단락 전류 조건 하의 스위치기어 제작 조건
스위치기어에서 전류 유동 및 사전 방전 현상에 대한 상세 설명
스위치기어, 특히 회로 차단기(CB)와 부하 차단 스위치(LBS)에서 전류 유동은 접점이 닫히기 시작할 때 전기 아크가 발생하는 과정을 의미합니다. 이 과정은 접점이 물리적으로 접촉하기 직전에 일어나며, 이는 사전 방전이라는 현상 때문입니다. 아래는 이러한 현상과 그 영향에 대한 상세한 설명입니다.
사전 방전: 접점 접촉 전의 아크 발생
절연 파괴: 접점이 닫히는 동안 서로 가까워지면서, 그 사이의 절연 매체(공기, SF6, 진공 등)가 절연 파괴를 겪습니다. 이는 접점 간의 전기장이 증가하면서 발생하며, 전기장 강도가 절연 매체의 절연 강도를 초과하면 간격이 파괴되고 스위칭 아크가 발생합니다.
전기장 축적: 접점이 서로에게 접근하면서 그 사이의 전기장이 축적됩니다. 이 전기장은 접점 사이의 전압에 비례하고, 거리에 반비례합니다. 전기장이 충분히 강해지면 기체 분자가 이온화되어 전류가 흐를 수 있는 도전 경로가 형성됩니다.
아크 발생: 아크는 접점이 실제로 접촉하기 전, 일반적으로 몇 밀리초 전에 발생합니다. 이를 사전 방전이라고 합니다. 사전 방전 중에는 접점 사이의 작은 간격에서 아크가 형성되며, 접점이 물리적으로 접촉하기 전에 전류가 아크를 통해 흐릅니다.
사전 방전의 영향
접점 표면의 과도한 용융: 사전 방전에 관련된 에너지가 크다면 접점 표면의 과도한 용융을 초래할 수 있습니다. 특히 단락 조건에서는 전류가 매우 높을 수 있으며, 접점 표면의 용융 금속이 접점을 용접시켜 두 표면이 결합될 수 있습니다.
접점의 용접: 용접된 접점은 다음 열기 명령에 적절하게 응답하지 못할 수 있습니다. 스위치기어의 작동 메커니즘이 용접된 부분을 끊는데 충분한 힘을 제공하지 않으면 장치가 제대로 열리지 않을 수 있어 안전 위험과 장비 손상을 초래할 수 있습니다.
단락 전류 특성: 단락 전류는 종종 DC 성분을 포함하며, 이는 순수 AC 단락 전류보다 피크 전류가 훨씬 높아질 수 있습니다. 이 증가된 피크 전류는 사전 방전의 영향을 심각하게 만들고, 더 심각한 접점 손상과 용접을 초래할 수 있습니다.
아크 전압 의존성: 아크 전압은 스위치기어에서 사용되는 절연 매체에 크게 의존합니다. 매우 짧은 아크 길이에서도 전극 근처에서 상당한 전압 강하가 발생할 수 있습니다. 이는 아크 저항이 길이 전체에 걸쳐 균일하지 않고, 전극 근처에서 열과 이온화 입자의 집중으로 인해 저항이 높기 때문입니다.
단락 조건 하의 접점 닫힘
회로 차단기(CB): 회로 차단기에서 단락 조건 하의 접점 닫힘은 특히 어려운 작업입니다. 높은 전류 수준과 DC 성분의 존재로 인해 강렬한 아크와 접점 손상이 발생할 수 있습니다. 현대적인 회로 차단기는 이러한 영향을 완화하기 위해 고급 재료와 냉각 메커니즘을 설계했지만, 사전 방전은 여전히 주요 문제입니다.
부하 차단 스위치(LBS): 부하 차단 스위치도 접점 닫힘 중 사전 방전에 취약하며, 특히 고전류 애플리케이션에서 그러합니다. 그러나 LBS 장치는 회로 차단기에 비해 낮은 전압과 전류 애플리케이션에서 주로 사용되므로, 심각한 접점 손상의 위험이 일반적으로 낮습니다.
스위치기어에서의 접점 닫힘 단계
스위치기어의 접점 닫힘 작업은 다음과 같이 여러 단계로 나눌 수 있습니다:
단계 1: 접점의 초기 접근: 접점이 서로에게 접근하기 시작하며, 그 사이의 전기장이 축적되기 시작합니다. 이 단계에서는 아직 전류가 흐르지 않지만, 사전 방전의 가능성이 증가합니다.
단계 2: 사전 방전 아크 형성: 접점이 가까워짐에 따라 전기장이 절연 매체의 절연 강도를 초과하여 절연 파괴가 발생합니다. 사전 방전 아크가 형성되며, 접점이 접촉하기 전에 전류가 아크를 통해 흐릅니다.
단계 3: 접점 접촉 및 아크 전달: 접점이 마침내 물리적으로 접촉하고, 아크가 접점 사이의 간격에서 접점 표면으로 전달됩니다. 현재 닫힌 회로를 통해 전류가 계속 흐릅니다.
단계 4: 정상 상태 작동: 접점이 완전히 닫힌 후 시스템은 정상 상태 작동으로 들어가며, 아크 없이 닫힌 접점을 통해 전류가 흐릅니다.
완화 전략
사전 방전과 접점 용접의 영향을 최소화하기 위해 다음과 같은 설계 및 운영 전략을 채택할 수 있습니다:
고절연 강도 절연 매체 사용: SF6 가스나 진공과 같은 고절연 강도의 절연 매체를 사용하면, 파괴를 일으키기 위해 더 높은 전기장을 필요로 하므로 사전 방전의 가능성을 줄일 수 있습니다.
고급 접점 재료: 고용점과 좋은 열 전도성을 가진 접점 재료를 사용하면 사전 방전 중 접점 손상을 줄일 수 있습니다. 고전압 스위치기어에서는 구리-텅스텐 합금과 같은 재료가 일반적으로 사용됩니다.
냉각 메커니즘: 퍼퍼 시스템이나 강제 가스 유동과 같은 냉각 메커니즘을 통합하면 아크로부터 발생하는 열을 분산시키고 접점 표면의 온도를 낮추어 용접 위험을 최소화할 수 있습니다.
기계 설계 개선: 작동 메커니즘이 용접된 부분을 열기 동작 중에 충분한 힘으로 끊을 수 있도록 하는 것은 스위치기어가 제대로 열리지 않는 것을 방지할 수 있습니다.
보호 시스템: 과전류 계전기와 고장 감지 메커니즘과 같은 보호 시스템을 구현하면 단락 조건을 더 빠르게 감지하고 대응하여 아크의 지속 시간과 강도를 줄일 수 있습니다.
결론
접점이 실제로 접촉하기 전에 아크가 발생하는 사전 방전 현상은 스위치기어에서 접점 닫힘 작업의 중요한 측면입니다. 이는 과도한 접점 손상, 용접, 그리고 스위칭 장치의 잠재적인 실패를 초래할 수 있습니다. 사전 방전에 기여하는 요인, 즉 전기장 축적과 절연 매체의 특성 등을 이해하는 것은 신뢰성 있는 스위치기어를 설계하고 운영하는 데 필수적입니다. 고절연 강도 절연 매체, 고급 접점 재료, 냉각 메커니즘 등의 적절한 완화 전략을 채택함으로써 사전 방전의 영향을 최소화하고, 회로 차단기와 부하 차단 스위치 모두에서 안전하고 신뢰성 있는 스위치기어 작동을 보장할 수 있습니다.
