진공 회로 차단기의 EIB 메커니즘에서 발생하는 주축 결함에 대한 분석 및 논의

진공 회로 차단기는 아크 소멸 매체와 아크 소멸 후 접점 간격의 절연 매체가 모두 진공인 회로 차단기 유형입니다. 산업 및 광업 기업에서 전력 장비 및 전동 장비를 위한 보호 및 제어 장치로서 실내 교류 고압 진공 회로 차단기는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있으며, 고정식 캐비닛, 중앙 장착 캐비닛, 이중층 캐비닛에 설치할 수 있습니다. 스위치 기어 중 중요한 전기 장치인 고압 회로 차단기는 정격 작업 전류에서 빈번한 작동이나 단락 회로 전류의 여러 차례의 중단이 필요한 장소에 적합합니다.

본 논문은 EIB 진공 회로 차단기의 스위치가 빈번한 작동으로 인해 제대로 개폐되지 않는 문제를 분석하였습니다. 실험을 통해 메인 축 오른쪽의 트리핑 스프링이 떨어져 나가는 것이 회로 차단기가 제대로 개폐되지 못하는 원인임을 발견하였습니다. 이를 해결하기 위해 조정 셔림을 설치하는 개선 방안을 제안하였으며, 이는 기업 생산의 안전 건설에 일정한 참고 가치가 있습니다.

진공 회로 차단기 구조

진공 회로 차단기는 주로 진공 아크 소멸실, 작동 기구, 지지대 등으로 구성됩니다.

진공 아크 소멸실

진공 아크 소멸실은 또한 진공 스위치 튜브라고도 알려져 있으며, 그 작동 원리는 튜브 내부의 진공 매체의 우수한 절연 특성을 활용하여 전원 공급이 차단된 후 중·고압 회로에서 아크를 신속하게 소멸시키고 전류를 차단하는 것입니다. 그 주요 구조는 다음과 같습니다:

• 밀폐 절연 시스템: 이는 진공 환경에서 폐쇄된 컨테이너로, 주로 밀폐 절연 실린더, 이동식 엔드 플레이트, 고정식 엔드 플레이트, 스테인리스 벨로우즈로 구성됩니다. 밀폐성을 확보하기 위해 밀봉 연결부에는 엄격한 작업 과정이 필요하며, 극히 낮은 기체 투과성 재료가 필요하고 내부 기체 방출량도 최소값으로 제한해야 합니다.

• 전도 시스템: 이는 주로 고정 전극과 이동 전극으로 구성됩니다. 고정 전극은 고정 접점, 고정 도전 막대, 고정 아크 달리기 표면을 포함하며, 이동 전극은 이동 접점, 이동 도전 막대, 이동 아크 달리기 표면을 포함합니다. 접점 구조 유형은 대략적으로 나선형 홈 아크 달리기 표면을 가진 횡자기장 형, 종자기장 형, 원통형으로 나눌 수 있습니다. 작동 기구는 이동 도전 막대의 움직임을 통해 두 접점을 닫아 회로 연결을 완료합니다.

• 방호 시스템: 이는 주로 방호 실린더, 방호 덮개 등의 장치로 구성됩니다. 현재 일반적으로 사용되는 방호 덮개에는 벨로우즈 방호 덮개와 접점 주변의 주 방호 덮개가 포함됩니다. 주 방호 덮개는 국부적인 전계 강도를 감소시키고 아크 소멸실 내부의 전기장 분포의 균일성을 개선하여 진공 아크 소멸실의 미니어처화에 유리합니다. 또한 아크 발생 중에 아크 생성물이 절연 하우징의 내벽으로 튀는 것을 방지하여 하우징의 절연 효과가 아크 방전에 의해 영향을 받지 않도록 합니다. 아크 에너지를 흡수하고 아크 생성물을 응축하여 아크 후 간격의 절연 회복을 가속화시킵니다.

작동 기구

다양한 유형의 회로 차단기는 서로 다른 작동 기구를 사용합니다. 일반적으로 사용되는 작동 기구로는 스프링 작동 기구, IEE-Business 스프링 에너지 저장 작동 기구, CT8 스프링 에너지 저장 작동 기구, CT19 스프링 에너지 저장 작동 기구, CD10 전자석 작동 기구, CD17 전자석 작동 기구 등이 있습니다. 그 중 스프링 작동 기구는 크기가 작고, 닫힘 전류가 작고, 신뢰성이 높아 현재 다양한 전압 수준의 스위치 기어에서 널리 사용되고 있습니다.

진공 회로 차단기의 기능 및 원리

기능 및 특성

정상적인 작동 조건에서 기술적 매개변수 범위를 충족하는 진공 회로 차단기는 해당 전압 수준의 전력망에서 안전하고 신뢰성 있게 작동할 수 있습니다. 진공 회로 차단기의 기계적 수명은 약 20,000회이며, 전체 용량의 단락 회로 전류 차단 횟수는 50회입니다. 작업 전류 범위 내에서 빈번하게 작동하거나 여러 번 단락 회로 전류를 차단할 수 있습니다. 고압 진공 회로 차단기는 높은 신뢰성, 연중 무휴 작동, 유지 보수가 필요 없음, 완전한 기능, 좋은 상호 교환성, 강력한 다목적성 등의 장점을 가지고 있으며, 다양한 특성을 가진 재접속 작업에 적용될 수 있습니다. 진공 회로 차단기는 수직 절연 실린더와 고체 절연 구조-통합 고체 밀폐 극 기둥을 채택하여 다양한 특수 환경의 영향을 견딜 수 있으며, 유지 보수가 필요 없습니다. 또한, 진공 회로 차단기는 고정 설치, 철거 가능, 프레임 설치 등 다양한 사용 방법이 가능합니다.

원리 소개

진공 회로 차단기의 이동 접점과 고정 접점이 충전 상태에서 열리면 접점 사이에 진공 아크가 발생합니다. 아크는 접점 표면의 온도를 상승시켜 접점 표면에 금속 증기를 발생시킵니다. 접점의 특수한 형태에 따라 전류가 통과할 때 생성되는 자기장의 작용으로 아크는 접점 표면의 접선 방향으로 빠르게 이동합니다. 아크 기둥의 금속 증기와 전하 입자는 계속해서 바깥으로 확산되며, 금속 증기와 전하 입자의 밀도는 계속해서 감소합니다. 아크가 자연적으로 제로를 통과하면 접점 사이의 매체는 전도체에서 절연체로 신속하게 복구되어 전류가 차단되고 아크가 소멸됩니다.

고장 원인 요약 및 분석

빈번한 작동으로 인해 진공 회로 차단기가 제대로 개폐되지 않거나 완전히 개폐되지 않는 상황을 분석한 결과, 현장 조사에서 스위치 메인 축 오른쪽 끝의 볼트가 떨어져 나가면서 오른쪽 트리핑 스프링이 떨어져 메인 축에 걸렸다는 것을 발견했습니다. 기구의 트리핑은 메인 축 왼쪽의 트리핑 스프링에만 의존하게 되어 스위치가 완전히 열리지 않았습니다. 이러한 고장이 발생할 확률은 상대적으로 낮지만, 발생할 경우 여전히 생산 안전 사고를 초래할 수 있습니다. 따라서 고장 원인을 분석하고 잠재적인 안전 위험을 제거하여 안전한 생산을 보장하는 것이 필요합니다.

해결책 및 검증 계획

EIB 기구 회로 차단기의 스위치 메인 축 양쪽 트리핑 스프링을 고정하는 볼트는 일반 볼트 + 스프링 워셔(도 1 참조)입니다. 빈번한 스위치 작동 후, 메인 축 오른쪽 트리핑 스프링을 고정하는 볼트가 진동으로 인해 떨어져 나가면서 오른쪽 트리핑 스프링이 떨어져 메인 축에 걸렸습니다. 기구의 트리핑은 메인 축 왼쪽의 트리핑 스프링에만 의존하게 되어 스위치가 완전히 열리지 않았습니다. 현장 조사를 통해 메인 축 오른쪽의 스플라인 축과 외부 케이싱 사이에 약 4mm의 축 방향 길이 차이가 있고, 엔드 커버가 변형되어 안쪽으로 함몰되었다(도 2 참조)는 것을 발견했습니다. 이 고장, 즉, 개폐 메인 축의 끝 볼트가 느슨해져 트리핑 스프링이 떨어져 회로 차단기 고장이 발생한 것에 대한 검증을 위해, 해당 구조의 회로 차단기를 재조립하여 고장 시뮬레이션을 수행하였습니다:

이 시뮬레이션 회로 차단기의 메인 축 오른쪽 스플라인 축과 외부 케이싱 사이의 축 방향 길이를 조정하여 약 4mm의 간격을 만들었습니다(도 3 참조), 그리고 45Nm의 토크로 토크 스패너를 사용하여 조여 기계 운전실에 넣어 기계 운전을 수행하였습니다. 초기 카운터 값은 26회였으며, 조여진 후 엔드 커버는 약간 함몰되었습니다. 과정은 도 4에 나타났습니다.

결론적으로, 지정된 토크가 45 Nm일 때, 축 소켓과 스플라인 축 사이의 축 방향 길이가 4 mm이고 엔드 커버가 변형되어 함몰되어도 2,200회 이상 작동할 때까지 잘 고정되어 있었습니다. 그런 다음, 두 번째 단계의 검증을 진행하였습니다.

이 시뮬레이션 회로 차단기의 메인 축 오른쪽 스플라인 축과 외부 케이싱 사이의 축 방향 길이를 조정하여 4mm의 간격을 만들었습니다. 35 Nm의 토크로 토크 스패너를 사용하여 조이고, 1단계에서 변형되고 함몰된 엔드 커버를 사용하여 선을 긋고 기계 운전실에 넣어 기계 운전을 수행하였습니다. 초기 카운트는 2,252회였습니다. 결론적으로, 토크가 35 Nm일 때, 축 소켓과 스플라인 축 사이의 축 방향 길이가 4 mm이고 엔드 커버가 변형되어 함몰되어도 1,887회 이상 작동할 때까지 잘 고정되어 있었습니다. 그런 다음, 세 번째 단계의 검증을 진행하였습니다(도 6 참조).

이 시뮬레이션 회로 차단기의 메인 축 오른쪽 스플라인 축과 외부 케이싱 사이의 축 방향 길이를 조정하여 4mm의 간격을 만들었습니다. 20 Nm의 토크로 토크 스패너를 사용하여 조이고, 세 번째 단계에서 변형되고 함몰된 엔드 커버를 사용하여 선을 긋고 기계 운전실에 넣어 기계 운전을 수행하였습니다. 초기 카운트는 4,139회였습니다(도 7 참조).

결론적으로, 토크가 20 Nm일 때, 축 소켓과 스플라인 축 사이의 축 방향 길이가 4 mm이고 엔드 커버가 변형되어 함몰되어도 1,671회 이상 작동할 때까지 잘 고정되어 있었습니다. 그런 다음, 네 번째 단계의 검증을 진행하였습니다(도 8 및 도 9 참조).

이 시뮬레이션 회로 차단기의 메인 축 오른쪽 스플라인 축과 외부 케이싱 사이의 축 방향 길이를 조정하여 4mm의 간격을 만들었습니다. 10 Nm의 토크로 토크 스패너를 사용하여 조이고, 네 번째 단계에서 변형되고 함몰된 엔드 커버를 사용하여 선을 긋고 기계 운전실에 넣어 기계 운전을 수행하였습니다. 초기 카운트는 5,810회였습니다(도 10 참조).

시험 과정에서 카운터가 551회에 도달했을 때, 엔드 커버가 초기 위치에 대해 약간 회전하기 시작했습니다(도 11 참조); 카운트가 820회로 증가했을 때, 엔드 커버가 551회 위치에 대해 약간 회전했습니다(도 12 참조); 카운트가 1,122회에 도달했을 때, 트리핑 스프링이 육안으로 뜯어졌습니다(도 13 참조); 카운트가 1,261회로 증가했을 때, 트리핑 스프링이 떨어져 나갔습니다(도 14 참조).

시험 과정 요약

EIB 스프링 작동 기구의 메인 축 설계는 벨기에 EIB 회사의 설계를 기반으로 하고 있습니다. 크랭크암이 정확히 위치한 후, 양쪽 볼트를 지정된 토크 값으로 조여 스프링 워셔(스프링강으로 제작됨)를 마찰로 손쉽게 고정합니다. 조립 후 워셔는 평평해지고, 그 반발력은 나사산 사이의 압착력과 마찰력을 유지합니다. 이 메인 축 구조 설계와 손쉽게 고정하는 조치는 중국 전력 연구원(CEPRI)에서 수행한 기계 수명 유형 테스트에서 신뢰성이 입증되었습니다.

EIB 기구 메인 축의 초기 공정 문제

초기 조립 과정에서 작업자는 다양한 허용치 등급의 슬리브를 조정하여 차원을 균형 잡아야 했습니다. 이로 인해 조립 품질이 일관적이지 않고 관리하기 어려웠습니다. 회로 차단기 메인 축이 조립된 후 누적 오차로 인해 내부 스플라인 축과 외부 슬리브 사이의 축 방향 길이에 차이가 생겼습니다. 볼트가 지정된 토크로 조여지면 엔드 커버의 중앙 부분이 안쪽으로 함몰되었습니다. 엔드 커버는 비스프링강 탄성 재료로 만들어져 변형 후 복구되지 않습니다. 또한, 작동 중 충격으로 인해 메인 축 슬리브가 크리핑할 수 있어, 볼트의 조임 토크가 점차 감소할 수 있습니다(볼트나 엔드 커버와 같은 부품에서는 토크가 크게 약해질 때까지 눈에 띄는 변화가 없습니다). 일반적인 유지 보수에서도 일반 스패너로 충분한 토크를 적용하기 어렵습니다. 결국, 토크가 10 Nm 미만으로 떨어지면 엔드 커버가 빠르게 느슨해져 스프링 워셔의 손쉽게 고정하는 효과가 파괴됩니다.

개선된 공정

엔드 커버의 함몰로 인한 토크 감소를 제거하기 위해 공정을 조정하였습니다: 전체 조립 후, 균형을 맞추기 위해 조정 셔림을 균일하게 추가하였습니다. 볼트에 스레드 잠금 접착제를 바르고, 45 Nm의 토크로 토크 스패너를 사용하여 조였습니다. 셔림이 설치되면 엔드 커버가 안쪽으로 함몰될 공간이 없어집니다. 엔드 커버는 플라스틱 변형으로 인해 점차적으로 조임 토크를 줄이지 않으므로, 충분한 토크로 회로 차단기가 서비스 수명 동안 안정적이고 신뢰적으로 작동할 수 있습니다.

개선 조치

이 고장이 있는 회로 차단기의 경우, 도 15와 같이 조정 셔림을 설치합니다. 내부 메인 축의 단면과 외부 슬리브를 정렬한 후 볼트로 잠급니다. 볼트에 스레드 잠금 접착제를 바르고, 45 Nm의 토크로 토크 스패너를 사용하여 조입니다.

이러한 저 확률 사건의 발생을 방지하기 위해, 운영 중인 회로 차단기에 대한 포괄적인 검사를 실시하고, 필요한 경우 조정 셔림을 설치하여 운영 중인 회로 차단기가 정상적으로 안정적으로 작동할 수 있도록 합니다.

결론

본 논문은 고압 교류 진공 회로 차단기가 제대로 개폐되지 않는 상황에 초점을 맞추어, 시뮬레이션 분석 및 실험 검증을 통해 트리핑 스프링이 떨어지는 원인을 분석하였습니다. 메인 축 간격으로 인해 엔드 게이지가 변형되고, 장기간의 개폐 진동으로 트리핑 스프링이 떨어져 회로 차단기가 개폐되지 못하는 것으로 확인되었습니다. 이를 해결하기 위해 개선 방안을 제안하고, 그 해결책의 타당성을 자세히 입증하였습니다. 대응하는 개선 조치를 제시하여 고장을 제거하고, 고압 진공 회로 차단기의 정상적인 사용을 복원하며, 기업의 정상적인 생산을 보장하였습니다.