회로 차단기로 작은 유도 전류 차단 시 일시적 회복 전압(TRV)
선형 시스템에서 슈퍼포지션 원리를 사용한 일시적 현상 분석
스위칭 작업으로 인해 발생하는 선형 시스템의 일시적 현상을 분석할 때, 슈퍼포지션 원리는 강력한 도구입니다. 오픈 회로 작동 전에 존재했던 정상 상태 해와 단락 회로 전압 소스 및 오픈 회로 전류 소스에 의해 유발된 일시적 응답을 결합하고, 스위치 접점을 통해 주입되는 전류를 고려함으로써, 스위칭 과정의 종합적인 설명을 얻을 수 있습니다.
오픈 회로 작동의 일시적 현상 분석
오픈 회로 작동 중에, 스위치 단자를 통과하는 전류는 작동 후 0이 되어야 합니다. 따라서, 시스템에 주입되는 전류는 오픈 회로 작동 전에 스위치 단자를 통과하던 전류와 같아야 합니다. 스위치 접점이 분리되기 시작하면, 즉시 일시적 회복 전압(TRV)이 접점 사이에 발생합니다. TRV는 전류가 0이 되는 직후에 나타나며, 실제 시스템에서는 일반적으로 밀리초 동안 지속됩니다. 실용적인 전력 시스템에서 TRV의 특성은 회로 차단기의 성능과 신뢰성에 중요한 역할을 합니다.
일시적 회복 전압(TRV)의 중요성
전력 시스템에서 회로 차단기 작동과 관련된 일시적 현상에 대한 철저한 이해는 테스트 방법을 크게 개선하고 스위칭 장비의 신뢰성을 높이는 데 크게 기여할 수 있습니다. 표준은 TRV 시뮬레이션을 위한 권장 특성 값을 지정하여 엔지니어들이 스위칭 장치의 행동을 더 잘 예측하고 설계할 수 있도록 돕습니다.
다양한 유형의 회로 스위칭
다음 다이어그램은 매우 간단한 회로에서 전류를 차단할 때 회로 차단기 단자의 TRV를 보여줍니다. 각 경우는 회로의 특성에 따라 다른 파형을 생성합니다:
저항 부하: 순수 저항 부하의 경우, 스위칭 작동 후 전류가 빠르게 0으로 떨어져 상대적으로 매끄러운 TRV 파형을 생성합니다.
인덕터 부하: 인덕터 부하의 경우, 전류가 0이 될 때 인덕터 양단의 전압이 최대값에 도달합니다. 인덕터는 에너지를 저장하므로, 이를 다른 구성 요소(예: 커패시터)를 통해 소산해야 하며, 이로 인해 진동이 발생합니다. 이러한 진동은 인덕터와 커패시터 사이의 에너지 전달에 의해 발생합니다.
커패시터 부하: 커패시터 부하의 경우, 스위칭 작동 후 전류가 점진적으로 감소하며, 전압은 급격히 상승합니다. TRV 파형은 일반적으로 급격히 상승하는 전압 펄스를 나타냅니다.
작은 전류 차단과 전류 채핑 현상
전력 시스템에서 작은 전류의 차단은 전류 채핑과 가상 채핑이라는 현상을 초래할 수 있습니다. 이러한 현상은 일시적 회복 전압(TRV)에 큰 영향을 미치며, 과전압과 재점화 문제를 초래할 수 있습니다.
정상적인 차단 대비 전류 채핑
정상적인 차단: 전류가 자연스럽게 0 크로스 포인트에서 차단될 때, 이는 이상적인 스위칭 작동입니다. 이 경우, TRV는 일반적으로 지정된 한도 내에 유지되며, 과전압이나 재점화는 발생하지 않습니다.
전류 채핑: 전류가 0에 도달하기 전에 조기에 차단되는 경우, 이를 전류 채핑이라고 합니다. 전류의 갑작스러운 차단은 일시적 과전압을 발생시키며, 이는 고주파 재점화를 유발할 수 있습니다. 이러한 비정상적인 차단은 회로 차단기와 시스템에 잠재적인 위험을 초래할 수 있습니다.
전류 채핑의 결과
회로 차단기가 전류의 피크 근처에서 전류를 차단할 때, 전압은 거의 즉시 상승합니다. 이 과전압이 회로 차단기에 지정된 유전 강도를 초과하면, 재점화가 발생합니다. 이 과정이 여러 번 반복되면, 고주파 재점화로 인해 전압이 계속 급격히 상승합니다. 이 고주파 진동은 관련 회로의 전기적 매개변수, 회로 구조, 그리고 회로 차단기의 설계에 의해 제어되며, 실제 전력 주파수 전류가 0에 도달하기 전에 0 크로스를 생성합니다.
전류 채핑과 가상 채핑의 차이
전류 채핑: 전류가 0에 도달하기 전에 차단되어 일시적 과전압과 고주파 재점화가 발생합니다.
가상 채핑: 전류가 0에 매우 가까워지는 순간에 차단되는 경우, 이는 여전히 소폭의 과전압과 재점화를 유발할 수 있습니다.
부하 측 전압과 TRV의 비교
다음 다이어그램은 두 가지 다른 시나리오에서 부하 측 전압과 TRV를 비교합니다:
전류 0 포인트에서의 차단: 이 경우, 부하 측 전압은 안정적으로 상승하며, TRV는 지정된 한도 내에 유지되어 정상적인 시스템 작동을 보장합니다.
전류 0 포인트 전에 차단 (전류 채핑): 여기서, 부하 측 전압은 급격히 상승하며, TRV는 크게 증가하여 과전압과 재점화를 유발할 수 있습니다. 이 예제에서 두 번째 시나리오가 더 심각하다는 것이 명확합니다.
전류 채핑 이해의 중요성
전류 채핑의 영향을 더 잘 이해하기 위해, 부하 측 손실의 효과를 무시하고 생각해보십시오. 전류가 0 포인트에서 차단된 후, 부하 측에 저장된 에너지는 주로 커패시터에 있으며, 여기서 전압은 최대값에 도달합니다. 그러나 전류가 0에 도달하기 전에 채핑된다면, 커패시터의 에너지는 완전히 소산되지 않아 전압이 급격히 상승하고, 그 결과 과전압과 재점화 문제가 발생합니다.
(a) 등가 회로. (b) 전류 0 포인트에서의 아크 차단. (c) 전류 0 포인트 전에 아크 차단.
전류 채핑과 고주파 일시적 현상
전류 채핑의 경우, 전류 0 포인트 근처에서 아크의 불안정성이 인접한 네트워크 구성 요소로 흐르는 고주파 일시적 전류를 유발할 수 있습니다. 이 고주파 전류는 작은 전력 주파수 전류 위에 겹쳐지며, 이는 실제로 0으로 채핑됩니다. 특히:
전류 0 포인트 근처의 아크 불안정성: 전류가 0에 접근할 때, 아크는 불안정해져 고주파 일시적 전류를 생성할 수 있습니다. 이러한 전류는 이미 작은 전력 주파수 전류 위에 겹쳐져, 시스템의 일시적 응답을 더욱 복잡하게 만듭니다.
고주파 일시적 전류의 영향: 고주파 일시적 전류의 존재는 특히 인덕터 부하에서 과전압과 재점화를 유발할 수 있습니다. 이러한 전류의 급격한 변화로 인해, 매우 짧은 시간 내에 극도로 높은 전압 피크를 생성할 수 있어, 시스템의 절연 재료에 위협이 됩니다.
가상 채핑과 그 영향
가상 채핑의 경우, 인접한 위상과의 진동으로 인해 아크의 불안정성이 악화되어, 전류가 0에 도달하기 전에도 고주파 전류가 생성됩니다. 특히:
가상 채핑의 메커니즘: 가상 채핑은 전류가 0에 가깝지만 아직 도달하지 않은 상태에서 발생합니다. 이 시점에서, 아크는 인접한 위상의 진동과 상호 작용하여 고주파 전류를 생성합니다. 이로 인해 시스템이 더욱 불안정해지고, 재점화의 위험이 증가합니다.
관찰된 현상: 가상 채핑은 공기, SF6, 오일에서의 기체 아크에서 관찰되었습니다. 진공 아크는 또한 전류 채핑에 매우 민감하며, 진공 환경에서 아크는 외부 조건에 더 취약하여 불안정성이 증가합니다.
채핑과 재점화의 원인
채핑과 재점화, 그리고 관련된 고주파 진동 과전압 현상은 주로 회로 차단기의 설계에 기인합니다. 특히:
고장 전류를 위한 설계: 회로 차단기는 일반적으로 고장 전류를 처리하도록 설계됩니다. 설계가 고전류에 대해 효과적인 성능을 목표로 한다면, 작은 전류에 대해서도 마찬가지로 효과적이어서, 자연스러운 0 크로스 전에 이를 차단하려고 할 수 있습니다.
부정적인 결과: 이러한 설계 접근 방식은 전류 채핑과 재점화를 초래하여 과전압과 기타 바람직하지 않은 효과를 발생시킬 수 있습니다. 예를 들어, 과전압은 시스템의 절연을 손상시켜 장비의 고장이나 수명 단축을 초래할 수 있습니다.
회로 차단기 설계의 최적화
작은 전류와 큰 전류 모두를 효과적으로 처리하기 위해, 회로 차단기 설계는 다양한 조건 하에서 신뢰성 있는 성능을 보장하기 위한 여러 기능을 포함해야 합니다. 구체적인 권장 사항은 다음과 같습니다:
작은 전류와 큰 전류에 대한 성능 균형: 회로 차단기 설계는 작은 전류와 큰 전류를 모두 고려해야 하며, 한 유형에 대한 과도한 최적화로 인해 다른 유형의 성능이 저하되지 않도록 해야 합니다. 예를 들어, 접촉 재료, 아크 소멸 실 설계, 제어 전략 등을 조정하여 다양한 전류 수준에서 성능 균형을 맞출 수 있습니다.
고주파 진동 감소: 설계는 특히 전류 0 포인트 근처에서 고주파 진동을 최소화하도록 목표를 세워야 합니다. 적절한 감쇠 요소를 도입하거나, 회로 매개변수를 최적화하여 고주파 일시적 전류를 억제할 수 있습니다.
절연 성능 향상: 잠재적인 과전압을 처리하기 위해, 회로 차단기의 절연 설계는 충분한 유전 강도를 가져야 합니다. 고성능 절연 재료를 선택하고, 절연 구조를 최적화하여 극단적인 조건에서도 신뢰성 있는 절연을 보장할 수 있습니다.
