고압 차단 스위치와 작동 메커니즘 고장
고압 차단기(HVD)는 전력망에서 중요한 스위칭 장치로 주로 회로 차단기와 함께 전원을 격리하는 데 사용됩니다. "디지털 그리드" 제안과 고압 스위치 기술의 지속적인 발전, 그리고 중국 전력망의 확장으로 인해 HVD의 적용이 양적으로나 다양성 면에서 급증했습니다. 전기 작동 메커니즘은 HVD의 스위칭 동작을 제어하는 핵심 구성 요소로, 뛰어난 신뢰성과 안정성이 요구됩니다.
HVD는 고압 장비 중 고장률이 높으며, 작동 메커니즘이 주요 고장 원인입니다. 일반적인 작동 메커니즘 고장에는 스위칭 거부, 작동 실패, 완전한 개폐 불능 등이 포함됩니다. 작동 메커니즘이 무제한으로 작동할 경우(모터가 계속 돌아가는 경우) 전력망 장비에 큰 정전이 발생할 수 있습니다. 이들 중 개폐 실패(스위칭 거부, 불완전한 작동, 낮은 스위칭 정확도)는 그리드 안정성에 크게 영향을 미칩니다.
연구에 따르면, 전기 작동 메커니즘으로 인한 HVD 고장의 주요 원인은 보조 회로 문제입니다. 예를 들어, 저품질 전기 부품이나 보조 회로의 느슨한 연결로 인한 제어 실패가 있습니다. 널리 사용되는 CJx형 전기 작동 메커니즘의 내부 모터는 열자석 회로 차단기와 전자 모터 보호 장치로 보호됩니다. 이러한 메커니즘은 장기간 야외에 노출되어 설치 후 3~6년 동안 작동 자세를 유지하지만, 전기 제어 부품은 취약하며 환경 요인에 매우 민감합니다.
장시간 작동하면 제한 스위치와 볼트가 느슨해져, 감지되지 않으면 불완전한 스위칭이 발생할 수 있습니다(예: 그림 1에서 5° 위치 편차는 그리드 위험을 초래합니다). 여행 스위치는 스위칭 과정 전환에 중요하나, 환경 영향으로 인해 접점이 산화되고 수명이 단축됩니다.
고압 차단기 고장 요약 및 연구 현황
요약하자면, 고압 차단기(HVD)의 개폐 실패 주요 원인은 전기 제어 회로 고장과 기계 시스템 고장으로 분류될 수 있습니다. 본 논문은 전기 제어 회로에 집중하며, 이는 주로 모터 회로 고장, 제한 스위치 고장, 보조 회로 문제를 포함합니다. 분석 결과, 높은 스위칭 실패율은 주로 모터와 보조 회로 고장에 기인하며, HVD 작동에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 HVD 작동 메커니즘의 안전성과 신뢰성을 해결하는 것이 시급합니다.
1. 고압 차단기 연구 현황
관련 연구자들과 엔지니어들은 위의 문제에 대해 광범위한 연구를 수행하고 건설적인 해결책을 제시했습니다. 이를 두 가지 주요 측면으로 요약할 수 있습니다:
1.1 보조 회로 고장 연구 현황
많은 연구가 보조 회로의 전기 부품 문제를 다루었습니다. 작동 메커니즘 상자의 밀봉이 부족하여 비가 들어가 부식되거나 보조 스위치/릴레이 고장, 버튼 접점의 느슨함, 기계적 잠금 등으로 인해 스위칭 거부 또는 불완전한 작동이 발생합니다. 제안된 해결책으로는 정기적인 유지보수, 습기 방지, 고장 플로우 차트 등을 통해 빠른 문제 해결이 가능합니다.
모터 관성으로 인한 변형된 핀, 느슨한 제한 볼트, 마모된 나사 등의 기계적 마모에 대한 대책으로는 자주 점검하고 적시에 결함을 제거하는 것이 권장됩니다. 산화된 배선 접점에는 산화 방지 재료를 사용하고, 전압/저항 테스트 방법을 통해 보조 회로 고장을 진단하며, 결함 로깅을 통해 문제 해결 효율성을 향상시키는 것이 제안되었습니다. 습도로 인한 보조 스위치의 오작동 및 전기 작동 메커니즘의 불량 접점 문제를 해결하기 위해 가열 장치가 제안되었습니다.
그러나 기존 연구는 단순히 고장 포인트를 나열하고 유지보수를 강조하면서 근본적인 해결책을 제시하지 않았습니다. 이는 보조 회로에 대한 관심이 낮음을 반영합니다. 유지보수 담당자는 전기 부품보다 기계 부품에 더 많은 가치를 두며, 보조 구성 요소 구조와 원칙에 익숙하지 않고 정기적인 점검을 소홀히 하는 것이 간접적인 고장 원인입니다.
1.2 스위칭 정확도 문제 연구 현황
스위칭 정확도와 기계적 관성을 해결하기 위해 학자들은 브러시리스 DC 모터(BLDC)와 영구자석 동기 모터(PMSM) 작동 메커니즘을 설계하여 모터 제어를 개선했습니다. DSP 코어와 이중 폐루프 제어 전략을 사용한 BLDC 기반 HVD 메커니즘은 효과적인 스위칭 속도 조절을 보여주었습니다. 실시간 속도 모니터링과 같은 유사한 방법은 매끄러운 작동과 개폐 정확도 향상, 스마트 그리드 개발의 기반을 마련했습니다. 그러나 이러한 설계는 여전히 이론적 연구와 실험실 시뮬레이션 단계에 머물러 있으며, 실제 적용에서의 신뢰성은 입증되지 않았습니다.
2 분산형 전기 작동 메커니즘 설계 방안
위의 분석에 따르면, 작동 메커니즘 고장의 주요 원인은 환경 요인에 매우 취약한 전기 제어 회로의 낮은 신뢰성입니다. 유지보수 지연이나 기타 문제가 전기 부품을 손상시켜 스위칭 실패를 초래합니다. 이에 대응하여 본 논문에서는 분산형 전기 작동 메커니즘 설계를 제안합니다.
2.1 분산형 제어 개념
분산형 제어는 전체 시스템을 여러 부분으로 나누어 각각 주 제어기에 의해 독립적으로 제어합니다. 이 설계는 전기 제어 모듈과 모터 드라이브 모듈을 분리합니다:
변동적인 야외 환경과 케이블의 취약성을 고려하여 TRIZ의 다중 사용 원칙을 기반으로 시간 분할 공유 케이블 전략을 채택하였습니다. 모터 제어 회로와 스위칭 상태 표시 회로가 동시에 활성화되지 않으므로, 이 접근법은 5개의 케이블만으로 모터 제어와 차단기 위치 표시 신호를 전송할 수 있게 합니다. 이는 전기 작동 메커니즘에 대한 외부 환경 영향을 크게 줄입니다. 분산형 전기 작동 메커니즘의 전체 제어 개념은 그림 2에 도시되어 있습니다.
2.2 분산형 제어 모듈 설계
널리 사용되는 CJx 시리즈 전기 작동 메커니즘은 전기 및 기계 구성 요소가 통합되어 있으며, 설치 후 연중 야외에서 고정된 구성으로 작동합니다. 이러한 통합은 고장률이 높은 주요 요인입니다. 모듈형 설계는 이 모든 하나의 야외 설정을 분리하여 전기 제어 모듈과 기계 드라이브 모듈로 나눕니다.
모듈형 설계는 다음과 같은 명확한 장점을 제공합니다: 전기 제어 모듈을 온도가 안정적인 환경에 배치하여 HVD 스위칭 작업에 대한 환경 영향을 크게 줄이고, 모듈 간 배선을 최소화하여 고장 모듈을 빠르게 교체할 수 있도록 합니다. "먼저 교체, 나중에 수리"를 우선시하여 유지보수 효율성을 향상시키고 그리드 다운타임을 줄입니다.
2.2.1 전기 제어 모듈
전기 제어 모듈은 주 제어기, 개폐 전환 스위치, 릴레이, 위치 표시 회로, 단상 보호기로 구성되며, 그림 3의 설계 개념에 따라 설명됩니다.
제어 로직은 다음과 같이 작동합니다: 버튼에서 (개폐) 스위칭 신호가 제어기에 전송되며, 제어기는 명령에 따라 모터 작동을 조절합니다. HVD가 개방 상태일 때, 개방 위치 회로가 활성화되어 표시등이 켜집니다. 폐쇄 버튼을 누르면 제어기가 주 모터 릴레이와 폐쇄 회로 전환 릴레이를 작동시켜 HVD를 폐쇄합니다. 작업이 완료되면 모터 릴레이가 해제되고, 폐쇄 위치 회로와 표시등이 활성화됩니다. 단상 보호기는 타이머 기능을 갖추어 모터 회로를 보호하며, 고장 시 주 회로를 지정된 시간 내에 차단합니다.
2.2.2 모터 드라이브 모듈
모터 드라이브 모듈은 주로 AC 모터, 감속기, 마찰 커플러, Siemens 보조 스위치, 트리아크 아크 억제 회로, 제한 정지, 기계 잠금 장치로 구성됩니다. 주 제어기가 개폐 명령을 보내면 모터 제어 회로가 활성화되어 모터를 통해 감속기와 주 축을 구동하여 스위칭 작업을 수행합니다. 주 축 상단의 제한 정지와 기계 잠금 장치는 스위칭 위치 정확도를 제어합니다. 동시에 Siemens 보조 스위치와 트리아크 아크 억제 회로는 모터 제어 회로를 차단하여 모터 작동을 중단합니다. 감속기와 주 축 사이의 90도 회전 여유는 모터의 무부하 시작을 가능하게 합니다. 모터 드라이브 모듈의 모습은 그림 4에 표시되어 있습니다.
2.3 차단기 폐쇄 정확도 해결책
폐쇄 작업은 고압 스위치 장비에서 중요한 단계입니다. 불충분한 폐쇄 정확도는 전체 전력 시스템의 안정적인 작동에 영향을 미칠 수 있습니다. 전기 작동 메커니즘의 개폐 정확도를 더욱 향상시키기 위해, 본 설계는 기계 잠금 장치와 Siemens 보조 스위치, 마찰 커플러를 사용하여 일정 정도의 정확도를 향상시킵니다.
2.3.1 Siemens 보조 스위치와 트리아크 아크 억제 회로
보조 스위치는 주 모터 회로에 연결되어 모터 회로의 on-off를 제어합니다. 보조 스위치는 외부 환경 영향으로 인해 녹슬지 않으며, 내부 마찰 메커니즘이 우발적인 폐쇄를 방지합니다. 접점은 스프링 로드 핀과 경질 케이스를 사용하여 안정적이고 신뢰적인 연결을 보장합니다. 구체적인 구조는 그림 6에 표시되어 있습니다.
트리아크 아크 억제 회로 설계 원리: 보조 스위치가 분리될 때 아크가 생성됩니다. 아크가 너무 커서 스위치를 손상시키지 않도록, 트리아크 아크 억제 회로가 보조 스위치와 병렬로 연결되어 아크를 흡수합니다. 구체적인 회로 설계는 그림 7에 표시되어 있으며, 접점 1, 2, 3, 4는 모두 보조 스위치 접점입니다. (접점 1과 2는 트리아크 아크 억제 회로의 on-off를 제어하고, 접점 3과 4는 주 모터 회로의 on-off를 제어합니다. 접점 3과 4가 먼저 분리되고 접점 1과 2가 분리되어 아크 억제를 달성합니다).
2.3.2 마찰 커플러의 기능
마찰 커플러는 어떤 이상 작동 조건에서도 모터를 보호합니다. 고압 차단기가 폐쇄 후 위치에 도달하면 주 모터 회로가 빠르게 차단됩니다. 그러나 기계적 회전 관성으로 인해 모터가 즉시 멈추지 못합니다. 이때 마찰 커플러는 힘을 분산시키는 역할을 합니다. 마찰 기어가 공회전하여 모터의 기계적 관성을 소진시키고, 고압 차단기의 개폐 작업 중 정확한 위치를 보장합니다. 또한 스프링의 조임을 조정하여 다양한 차단기의 개폐 작업에 맞는 마찰 토크를 변경할 수 있습니다. 마찰 커플러는 그림 8에 표시되어 있습니다.
CJx형 전기 작동 메커니즘에 대한 설계된 방안의 장점
제안된 설계는 여행 스위치와 제한 스위치와 같은 전기 부품을 제거하여 불안정 요인을 줄이고 전기 작동 메커니즘의 신뢰성을 향상시킵니다. 또한 많은 접점을 가진 단자대를 제거하여 배선 회로를 단순화합니다. 모듈형 설계를 통해 두 모듈을 연결하는 5개의 케이블만 필요하여 고장 수리를 크게 개선합니다. 또한 열자석 회로 차단기와 기존 전자 모터 보호 장치와 함께 여러 보호 계층을 형성할 수 있습니다. 전기 제어 회로가 고장 나더라도 기계 잠금 장치와 마찰 커플러가 모터의 안전을 보장합니다. 마찰 커플러는 모터의 기계적 관성으로부터 오는 힘을 상쇄하고, 기계 잠금 장치는 제한 정지의 "반동"을 방지하여 고압 차단기의 정확한 개폐를 보장하고 그 무결성을 유지합니다. 또한 모터의 무부하 시작은 시작 전류를 최소화하여 장비 충격을 방지하고 작동 메커니즘의 수명을 연장합니다.
3 실험 검증
"고압 교류 차단기 및 접지 스위치"와 "고압 교류 스위치 및 제어 장비의 일반 기술 요구 사항"과 같은 관련 표준을 준수하여, 기계 잠금 장치와 마찰 커플러의 조합은 차단기의 개폐 정확도를 더욱 향상시킵니다. CJx 시리즈 전기 작동 메커니즘과 비교하여 더 높은 신뢰성과 안전성을 제공합니다. 여러 개폐 테스트와 제한 정지와 제한 나사 사이의 각도 편차 측정을 통한 오류 검출 결과, 이들은 밀접하게 일치하며, 실제 가공 오차는 1° 이내로 기술 표준을 충분히 충족합니다. 실제 위치는 그림 9에 표시되어 있습니다.
4 결론
고압 차단기의 작동 메커니즘은 전력망의 주요 장비 중 하나로서, 그 신뢰성과 안전성이 매우 중요합니다. 본 논문은 전기 작동 메커니즘을 연구 대상으로 하여 분산형 제어 방법에 대한 상세한 설계와 분석을 수행하고, 실험을 통해 검증하여 기대한 결과를 달성하였습니다.분산형 제어의 개념을 바탕으로, 주 제어기에서 모터를 구동하여 고압 차단기의 개폐 작업을 안전하고 정확하게 제어합니다.
모듈형 설계 접근법을 통해 전기 작동 메커니즘은 주로 전기 제어 모듈과 모터 드라이브 모듈로 나누어 배선의 복잡성을 줄이고 유지보수 속도를 향상시킵니다.기계 잠금 장치를 설치하고, Siemens 보조 스위치와 마찰 커플러의 특수 구조를 통해 차단기의 개폐 정확도가 향상되었습니다.
