배관의 진공 차단기에서의 역할

진공 차단기와 벨로우즈 소개

기술 발전과 지구 온난화에 대한 우려가 증가함에 따라 진공 회로 차단기는 전기 공학 분야에서 중요한 고려 사항이 되었습니다.
미래의 전력망은 회로 차단기의 스위칭 성능에 더욱 엄격한 요구를 제시하며, 특히 높은 스위칭 속도와 연장된 운용 수명을 강조합니다. 중압 회로 차단기에서는 진공 차단기(VIs)가 널리 선호되고 있습니다. 이는 진공을 차단 매체로 사용하는 것이 이 특정 적용 범위 내에서 독보적인 장점을 제공하기 때문입니다. 진공 차단기는 진공 회로 차단기의 핵심 구성 요소이며, 벨로우즈는 진공 차단기 내에서 중요한 역할을 합니다.

금속 벨로우즈는 초고진공 밀폐를 유지하면서 동시에 차단기 챔버 내의 이동 접점의 이동을 가능하게 설계되었습니다. 그러나 진공 차단기의 기계적 수명은 주로 소위 진공 벨로우즈에 의해 제약됩니다. 미래의 회로 차단기에서 더 빠른 스위칭 속도를 추구하면 더 높은 동적 충격형 하중이 발생하게 됩니다. 이러한 하중은 벨로우즈의 진폭이 큰 진동을 유발하여 벨로우즈의 수명을 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 미래의 전력망에서 스위칭 작업의 빈도가 증가할 것으로 예상되는 점을 감안할 때, 진공 벨로우즈의 시뮬레이션은 그 설계를 최적화하고 결과적으로 진공 차단기의 기계적 수명을 향상시키는 데 필수적입니다.

진공 차단기에서 벨로우즈의 역할

벨로우즈는 얇은 스테인리스 강판으로 제작되며, 접점의 개폐를 가능하게 하면서 차단기 내부의 진공 환경을 유지하도록 설계되었습니다.
벨로우즈의 피로 저항은 진공 차단기의 기계적 수명을 결정하는 주요 요소입니다. 모든 접점 개폐 작업은 벨로우즈에 스트레스를 가하며, 특히 끝부분에 위치한 구부러짐 부분에 영향을 미칩니다. 운영 움직임으로 인한 직접적인 기계적 스트레스 외에도, 접점 움직임이 멈추면 벨로우즈는 후진동을 경험합니다. 이러한 진동은 벨로우즈의 마모와 파손을 가속화하여 시간이 지남에 따라 그 손상을 가속화합니다.
그림 1은 Sigma-Netics 회사에서 제조한 진공 차단기용 특정 유형의 벨로우즈를 보여줍니다.

그림 1: Sigma-Netics 회사의 진공 차단기 벨로우즈

진공 차단기의 기계적 수명은 여러 중요한 접점 움직임 매개변수에 크게 영향을 받습니다:

• 정상 상태 접점 스트로크 또는 간격: 이것은 작동 중 접점이 분리되는 거리를 결정하며, 전기 절연 및 아크 소멸 능력에 영향을 미칩니다.

• 개폐 속도: 더 빠른 속도는 스위칭 성능을 향상시키지만, 벨로우즈를 포함한 구성 요소에 더 큰 동적 하중을 가하게 됩니다.

• 개폐 스트로크 말단의 움직임 감쇠: 적절한 감쇠는 진동을 최소화하고 벨로우즈 및 기타 부품에 가해지는 기계적 스트레스를 줄이는 데 필수적입니다.

• 개방 시 오버슈트 및 리바운드: 이러한 현상은 접점과 벨로우즈에 추가적인 마모와 파손을 일으켜 전체 수명을 단축시킬 수 있습니다.

• 마운팅 탄성: 진공 차단기가 마운팅되는 방식은 작동 중 힘의 분포에 영향을 미치며, 벨로우즈의 기계적 수명에 영향을 미칩니다.

• 닫힘 시 접점 반등: 과도한 접점 반등은 아크 발생과 벨로우즈에 가해지는 스트레스 증가로 인해 시간이 지남에 따라 그 성능을 저하시킵니다.

벨로우즈는 진공 차단기에서 이중 역할을 합니다. 이동 접점의 움직임을 가능하게 하면서 진공 밀폐를 유지합니다. 스테인리스강으로 제작되어, 일반적으로 약 150 µm 두께로, 차단기 내의 혹독한 운용 조건을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 세 가지 유형의 벨로우즈가 진공 차단기 설계에 성공적으로 통합되었습니다:

• 시ーム리스 하이드로폼 벨로우즈: 이러한 벨로우즈는 눈에 보이지 않는 시접 없이 형성되어, 잠재적으로 향상된 무결성과 성능을 제공합니다.

• 시움 하이드로폼 벨로우즈: 하이드로포밍 후 시움을 통해 제작되며, 비용과 성능 요구 사항 사이의 균형을 맞춥니다.

• 얇은 스테인리스강 워셔로 제작된 벨로우즈: 얇은 워셔를 용접하여 제작되며, 특정 응용 분야에 경제적인 해결책을 제공합니다.

벨로우즈 설계 및 성능에 대한 종합적인 정보는 EJMA 표준에서 찾을 수 있습니다.

벨로우즈의 한쪽 끝은 진공 차단기의 끝 플레이트에 브레이징하여 고정되며, 다른 끝은 이동 터미널에 브레이징되어 접점이 개폐될 때 함께 움직입니다. 진공 차단기에서 벨로우즈는 접점 작동 중 충격적인 움직임을 겪습니다. 이동 접점의 개방 속도는 100 µs 미만으로 0 m/s에서 최대 2 m/s까지 급격히 증가할 수 있습니다. 접점 스트로크의 끝에서, 개방이나 폐쇄 여부에 관계없이, 벨로우즈의 이동 끝이 갑자기 멈춥니다.

이런 개폐 작업의 빈도는 작동 주기에 따라 달라집니다. 일부 경우에는 여러 번 발생할 수 있지만, 다른 경우에는 드물게 발생할 수 있습니다. 벨로우즈에 가해지는 움직임은 균일하지 않으며, 한 번의 개폐 작업 중에도 벨로우즈가 여러 번 진동하는 것이 일반적입니다. 이러한 벨로우즈 움직임을 분석하려는 사람들을 위해, 충격적인 움직임 하에서 벨로우즈가 겪는 동적 스트레스를 결정하기 위한 일반적인 분석 접근법이 개발되었습니다.

대부분의 진공 차단기 제조사는 잘 알려진 벨로우즈 제조업체로부터 벨로우즈를 조달하고, 원하는 벨로우즈 수명을 달성하기 위해 협력합니다. 이는 일반적으로 실제 진공 차단기에 벨로우즈를 통합하고, 통계적으로 의미 있는 수의 진공 차단기 샘플에 대해 기계적 수명 테스트를 수행하여 이루어집니다. Weibull 분석을 사용하여 해당 벨로우즈를 갖춘 진공 차단기에 특정 기계적 수명을 할당할 수 있습니다. 일반적으로, 진공 차단기의 기계적 수명 제한은 벨로우즈가 피로 파괴가 발생하기 전에 견딜 수 있는 작업 횟수에 의해 결정됩니다.

진공 차단기를 기계적으로 테스트할 때, 벨로우즈는 스위칭 장치에서 겪게 될 동일한 작동 매개변수에 노출되어야 합니다. 이러한 매개변수에는 총 이동 거리(작동 간격 및 오버 트래블), 최대 개방 속도, 최대 폐쇄 속도, 가속 및 감속의 영향 등이 포함됩니다. 진공 차단기 내에서 벨로우즈를 테스트하면, 완성된 장치가 경험할 모든 제조 공정을 겪게 됩니다. 예를 들어, 진공 차단기 제조를 위해 필요한 모든 가열 및 냉각 사이클에 노출되어야 합니다. 이러한 프로세스는 벨로우즈의 금속을 앤닐링하여 그 입자 미세 구조를 변화시키고, 결과적으로 성능 특성을 변경합니다.

특정 벨로우즈의 기계적 수명은 위에서 언급한 작동 매개변수뿐만 아니라 그 자체의 물리적 특성에도 의존합니다. 이러한 특성에는 사용된 스테인리스강의 유형, 길이, 직경, 두께, 구부러짐 수, 그리고 접점 움직임이 멈추었을 때 움직임을 감쇠하는 능력 등이 포함됩니다. 대부분의 진공 회로 차단기와 진공 재접속기에서 요구되는 정상적인 30,000회의 작업을 신뢰성 있게 수행할 수 있는 벨로우즈를 설계하는 것은 가능하며, 진공 접촉기의 경우 심지어 10^6회 이상의 작업을 수행할 수도 있습니다. 그러나 진공 차단기 제조사들이 다양한 스위칭 장치의 지정된 기계적 수명을 충족하도록 제품을 설계하려고 노력하더라도, 대부분의 진공 차단기는 현장에서 지정된 기계적 수명을 달성하지 못합니다.진공 차단기(VIs)의 실패 원인에 대한 더 많은 통찰력을 얻으려면 관련 기사를 참조하십시오.

진공 차단기 설계자는 사용자가 진공 차단기를 메커니즘에 설치할 때 벨로우즈를 비틀지 않도록 주의해야 합니다. 비틀린 벨로우즈는 그 설계 수명의 1% 미만으로 기계적 수명이 크게 줄어들 수 있습니다. 진공 차단기의 얇은 벽 벨로우즈에 영구적으로 비틀림을 일으키기 전에 가해질 수 있는 토크는 상대적으로 낮으며, 약 8.5–11.5 Nm 정도입니다. 벨로우즈의 비틀림을 피하기 위해 설계자는 벨로우즈에 비틀림 방지 부싱을 삽입해야 합니다. 이 부싱은 차단기의 끝 플레이트에 연결하여 고정할 수 있습니다. 부싱의 내부 표면은 형태를 갖추거나 키웨이를 갖추어, 벨로우즈에 연결된 이동 구리 터미널의 회전을 방지합니다(그림 2 참조). 부싱 재료는 금속이나 Nylatron과 같은 플라스틱일 수 있습니다. Nylatron과 Valox와 같은 플라스틱 재료를 사용할 때는 주의가 필요합니다. 이러한 재료는 최대 허용 온도가 제한되는 응용 분야에서만 사용할 수 있습니다. 예를 들어, Nylatron의 경우, 100,000시간 후에 인장 강도가 50%로 감소하는 온도는 약 125°C이며(유리 섬유 함량으로 인해 짧은 시간 동안 더 높은 온도에서도 변형되지 않습니다), Valox DR48의 경우 약 140°C입니다. 또한 "Ultem 2310 R"과 같이 더 비싸고 고온용 플라스틱도 있습니다.

그림 2: 벨로우즈 보호를 위한 비틀림 방지 부싱의 예

이러한 비틀림 방지 부싱에 사용되는 재료는 약 180°C의 최대 허용 온도를 가지며, 이 한도를 초과하는 온도에 약 1시간 동안 노출되어도 크게 변형되지 않습니다.

더 높은 회로 차단기 전압에서 작동하는 진공 차단기의 경우, 더 긴 접점 스트로크가 필요합니다. 예를 들어, 72.5 kV에서는 약 40 mm의 스트로크가 필요합니다. 이 확장된 스트로크를 수용하기 위해 벨로우즈는 비례적으로 길어야 합니다. 그러나 매우 긴 벨로우즈는 균일하게 개폐되지 않습니다. 대신, 움직임 중에 꿈틀거립니다. 결과적으로, 벨로우즈의 내부 구부러짐이 구리(Cu) 터미널과 마찰을 일으키게 됩니다. 이러한 마찰은 벨로우즈의 수명을 크게 줄일 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 내부 패드가 장착된 특수 벨로우즈가 개발되었습니다. 이러한 패드는 Cu 터미널을 따라 미끄러져 마모와 파손을 최소화합니다. 이러한 벨로우즈 설계의 예는 그림 3에 도시되어 있습니다.