10kV 진공 회로 차단기의 적용
진공의 절연 특성
진공은 매우 강력한 절연 특성을 보입니다. 진공 회로 차단기에서 기체는 극도로 희박하며, 기체 분자는 상대적으로 긴 평균 자유 경로를 가지므로 서로 충돌할 확률이 매우 낮습니다. 따라서 충돌에 의한 이온화는 진공 간극에서의 파괴의 주요 원인은 아닙니다. 대신 고강도 전기장의 작용 하에 전극에서 방출되는 금속 입자가 절연 실패의 주요 요인이 됩니다.
진공 간극의 절연 강도는 간극의 크기와 전기장의 균일성 정도와 관련되어 있으며, 전극 재료의 특성과 표면 상태에도 크게 영향을 받습니다. 진공 간극이 비교적 작을 때 (약 2-3밀리미터 범위에서) 고압 공기나 SF6 가스보다 높은 절연 특성을 보입니다. 이것이 진공 회로 차단기의 접점 간격이 일반적으로 크지 않은 이유입니다.
전극 재료가 파괴 전압에 미치는 영향은 주로 재료의 기계적 강도(인장 강도)와 금속 재료의 용융점에 반영됩니다. 인장 강도와 용융점이 높을수록 진공 속의 전극의 절연 강도가 높아집니다.
실험 결과, 진공 수준이 높을수록 기체 간극의 파괴 전압이 높아지는 것으로 나타났습니다. 그러나 10⁻⁴ 토르 이상에서는 거의 일정하게 유지됩니다. 따라서 진공 소멸 실의 절연 강도를 유지하려면 진공 수준이 10⁻⁴ 토르 미만이 되지 않아야 합니다.
진공에서의 아크 형성 및 소멸
진공 아크는 우리가 이전에 연구한 기체 아크 방전 현상과 크게 다릅니다. 기체 이온화는 아크 발생의 주요 요인이 아닙니다. 대신, 진공 아크 방전은 접점 전극에서 방출된 금속 증기에서 형성됩니다. 또한, 아크의 특성은 차단 전류의 크기에 따라 달라집니다. 일반적으로 저전류 진공 아크와 고전류 진공 아크로 나눕니다.
저전류 진공 아크: 진공에서 접점이 열릴 때, 전류와 에너지가 집중된 고농도의 음극 점들이 생성됩니다. 이러한 음극 점들에서 많은 양의 금속 증기가 증발하고, 여기서 금속 원자와 전하 입자의 밀도가 매우 높아 아크가 타오릅니다. 동시에 아크 열주 내의 금속 증기와 전하 입자는 계속 외부로 확산되며, 전극은 새로운 입자를 증발시켜 이를 보충합니다. 전류가 0을 지날 때 아크의 에너지가 감소하고, 전극 온도가 떨어져 증발 효과가 줄어들고, 아크 열주의 입자 밀도가 감소하여 결국 0을 지날 때 음극 점들이 사라지고 아크가 소멸합니다. 때때로 증발 효과가 아크 열주의 확산 속도를 유지하지 못하면 아크가 갑자기 소멸하여 전류 절단이 발생할 수 있습니다.
고전류 진공 아크: 큰 전류를 차단할 때, 진공 아크의 에너지가 증가하고 양극도 심각하게 가열되어 강한 압축 아크 열주가 형성됩니다. 동시에 전기역학적 힘의 효과가 더 두드러집니다. 따라서 고전류 진공 아크의 경우, 접점 사이의 자기장 분포가 아크의 안정성과 아크 소멸 성능에 결정적인 영향을 미칩니다. 전류가 너무 커서 제한 차단 전류를 초과하면 차단 실패가 발생합니다. 이때 접점은 심각하게 가열되어 전류가 0을 지나더라도 계속 증발하여 절연재의 복구가 어려워 전류를 차단하기 어렵습니다.
회로 차단기의 구조와 작동 원리
zw27-12를 예로 들어 그 구조와 작동 원리를 설명하겠습니다.
회로 차단기의 본체는 도전 회로, 절연 시스템, 밀봉, 그리고 케이싱으로 구성됩니다. 이는 3상 공통 박스 구조를 가지고 있습니다. 도전 회로는 입선 및 출선 도전봉, 입선 및 출선 절연 지지대, 도전 클램프, 유연한 연결, 그리고 진공 아크 소멸실로 구성됩니다. 이 메커니즘은 전기 에너지 저장과 전기 개폐 기능을 가지고 있으며, 수동 작동 기능도 포함되어 있습니다. 전체 구조는 폐합 스프링, 에너지 저장 시스템, 과전류 트립 장치, 개폐 코일, 수동 개폐 시스템, 보조 스위치, 에너지 저장 표시기 등으로 구성됩니다.
진공 회로 차단기는 고진공 환경에서 전류가 0을 지날 때 플라즈마가 신속히 확산되어 아크가 소멸되고 전류를 차단하는 목표를 달성하는 현상을 활용합니다.
회로 차단기 디버깅
개방 거리 및 오버트래블
회로 차단기의 개방 거리 및 오버트래블 측정: 회로 차단기가 오픈 상태와 클로즈 상태일 때 측정된 x-값의 차이는 회로 차단기의 개방 거리이고, 측정된 y-값의 차이는 회로 차단기의 오버트래블입니다. 조정은 절연 작동 막대 또는 메커니즘과 주 축 사이의 연결 막대의 길이를 늘리거나 줄여서 이루어집니다.
개폐 메커니즘 조정
회로 차단기의 제어 회로
농촌 전력망의 대부분의 35kV 표준 변전소에서는 제어 버스와 폐합 버스를 분리하는 원칙을 채택하고 있습니다. 산악 지역에서는 번개, 비, 강풍이 자주 발생하여 여러 차례의 트리핑과 스위치 폐합 횟수가 증가하여 스위치의 폐합 코일이 매우 쉽게 불타버립니다. 여기서 제어 회로에 대한 작은 개선을 제안합니다.
회로 차단기의 에너지 저장 여행 스위치의 한 쌍의 항상 열린 접점을 회로 차단기의 보조 항상 닫힌 접점과 폐합 코일 사이에 직렬로 삽입합니다. 이렇게 하면 회로 차단기가 충전되지 않았을 때 (에너지가 저장되지 않았을 때) 폐합 작업을 수행할 수 없습니다. 이를 통해 충전되지 않은 상태에서 폐합을 방지하여 폐합 회로가 계속 켜져 폐합 코일이 불타는 상황을 피할 수 있습니다.
또한, 배선 과정에서는 에너지 저장 여행 스위치의 접점에서 폐합 버스와 제어 버스의 극성이 일치하도록 해야 합니다. 이는 스위치가 충전될 때 폐합 회로에서 발생하는 아크가 여행 스위치를 관통하여 제어용 융단이 녹거나 제어용 공기 스위치가 트리핑되는 것을 방지하기 위함입니다. 통합 자동화 변전소에서는 이 점에 특히 주의해야 합니다.
운영, 유지 보수 및 검사 시험
진공 회로 차단기는 아크 시간이 짧고 절연 강도가 높으며 전기 수명이 상대적으로 길습니다. 접점 간 거리와 오버트래블이 작고 작동 에너지가 적으므로 기계적 수명도 길어집니다. 일상적인 운영 중에는 유지 보수 작업이 비교적 적습니다. 주로 메커니즘의 움직이는 부분의 마모를 확인하고, 고정 부품이 느슨하지 않은지 확인하며, 절연 표면의 먼지를 청소하고, 움직이는 부분에 윤활유를 적용하는 것이 필요합니다.
예방 시험 중에는 스위치의 직류 저항 시험 결과를 과거 데이터와 비교해야 합니다. 문제가 발견되면 즉시 교체하거나 수정해야 합니다. 브레이커의 전력 주파수 내전압 시험은 진공 중단기의 누설을 확인하는 효과적인 방법입니다. (실내 진공 회로 차단기의 경우, 부하가 끊어질 때 진공 중단기 내부의 플래시 색상을 통해 진공 수준을 초기 평가할 수 있습니다. 어두운 빨간색은 진공 수준이 낮음을, 연한 파란색은 좋은 진공 수준임을 나타냅니다.)
보호 설정 검증 중에는 회로 차단기에 대해 저전압 폐합 시험을 수행하여 버스바가 고장 상태이고 전압이 떨어졌을 때 스위치가 신뢰성 있게 작동하는지 확인합니다.
