진공 중단기의 진공 상태 측정: 기계적 압력 모니터링 방법을 이용하여

진공 차단기의 진공 상태 모니터링

진공 차단기(VIs)는 중전압 전력 시스템의 주요 회로 차단 매체이며 점점 저전압, 중전압, 고전압 시스템에서도 사용되고 있습니다. VI의 성능은 내부 압력이 10 hPa(1 hPa는 100 Pa 또는 0.75 torr와 동일) 미만으로 유지되는 데 달려 있습니다. 공장 출하 전에 VI는 내부 압력이 ≤10^-3 hPa인지 확인하기 위해 테스트됩니다.
VI의 성능은 진공 수준과 상관관계가 있지만 단순히 내부 압력과 비례하는 것은 아닙니다. 대신 VI 내부의 압력은 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다:

•    저압: 10^-6 hPa 미만
•    중간 압력: 약 10^-3 hPa부터 파셴 최소 압력까지
•    고압: 일반적으로 공기 노출로 인한 실패를 나타냄

저압 범위에서는 VI가 효과적으로 작동하지만, 중간 압력 범위에서는 절연 강도와 차단 능력이 저하되며, 이는 "공기 노출" 범위까지 계속됩니다. 흥미롭게도, 중간 압력 범위에서 절연 성능이 가장 낮지만, 공기 노출 범위에서는 어느 정도 개선되는데, 이는 저압 범위에서 관찰되는 수준에는 미치지 못합니다.
이러한 모니터링 기법들은 VI 내의 압력 범위 전체, 즉 저압에서 공기 노출 조건까지 모두 커버하지 않는다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 각 기법은 특정 범위에 적용되며, 이는 텍스트에서 자세히 설명되어 있으며 표 1에 요약되어 있습니다. 또한, 특정 방법의 효과는 VI 설계에 따라 다르며, VI로 유입될 수 있는 가스의 구성과 압력(예: 대기 공기 또는 GIS 스위치기어에서 사용되는 SF6 가스)에 의해 영향을 받을 수 있습니다.

VI의 중전압 스위치기어에서의 광범위한 배포는 특히 수십 년 동안 서비스 후 필드에서 진공 무결성을 확인하는 과제를 강조합니다. 20년 이상 사용된 VI의 검사는 혼합된 결과를 얻었습니다. VI는 더 큰 시스템의 일부분이라는 점을 기억해야 합니다. 메커니즘, 제어 회로, 회로 설계 및 기타 요소의 기능 역시 VI의 효과적인 작동에 중요한 역할을 합니다.

표 1은 이러한 모니터링 기법들의 SF6 환경에서의 일반적인 응용 사례와 함께 GIS 스위치기어와 함께 사용할 때의 실제 고려 사항을 요약하고 있습니다. 이 표는 다양한 테스트 방법의 결과를 보여주며, 다양한 운영 환경에서 VI의 장기 신뢰성 확보에 관련된 복잡성을 강조합니다. 이러한 미묘함을 이해하는 것은 진공 차단기 기술에 의존하는 전기 시스템의 성능과 수명을 최적화하는 데 필수적입니다.

기계적 압력 모니터링을 사용한 진공 차단기 상태 측정

대기압은 진공 차단기(VI)의 이동 단자에 상당한 폐쇄력을 가합니다. 회로 차단기에 사용되는 VI의 경우, 이 힘은 일반적으로 수백 뉴턴에 달합니다. VI 내부의 진공이 완전히 손실되면 내부 압력이 외부 대기압과 균형을 이루게 되어 폐쇄력이 크게 감소하고 VI의 기계적 행동이 변경됩니다. 이러한 변화를 감지하는 진단 방법은 VI가 완전히 진공을 잃었을 때, 즉 "공기 노출" 상태일 때만 식별할 수 있습니다. 특히 파셴 최소 압력 근처의 높은 압력에서도 VI 내부에는 완전한 폐쇄력을 유지하기에 충분한 압력이 남아 있습니다.

기계적 압력 모니터링의 주요 방법

기계적 압력 모니터링의 주요 접근 방식은 벨로우즈나 유사한 메커니즘을 사용하여 VI에 추가적인 이동 가능한 부품을 부착하는 것입니다(도 1 참조). 진공이 완전히 손실되면 이 추가 부품은 내부와 외부 압력의 균형으로 인해 움직입니다. 회로 차단기 메커니즘에 의해 제약받는 이동 접점과 달리, 이 추가 부품은 자유롭게 움직일 수 있습니다. 감지 시스템은 이 추가 부품의 위치 변화를 모니터링하고 적절하게 반응합니다. 사용되는 감지 시스템에 따라 이 설정은 VI의 지속적인 모니터링을 가능하게 합니다. 추가 부품의 움직임은 전체 VI 설계보다는 그 자체 설계에 의해 결정되기 때문에, 이 방법은 저전압, 중전압, 고전압 VI에 모두 적용 가능합니다.
실제 고려 사항

이론적으로 가능하지만, VI의 이동 단자에 가해지는 폐쇄력을 통해 진공 손실을 감지하는 것은 어려움이 따릅니다. 대기압은 일반적으로 VI의 이동 단자에 수백 뉴턴의 힘을 가하지만, 회로 차단기는 수천 뉴턴의 폐쇄력을 가합니다. 따라서 VI의 폐쇄력 감소를 회로 차단기의 기계적 행동을 통해 식별하는 것은 VI의 폐쇄력이 회로 차단기의 폐쇄력과 비교하여 상대적으로 작은 크기 때문입니다. 그러나 진공 접촉기의 경우, 접촉기 메커니즘에서 가해지는 힘이 낮으므로, 기계적 행동을 통해 완전한 진공 손실을 진단하는 것이 더 실현 가능할 수 있습니다.

추가 이동 부품과 감지 시스템을 사용하면 기계적 압력 모니터링은 VI의 진공 상태를 지속적으로 평가하는 실용적인 해결책을 제공합니다. 이 기법은 VI의 완전한 진공 손실을 탐지하는 데 신뢰할 수 있는 방법을 제공하지만, VI 내부의 부분적인 압력 증가를 식별할 수는 없습니다. 그럼에도 불구하고, 이 방법은 다양한 전압 수준과 응용 분야에서 VI의 무결성과 기능을 보장하는 데 유용한 도구입니다.

이 방법은 모든 중요한 진공 손실을 신속하게 탐지하여 적시에 유지 관리 또는 교체 조치를 취할 수 있도록 하여 VI에 의존하는 전기 시스템의 신뢰성과 안전성을 향상시킵니다.

기계적 압력 모니터링 방법을 사용한 진공 차단기 모니터링의 배경

기계적 압력 모니터링 기법은 대기압으로 인해 발생하는 폐쇄력 손실로 인한 기계적 행동 변화를 감지하여 진공 차단기(VI)의 진공 무결성을 평가합니다. 이 방법은 VI가 진공을 잃고 "공기 노출" 상태인지 여부를 나타내는 이진, 합격/불합격 측정을 제공합니다. 파셴 최소 압력과 VI 성능이 저하되기 시작하는 다른 중요한 포인트에서의 압력은 이 방법을 사용하여 감지 가능한 기계적 변화를 일으키기에 너무 낮습니다.

기계적 압력 모니터링 방법의 장점과 단점

장점:
•    호환성: 공간 제약과 감지 장비로 빛을 안내하는 등의 실제 문제를 관리할 수 있다면, 이 방법은 SF6, 오일, 고체 절연재 등 다양한 절연 종류와 호환됩니다.
•    광학 기법의 이점: 광학 기법을 활용하면 비광학 구성 요소를 스위치기어의 저전압 구역으로 이동시킬 수 있어 안전성과 유지 관리 용이성을 향상시킬 수 있습니다.
단점:
•    설치 요구사항: 압력 모니터링을 위한 이동 부품은 VI의 초기 제조 과정에서 설치되어야 합니다. 이미 제작된 VI에는 후속 설치가 불가능합니다. 이 특징을 갖춘 VI를 필요한 모니터링 장비와 함께 기존 회로 차단기에 통합하는 것이 이론적으로 가능할 수 있지만, 기존 설치에 추가 부품을 맞추는 데 관련된 실제 문제로 인해 이는 종종 비현실적입니다.
•    신뢰성 문제: 측정 장비의 신뢰성이 VI 자체와 비교하여 상당한 위험을 초래합니다. VI에 추가된 브레이징 부품은 새로운 누출 경로를 만들고 설치 중 손상되기 쉽으며, 이는 진공 손실로 이어질 수 있습니다.

구성 요소의 취약성:

• 광학 기법: 감지 시스템에 사용되는 광섬유는 설치 중 오정렬, 손상, 응축 또는 먼지로 인한 막힘에 취약합니다.

• 전기 접점 방법: 전기 접점을 통한 움직임 감지는 VI 근처에 전원 공급되는 마이크로회로가 필요하며, 이를 전기적으로 격리해야 합니다. 이는 마이크로회로의 신뢰성, 성공적인 신호 전송, 회로의 전원 공급, 전기적 격리 유지 등 여러 실패 모드를 초래할 수 있습니다.

요약하자면, 기계적 압력 모니터링 방법은 VI가 완전히 진공을 잃었는지를 확인하는 간단한 방법을 제공하지만, 명확한 한계가 있습니다. 이러한 한계에는 기존 VI에 대한 후속 설치 불가능성, 추가 구성 요소의 신뢰성 문제, 설치 및 운전과 관련된 실제 문제 등이 포함됩니다. 이러한 요소들을 신중하게 고려하는 것이 특정 응용 분야에서 이 방법의 적합성을 결정하는 데 필수적입니다. 견고한 설계와 구현을 통해 이러한 위험을 완화함으로써 진공 차단기 모니터링 시스템의 전체적인 신뢰성과 효과성을 향상시킬 수 있습니다.