가지로 점프하여 저항이 가장 적은 경로를 찾아 나무를 통해 땅으로 쏟아집니다. 전류가 공기를 이온화함에 따라 밝은 섬광이 발생합니다.

이 단락 동안 갑자기 방출된 전류는 눈 깜짝할 사이에 평소 수준의 10~20배에 도달합니다. 이제 전력망의 보호 시스템은 빠르게 작동해야 합니다. 밀리초 이내에 보호 계전기는 오류를 인식하고 라인 양쪽 끝에 있는 회로 차단기에 전류를 끄도록 명령하여 오류가 발생한 라인을 격리해야 합니다. 위험성은 매우 높습니다. 지속적인 단락 전류는 전력망 전반에 걸쳐 연쇄 고장 반응을 일으키고 광범위한 정전을 야기하여 그 과정에서 고가의 장비를 심각하게 손상시킬 수 있습니다. 2003년 북미 북동부 지역의 정전 사태는 오하이오 주의 송전선과 나무의 접촉으로 시작되었으며, 이로 인해 260개 이상의 발전소가 가동을 중단하고 북동부 전력망 전체에 걸쳐 60,000메가와트의 전력 공급이 중단되었으며 뉴욕이 어두워졌습니다. 도시.

가상의 중국 단락에서는 모든 것이 거대한 회로 차단기의 작동에 달려 있습니다. 가정용 회로 차단기와 마찬가지로 이러한 산업용 차단기는 1초도 안 되는 시간 내에 접점을 열지만, 시스템에 막대한 양의 에너지가 있기 때문에 접점을 분리하는 것만으로는 전류를 멈출 수 없습니다. 대신 전류는 차단기 내부에 전기 아크를 생성합니다. 부피가 불과 몇 리터에 불과한 그 작은 공간에는 이제 섭씨 수천도에 달하는 온도에 도달할 수 있는 회전하는 플라즈마가 포함되어 있습니다. 차단기는 해당 플라즈마를 오랫동안 보관할 수 없습니다. 빨리 치워지지 않으면 끔찍한 폭발이 일어날 것입니다.

이제 AC 전류의 교류 특성이 작용합니다. 방향이 바뀔 때마다(중국의 50헤르츠 시스템에서는 10밀리초마다) 전류가 일시적으로 0이 되고 아크 플라즈마에 대한 에너지 공급이 순간적으로 중단됩니다. 오류 전류를 차단해야 하는 것은 이러한 "전류 0" 순간 중 하나입니다. 중요한 순간에 회로 차단기 내부의 냉각 시스템이 고압 가스 제트를 틈에 주입하여 뜨거운 아크 플라즈마의 잔류물을 날려버립니다.

아크가 사라지고 결함이 해결된 직후 전력 시스템이 다시 증가합니다. 이 복구 과정에서 갭 전체의 전압은 정상 작동 수준으로 안정되기 전에 100만 볼트 이상으로 급격하게 상승합니다. 따라서 전류 0 전후의 마이크로초 내에 접점은 아크 플라즈마를 통해 약 50킬로암페어의 전류를 전달하는 것에서 1메가볼트의 전압을 견디는 것으로 전환해야 합니다. 이러한 급격한 변화는 차단기 부품에 엄청난 부담을 줍니다.

대부분의 고전압 전송 시스템은 가스 회로 차단기에 의해 단락으로부터 보호됩니다. 이 단순화된 애니메이션은 차단기가 단락으로 인해 생성된 위험할 정도로 높은 전류 흐름을 차단하는 단계별 프로세스를 보여줍니다. 애니메이션: Erik Vrielink

하지만 송전선이 다시 작동해야 하기 때문에 회로 차단기는 완벽하게 작동해야 합니다. 그들은 오랜 시간 동안 어떤 날씨에도 활동하지 않았더라도 일을 해야 합니다. 그렇다면 중국 사례의 전력망 운영자는 이러한 차단기가 제 역할을 할 것이라고 어떻게 믿고 거대 도시가 어둠 속에 빠지지 않도록 할 수 있습니까? 엄격한 테스트만이 마음의 평화를 제공할 수 있습니다. 저는 노르웨이 컨설팅 및 인증 회사인 DNV GL의 네덜란드 부서인 KEMA 연구소에서 혁신 이사로 재직하고 있습니다. 우리의 임무는 극한 상황에서 초고전압 AC 시스템의 스트레스가 많은 작동 조건을 모방하는 것입니다. 이러한 환경을 복제하는 것은 엄청나게 어려운 엔지니어링 과제이지만, 향후 수십 년 동안의 에너지 수요를 충족하려면 반드시 충족해야 하는 과제입니다.