미국식 박스형 변압기 용단기의 보호
미국식 박스 변압기의 차단기 소개
미국식 박스 변압기는 일반적으로 플러그 인 차단기와 보조 보호 차단기를 직렬로 연결하여 보호를 제공합니다. 보호 원리는 진보적이고 신뢰성이 있으며, 작동은 간단합니다. 보조 보호 차단기는 오일 잠김형 제한 차단기로, 일반적으로 박스 변압기 내부에 설치되어 있습니다. 이 차단기는 박스 변압기 내부에서 고장이 발생할 때만 작동하며, 고압 회로를 보호하기 위해 사용됩니다. 플러그 인 차단기는 오일 잠김형 플러그 인 차단기로, 2차 측에서 단락 고장이 발생하거나 과부하 또는 오일 온도가 너무 높을 때 녹습니다. 플러그 인 차단기는 배전 시스템에서 오일 잠김형 박스 변압기의 과전류 보호를 위한 주요 부속품입니다.
내부 차단기는 전류형, 이중 감응형, 이중 요소형 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 차단기는 박스 변압기를 정전시키지 않고 교체할 수 있습니다. 전류형 차단기가 보조 보호 차단기와 직렬로 연결되면 "이중 차단기 보호"를 형성합니다. 전류형 차단기는 과부하 보호용이며, 보조 보호 차단기는 변압기 내부 고장(예: 코일 단락 등)을 보호하기 위해 사용됩니다. 이중 감응형 차단기가 보조 보호 차단기와 직렬로 연결되면 또한 "이중 차단기 보호"를 형성합니다. 이중 감응형 차단기는 변압기의 저압 측에서 전류와 온도 두 가지 측면에서 고장이나 과부하를 보호합니다.
보조 보호 차단기는 변압기 내부 고장(예: 코일 단락 고장 등)을 보호하기 위해 사용됩니다. 표준 암페어-초 곡선은 상하위 차단기와 회로 차단기와 정확하게 협력할 수 있습니다. 이중 요소형 차단기가 보조 보호 차단기와 직렬로 연결되면 "이중 차단기 보호"를 구성합니다. 이중 요소형 차단기는 변압기의 저압 측에서 전류와 온도 두 가지 측면에서 고장이나 과부하를 보호합니다. 보조 보호 차단기는 변압기 내부 고장(예: 코일 단락 고장 등)을 보호하기 위해 사용되며, 그 표준 암페어-초 곡선은 상하위 차단기와 회로 차단기와 정확하게 협력할 수 있습니다.
차단기의 기본 구조
차단기는 수행하는 기능에 따라 다양한 구조를 가지고 있습니다. 이 문서에서는 미국 COOPER(Cooper) 회사의 McGraw Edison NX형 제한 차단기에 대해 간략히 소개합니다.
McGraw Edison NX형 제한 차단기 구조는 도표 1에 표시되어 있습니다. 순수 은으로 된 차단기 스트립이 포함되어 있습니다. 순수 은 차단기 스트립은 마이카 지지대(거미형 지지 부품)에 감겨 있으며, 이 지지대는 회로를 열도록 돕는 이온화 가스를 생성합니다. 차단기와 실리카 샌드는 유리 섬유 절연관에 설치됩니다.
1 - 고순도 실리카 샌드 필러; 2 - 마이카 지지대; 3 - 고정 동 단자; 4 - 이중 밀봉 시스템; 5 - 식별 라벨; 6 - 유리 섬유 커버; 7 - 순수 은 차단기 스트립.
도표 1. McGraw Edison NX형 제한 차단기의 기본 구성 요소.
도표 1에서 볼 수 있듯이, McGraw Edison NX형 제한 차단기(다른 차단기 모델은 이 차단기와 유사한 구조를 가지고 있습니다)는 주로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다:
고순도 실리카 샌드 필러. 특정 입자 크기, 순도, 밀도는 열 흡수 및 아크 소멸 특성을 제공하여, 차단기가 일관된 클리어링 특성과 낮은 에너지 통과 수준을 유지하는데 필수적입니다.
마이카 지지대. 차단기 작동 중 마이카 지지대는 가스와 압력 축적이 없는 안정적인 감침 지지를 제공합니다.
고정 동 단자. 길이가 0.25인치에서 10인치 사이인 황동 플러그가 선택되어 전기 전도 접합을 제공합니다.
이중 밀봉 시스템. 나이트릴 고무 패킹과 에폭시 수지 밀봉제는 차단기 밀봉의 완전성을 보장합니다.
견고한 식별 라벨. 사용자가 전압, 전류 파라미터, 주문 번호 등의 정보를 쉽게 얻을 수 있도록 합니다.
유리 섬유 커버. 차단기에 높은 강도와 유지 보수의 완전성을 제공하여, 최소 융착 전류부터 최대 50kA까지의 보호 범위를 갖추게 합니다.
순수 은 차단기 스트립. 전류 순환 및 열 압력 조건 하에서 안정성을 유지하고 일관된 융착 특성을 제공합니다. 대전류 중단 시, 차단기 스트립은 아크 전압의 피크 수준을 효과적으로 제어하고 줄입니다. 중단 과정에서 이 구성 요소는 허용 가능한 통과 전류와 에너지를 효과적으로 제어하고 제한합니다.
차단기의 작동 특성 및 보호 원리
차단기의 작동 과정은 내부에 있는 차단기 요소의 모델에 따라 달라집니다. 모든 차단기의 경우, 큰 고장 전류의 클리어링은 기본적으로 같습니다. 전류의 흐름은 차단기 요소 전체를 녹여서, 발생하는 아크가 차단기 요소를 폭발시키고 실리카 샌드를 유리화하여 아크 발달을 제한하는 유리질 채널을 형성합니다. 이 유리질 채널은 저항 값을 증가시켜 전류를 줄이고 이를 미리 0으로 강제합니다.
국소 또는 전체 범위 차단기에서, 중간 또는 작은 전류의 클리어링은 방지되어야 합니다. 예를 들어, McGraw Edison형 제한 차단기에서는 "M" 포인트(즉, 주석 합금 선)가 주 차단기 요소의 중심에 위치하여 그 용융 온도를 낮춥니다. 도표 2(a) 참조. M 포인트에서 차단기 요소가 녹으면, 전류는 보조 차단기 요소로 전송됩니다. 주 차단기 요소의 한쪽 끝에서 1/4 간격으로 얇은 선이 주 차단기 요소에 연결됩니다. M 포인트와 보조 차단기 요소의 간격에 걸쳐 전압 경사는 존재합니다. 도표 2(b) 참조. 따라서, 주 차단기 요소가 계속 아크를 형성하면, 이 선 연결은 반드시 세 위치에서 나타나서 아크의 길이를 세 배로 늘리고, 이 영역을 통해 회로의 에너지를 소산합니다. 도표 2(c) 참조. 아크 초기 단계에서 충분한 열이 모여 거미 구조를 분해하고, 거미 구조에서 나오는 가스가 용융된 암석을 냉각하여 아크의 길이를 줄여 고장 포인트를 분리할 수 있게 합니다.
도표 2 McGraw Edison NX형 제한 차단기의 전류 감소 과정
제한 차단기의 선택은 주로 그 정격 전압 파라미터에 기반합니다. 적절한 파라미터를 결정할 때, 여러 요소를 고려해야 합니다. 전기 시스템의 유형, 시스템의 최대 전압, 변압기의 권선 상태(차단기가 변압기 보호용이라면), 중성선의 접지 상태, 부하의 유형 등을 포함합니다.
일반적으로, 단상 회로는 단상 접지 전압보다 큰 정격 파라미터를 가진 제한 차단기로 보호할 수 있습니다. 그러나 삼상 회로의 경우, 차단기는 적절한 상간 파라미터를 가져야 합니다. 특정 사례에서, 차단기에 적용되는 정상 서열 중단 전압이 최대 설계 전압을 초과하지 않는다고 가정하면, 단상 접지 파라미터가 삼상 시스템에 적용될 수 있습니다. 이러한 상황에서는, 두 개의 직렬 연결된 제한 차단기가 주어진 고장 조건에서 적용된 전압을 공유한다고 가정합니다. 표 1은 제한 차단기의 권장 정격 전압 파라미터와 제한 차단기의 적용 파라미터 간의 관계를 보여줍니다.
전기 장치의 보호를 위해서는 제한 차단기의 중단 요구 사항이 보호하는 장치와 조율되어야 합니다. 또한, 차단기의 시간-전류 곡선은 특히 보조 차단기가 포함되고, 낮은 전류 고장의 클리어링이 배출 차단기에 의존할 때, 시스템의 보호 장치와 조율되어야 합니다.
표 1 제한 차단기의 권장 정격 전압 파라미터 및 제한 차단기의 적용 파라미터
일반 차단기와 마찬가지로, 제한 차단기도 특정 주변 온도에서 전력 감소가 발생할 수 있습니다. 다양한 적용 시나리오의 다운레이팅 계수는 도표 3에 표시되어 있습니다.
도표 3 NX형 제한 차단기의 적용을 위한 주변 온도 다운레이팅 계수
배전 변압기에 대한 차단기 보호 적용의 핵심은 차단기가 다음 요구 사항을 충족해야 한다는 것입니다:
단락 보호를 제공하고, 고장 변압기를 시스템에서 먼저 분리합니다. 차단기는 인러시 전류, 냉 부하 시작 전류, 단기간 과전류 동안 녹아서는 안 됩니다. 상위 장치(구간 분리기 작동 전에 녹아야 함)와 조율되어야 합니다.
변압기에 과열 손상이나 기계적 손상을 초래할 수 있는 심각한 과전류 상황을 방지합니다. 필요하다면, 항목 ②는 연기될 수 있습니다. 차단기 보호의 주요 목적은 과부하 보호이지 단락 보호가 아니기 때문입니다.
배전 변압기의 인러시 전류/냉 부하 시작 전류의 시간-전류 곡선은 다음과 같은 상황을 기반으로 추정됩니다: 0.01초에서 전류는 만전 부하 전류의 25배, 0.1초에서 전류는 만전 부하 전류의 12배, 1초에서 전류는 만전 부하 전류의 6배, 10초에서 전류는 만전 부하 전류의 3배, 100초에서 전류는 만전 부하 전류의 2배입니다.
배전 변압기 보호를 위한 차단기가 인러시 전류 또는 냉 부하 시작 전류 동안 녹지 않도록 하기 위해서는, 차단기 곡선이 인러시 전류/냉 부하 시작 전류 곡선의 오른쪽에 있어야 합니다. 즉, 차단기의 녹는 시간은 이러한 전류의 지속 시간보다 길어야 합니다.
변압기 손상 곡선은 제조사나 ANSIC57 표준에서 얻을 수 있으며, 동일한 곡선 그래프에 플롯할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이, 양보가 필요한 경우, 변압기 손상 곡선이 인러시 전류 곡선보다 우선해야 합니다.
도표 4는 13.8kV의 전압 수준과 50kV·A의 정격 용량을 가진 단상 변압기의 인러시 전류/냉 부하 시작 전류 곡선을 보여줍니다. 변압기의 만전 부하 전류는 3.62A입니다. 도표에는 가정된 차단기 곡선이 있습니다. 실제로는 두 개의 차단기 곡선이 있습니다. 최소 융착 곡선은 차단기가 손상되기까지의 가장 짧은 시간을 제공하며, 최대 클리어링 곡선은 차단기가 고장을 클리어하는 가장 긴 시간을 제공합니다. 배출 차단기의 최대 클리어링 시간은 0.8주기(즉, 0.0133초)보다 낮아서는 안 되므로, 이 곡선은 0.0133초에서 수평으로 플롯됩니다.
도표 4는 배전 변압기의 인러시 전류/냉 부하 시작 전류 시간-전류 곡선을 보여줍니다. 차단기 곡선은 차단기와 상위 보호 장치 간의 조율을 보장해야 합니다. 상위 장치는 선 구간 분리 장치, 예를 들어 차단기나 재폐기기일 수 있습니다. 변압기 보호 차단기는 상위 차단기가 손상되거나 상위 재폐기기가 잠기기 전에 녹아야 합니다.
일부 배전 변압기는 완전 자가 보호 기능(CSP)을 갖추고 있다고 간주되며, 과전류와 인러시 전류 보호 기능을 가지고 있습니다.
자가 보호 변압기는 일반적으로 큰 제한 차단기와 과부하 방지를 위한 2차 회로 차단기를 케이싱 내에 갖추고 있습니다. 일반 변압기는 일반적으로 1차 측에 추가된 차단기로 보호됩니다. 박스 변압기는 일반적으로 케이싱과 독립된 차단기(고정되지 않은 프론트 패널 디자인)를 갖추고 있으며, 변압기 오일 내 또는 건식 부싱 웰 또는 실린더(고정 프론트 패널 디자인)에 위치할 수 있습니다. 어느 경우에도 적절한 설계가 채택되어 현장에서 차단기 교체를 간소화해야 합니다.
차단기 비율은 차단기의 최소 녹는 전류와 변압기의 만전 부하 전류의 비율입니다. 이 비율은 장치의 연속 운전을 위한 과부하 보호의 중요성을 나타냅니다. 높은 차단기 비율은 인러시 전류 또는 과부하 동안 더 많은 변압기 고장이 발생하더라도 녹지 않게 합니다. 낮은 차단기 비율은 불필요한 차단기 녹는 횟수를 증가시키지만, 변압기를 과부하로부터 더 잘 보호합니다. 일반적인 차단기 비율은 2에서 4 사이입니다.
자가 보호 변압기의 내부 차단기 비율은 약 8입니다. 이는 자가 보호 변압기의 2차 측에 과부하에 영향을 받지 않는 회로 차단기가 장착되어 있기 때문입니다.
차단기 보호의 보호 범위와 조율
박스 변압기 보호를 위한 차단기 선택 시, 일반적으로 차단률은 변압기의 만전 부하 전류를 차단기의 최소 융착 전류로 나누어 계산할 수 있습니다. 높은 차단률을 사용하면 고장 변압기로부터 시스템을 보호할 수 있지만, 제한된 과부하 보호만 제공합니다. 낮은 차단률은 최대 과부하 보호를 제공하지만, 차단기는 충격 전류와 인러시 전류에 취약합니다.
또한, 운영의 연속성, 과부하로 인한 변압기 고장, 변압기 차단기와 구간 분리 장치 간의 조율, 인러시 전류와 냉 부하 시작의 영향 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 변압기의 특성 곡선이 알려져 있다면, 차단기의 시간 특성 곡선을 변압기 인러시 곡선과 변압기 손상 곡선 사이의 영역에 맞추어 간단히 조정할 수 있습니다.
이러한 곡선들은 표준에 따라 작성되지만, 항상 적용 가능하지는 않으므로, 차단기를 선택해야 합니다. 인러시 전류는 폐쇄 중의 전압 파동의 철심 내 잔류 자기 유량에 크게 의존합니다. 인러시 전류를 견디기 위해, 차단기는 0.01초에서 만전 부하 전류의 25배, 0.1초에서 만전 부하 전류의 12배를 견딜 수 있어야 합니다. 1차 전력 중단 후 재공급은 냉 부하 시작을 생성합니다. 인러시 전류 곡선이 알려져 있다면, 선택한 차단기 곡선은 인러시 전류 곡선보다 느려야 합니다. 번개 방전 전압은 변압기의 철심을 포화시키고 인러시 전류를 생성합니다. 일반적으로, 번개 손상이 문제가 될 경우, 더 큰 크기의 차단기를 사용하는 것이 좋습니다.
또한, 박스 변압기 보호를 위한 차단기 선택 시, 차단기 간의 조율도 고려해야 합니다. 여기서는 두 가지 상황에서의 조율 문제를 논의합니다:
두 개의 제한 차단기 간의 조율. 조율 목표를 달성하려면, 곡선은 0.01초부터 시작해야 합니다. 0.01초 이상의 시간에 대해서는, 같은 집합의 두 가지 다른 차단기 간의 조율은 TCCS를 겹쳐서 75% 조율 방법을 사용하여 달성할 수 있습니다. 0.01초 이하의 시간에 대해서는, 최소 융착 값과 전체 클리어링 값으로 조율할 수 있습니다. 두 개의 제한 차단기가 직렬로 조율될 때, 보호 차단기 또는 부하측 차단기를 통과하는 최대 전류는 보호받는 또는 전원측 차단기의 최소 융착 전류를 초과해서는 안 됩니다. 즉, 부하측 차단기는 전원측 차단기가 녹지 않을 정도의 전류 수준으로 통과하는 전류를 제한합니다. 0.01초 이상의 조율 검사는 필요하지 않습니다. 조율 경계는 고정된 값이므로, 조율은 보수적이고, 어떤 고장 전류에 대해서도 조율 표준을 형성합니다. 고장 전류가 제한되면, 곡선의 전류를 변경하여 조율할 수 있습니다.
보조 제한 차단기와 배출 차단기 간의 조율. 이 보호 방법은 일반적으로 사용되며, 대부분의 고장(작은 전류에서)을 저렴한 배출 차단기로 클리어할 수 있게 합니다. 보호 장치에서 고장이 발생하면, 제한 차단기는 전류의 크기를 제한합니다. 배출 차단기가 제한 차단기를 손상시키지 않고 작은 전류 고장을 클리어할 수 있는 것이 매우 중요합니다. 배출 차단기가 녹은 후, 제한 차단기는 충분한 전류를 통과시킬 수 있으며, 명백한 고장 표시를 제공할 수 있습니다. 차단기 특성은 배출 차단기의 최대 클리어링 곡선과 제한 차단기의 최소 융착 곡선의 교차점으로, 더 큰 전류를 형성하여 동시 작동을 유도합니다. 두 개의 제한 차단기가 적절히 선택되면, 박스 변압기는 전체 범위의 보호를 달성할 수 있습니다.
차단기 보호의 작동 및 유지보수
박스 변압기 보호를 위해 차단기를 사용할 때, 다음 사항을 유의해야 합니다:
플러그 인 차단기는 수동으로 작동되며, 사용자는 특정 기술과 경험을 필요로 합니다. 플러그 인 차단기를 사용하여 전력이 공급된 변압기를 분리하기 전에, 작업자는 차단기 홀더에서 플러그 인 차단기를 제거하는 경험이 있어야 합니다. 부적절한 처리는 전환 고장으로 이어질 수 있으며, 변압기 교체나 화재가 발생할 수도 있습니다.
플러그 인 차단기가 고장 클로징에 사용되면, 심각한 개인 부상이 발생할 수 있습니다. 내부 고장은 변압기의 균열이나 상부 커버의 분리로 이어질 수 있습니다. 따라서, 안전을 위해 항상 원격 위치에서 변압기에 전력을 공급해야 합니다.
(3) 변압기가 폐쇄된 건물이나 지하실에 위치하거나, 작업자가 변압기 바로 위에 있을 경우, 플러그 인 차단기 조립물을 사용하여 변압기를 연결하거나 분리해서는 안 됩니다. 이러한 상황에서는, 작업자가 올바르게 작동하기 어렵고, 부적절한 작동 시 안전하게 빠져나오기 어렵습니다.
플러그 인 차단기를 작동하기 전에, 변압기의 상태를 신중하게 판단해야 합니다. 케이싱 내에서 아크 방전 소리가 나는지 확인하고, 케이싱이 부풀었거나 기름 누출이나 넘침의 흔적이 있는지 확인하고, 압력 해제 장치 근처의 케이싱에 기름 누출, 넘침, 탄소 검 흔적이 있는지 확인하세요. 이러한 상황이 발생하면, 플러그 인 차단기를 사용하여 변압기를 연결하거나 분리해서는 안 됩니다. 그렇지 않으면, 화재나 인명 피해가 발생할 수 있습니다.
플러그 인 차단기를 작동하기 전에, 변압기의 압력을 해제해야 합니다. 변압기 케이싱의 압력을 잘못 해제하면, 플러그 인 차단기의 삽입 조립물이 뜨거운 기름과 함께 폭발적으로 분출될 수 있습니다. 이는 충격 부상, 화상, 환경 오염을 초래할 수 있습니다.
과도한 암페어 값의 플러그 인 차단기를 사용하면, 변압기 또는 시스템의 다른 부분에서 보조 제한 차단기와의 불일치가 발생할 수 있습니다. 이러한 경우, 변압기 내부에서 고장이 발생하면, 더 큰 정전이나 변압기의 발화 또는 폭발이 발생할 수 있습니다. 권장 값보다 작은 암페어 값의 플러그 인 차단기를 설치하면, 불필요한 융착과 운전 중단이 발생할 수 있습니다.
차단기 튜브의 손상은 차단기의 올바른 설치를 방해할 수 있습니다. 차단기 튜브를 신중하게 점검하여, 황동의 어느 부분에도 침식이 없고, 절연 부품의 검은색화 또는 소실이 1/2인치(13mm)를 초과하지 않도록 하세요. 손상이 이 정도를 초과하면, 손상된 차단기 튜브를 새로운 것으로 교체해야 합니다. 대량의 황동 용융이 발생하거나, 소실이 차단기 튜브 길이의 절반을 초과하면, 플러그 인 차단기 홀더도 교체해야 합니다. 구성 요소가 손상되면, 후속 고장의 분리를 방해하고 더 큰 손상을 초래할 수 있습니다.
결론
차단기 보호 기술 수준은 비교적 진보적이며, 우수한 성능-가격 비율을 가지고 있어 국내외 시장에서 광범위한 발전 전망을 가지고 있습니다. 현재 중국의 많은 미국식 박스 변압기는 차단기를 사용하여 보호하고 있습니다. 다른 보호 방법과 비교하여, 차단기 보호는 높은 신뢰성뿐만 아니라 상대적으로 낮은 가격을 가지고 있어, 특히 중국의 현재 상황에 적합합니다. 따라서, 차단기 보호는 중국에서 좋은 적용 전망을 가지고 있습니다.
