가스 고압 회로 차단기의 퍼플러 단락
Puffer-Type SF6 회로 차단기의 아크 소멸 과정 상세 설명
Puffer-Type SF6 회로 차단기에서 아크 소멸 과정은 특히 단락 조건 하에서 고전류를 신뢰성 있게 차단하는 중요한 메커니즘입니다. 이 과정은 주 접점, 아크 접점, 그리고 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 노즐 간의 상호 작용을 포함하며, 압축된 SF6 가스 흐름을 유도하여 아크를 소멸시킵니다. 아래는 단계별로 아크 소멸 과정의 상세한 설명입니다:
초기 상태: 주 접점이 열리고, 전류가 아크 접점으로 전환됨
주 접점: 주 접점은 정상 부하 전류를 운반하도록 설계된 더 큰 접점으로, 아크 접점 외부에 동심원으로 배치되어 있습니다. 이 초기 상태에서는 주 접점이 이미 열렸으며, 전류가 아크 접점으로 전환되었습니다.
아크 접점: 아크 접점은 아크 발생 시 생성되는 고온과 고압을 처리하도록 특별히 설계된 작은 접점입니다. 이 접점들이 열리면서 아크가 발생합니다.
아크 발생: 아크 접점이 분리되기 시작함
아크 접점이 분리되기 시작하면서, 전류는 접점 사이의 작은 간격을 통해 계속 흐르며 아크를 형성합니다. 이 시점에서 아크는 비교적 안정적이며, 움직이는 접점에 고정된 PTFE 노즐이 압축된 SF6 가스를 퍼퍼 볼륨에서 아크 쪽으로 유도하기 시작합니다.
초기에 가스 흐름은 제한적입니다. 특히 고단락 전류에서는 아크 단면적이 크기 때문에, 이 현상을 '전류 막힘'이라고 합니다. 전류 막힘 현상 중에는 아크가 노즐 구멍 지름보다 클 때 가스 흐름이 부분적으로 차단되어 아크를 효과적으로 냉각하지 못합니다.
가스 압력 증가와 아크 축소
기계적 움직임과 열 전달: 아크 접점이 계속 분리되면서 접점의 기계적 움직임은 퍼퍼 볼륨 내의 SF6 가스를 더욱 압축합니다. 또한 아크로부터 발생하는 열이 가스로 전달되어 가스의 온도가 급격히 상승합니다. 이러한 기계적 압축과 열 전달의 조합으로 인해 퍼퍼 볼륨 내의 가스 압력이 크게 증가합니다.
전류 영점 접근: 아크가 자연적인 영점(교류 전류가 영점을 통과하는 시점)에 접근하면서 아크의 단면적이 감소하기 시작합니다. 아크 크기의 감소로 인해 압축된 SF6 가스가 노즐을 통해 더 자유롭게 흐를 수 있게 됩니다.
강력한 가스 분출: 아크 접점이 완전히 분리될 때, 퍼퍼 볼륨 내의 압축된 가스가 노즐을 통해 방출되며, 이를 통해 아크를 직접적으로 강력하게 분출합니다. 이 고속 가스 흐름은 아크를 빠르게 냉각시키고, 아크를 늘려서 이온화 플라즈마를 교란시켜 아크를 소멸시킵니다.
아크 소멸 및 절연 강도 회복
아크 소멸: 아크가 전류 영점에서 소멸되면, 전류 흐름이 중단되고 아크는 더 이상 존재하지 않습니다. 아크가 없어지면 열원이 제거되어 SF6 가스가 냉각됩니다.
가스 입자 재결합: 아크가 소멸된 후, 분해된 SF6 가스 입자(SF4, S2F10 등)가 재결합하여 원래의 화학적 구조를 회복합니다. 이 재결합 과정은 가스의 절연 특성을 회복시키기도 합니다.
절연 강도 회복: 가스 입자의 빠른 재결합과 가스의 냉각으로 인해 접점 사이의 절연 강도가 빠르게 회복됩니다. 이렇게 함으로써 전류가 영점을 통과한 후 접점 사이의 전압이 증가해도 아크가 다시 발생하지 않도록 합니다.
접점 움직임 중단: 아크가 소멸되고 절연 강도가 회복되면, 접점의 움직임이 중단됩니다. 회로 차단기(CB) 내의 가스 압력은 안정화되고, 시스템은 정상적인 비전도 상태로 돌아갑니다.
주의할 점:
전류 막힘: 고단락 전류에서는 아크 단면적이 노즐 구멍 지름보다 클 수 있어 일시적으로 가스 흐름이 차단됩니다. 이를 '전류 막힘'이라고 합니다. 그러나 기계적 압축과 아크로부터의 열 전달로 인해 가스 압력은 계속 증가합니다.
퍼퍼 볼륨 및 노즐 설계: 퍼퍼 볼륨은 압축된 SF6 가스를 저장하는 중요한 구성 요소로, 이 가스는 PTFE 노즐을 통해 방출됩니다. 노즐은 가스 흐름을 정확하게 아크로 유도하여 효과적인 냉각과 아크 소멸을 보장하도록 설계되었습니다.
빠른 절연 강도 회복: SF6 가스의 주요 장점 중 하나는 아크가 소멸된 후 절연 특성이 빠르게 회복되는 것입니다. 이로 인해 회로 차단기는 고전류를 안전하게 차단하면서 아크 재발생 위험을 최소화할 수 있습니다.
결론
Puffer-Type SF6 회로 차단기의 아크 소멸 과정은 특히 단락 조건 하에서 고전류를 효율적이고 신뢰성 있게 차단하는 방법입니다. 기계적 압축, 가스 흐름, 그리고 SF6 가스의 독특한 특성의 조합으로 인해 아크는 빠르게 소멸되고, 접점 사이의 절연 강도가 빠르게 회복됩니다. 이러한 설계 덕분에 회로 차단기는 큰 고장 전류를 처리하면서 전기 시스템의 무결성과 안전성을 유지할 수 있습니다.
