시뮬레이션 환경하의 야외 진공 회로 차단기의 동작
실외 진공 회로 차단기는 주로 중간 고압 (MHV) 분야에서 주로 사용됩니다. 이들은 특히 11kV 및 33kV 그리드에서 배전 부문의 중요한 구성 요소입니다. 이러한 차단기의 제작에는 다양한 복합 재료가 사용되며, 그 중에서도 진공 차단기가 가장 중요한 구성 요소로 꼽힙니다. 실외 회로 차단기의 경우, 진공 차단기는 일반적으로 도자기 하우징에 담겨 있습니다.
이러한 차단기는 섬유 유리 강화 수지 캐스팅 작동 막대를 통해 작동 메커니즘과 연결되며, 이는 다시 금속-강철로 만들어진 공통 갱 작동 막대와 연결됩니다. 실외 진공 회로 차단기의 작동 메커니즘은 일반적으로 스프링 타입 설계를 채택하며, 시트 강철 외피 내에 수납됩니다. 여러 재료를 사용하는 것을 고려할 때, 이러한 재료의 적합성뿐만 아니라, 설계와 제작 품질을 차단기가 작동해야 하는 다양한 환경 조건에서 평가하는 것이 중요합니다. 이러한 평가는 문제 없는 성능을 보장하며, 결과적으로 전기 네트워크의 안정성을 확보합니다.
회로 차단기의 환경 테스트, 특히 저온 및 고온 테스트는 IEC 62271-100[1]의 6.101.3조에 포함되어 있습니다. 추운 기후에서는 최소 및 최대 값의 선호되는 온도 범위가 -50°C에서 +40°C이며, 매우 더운 기후에서는 -5°C에서 +50°C입니다. 해발 1000미터까지의 경우, 저온 테스트를 위한 선호되는 최소 주변 온도는 -10°C, -25°C, -30°C, -40°C입니다. 실외 응용 분야에서 진공 회로 차단기의 설계는 급격한 온도 변화를 고려해야 합니다. 인도의 카슈미르, 히말라야, 우타라칸드, 시킴 등 여러 지역에서 이러한 온도 변화가 발생합니다.
온도는 -25°C까지 낮아질 수 있습니다. 이러한 장소에서는 바람 춥음과 눈폭풍과 같은 현상으로 인해 추운 조건 관련 문제가 더욱 악화됩니다. 여름에는 인도의 많은 지역에서 온도가 50°C까지 상승합니다. 극단적인 저온 또는 고온을 경험하는 국가로 회로 차단기를 수출하는 제조업체는 이러한 극단적인 기후 조건 하에서 제품의 성능을 결정해야 합니다.
본 논문은 IEC 62271-100에 따라 36 kV 클래스의 실외 진공 회로 차단기 (VCB)의 모의 환경 조건 하에서의 성능을 다룹니다. 여기서 논의되는 테스트는 (a) 저온 테스트와 (b) 고온 테스트를 포함합니다. 또한, 36 kV 클래스의 실외 VCB의 작동 시간, 극간 시간 차, 작동 메커니즘의 충전 시간을 탐구합니다.
저온 테스트
실외 VCB의 저온 조건 하에서의 성능을 이해하기 위해 IEC-62271-100에서 지정된 절차를 참고로 채택하였습니다. 이 IEC 표준은 단일 하우징 회로 차단기와 공통 작동 메커니즘이 있는 경우 3상 테스트를 수행하도록 규정하고 있습니다. 독립적인 극을 가진 다중 하우징 회로 차단기의 경우, 하나의 완전한 극을 테스트하는 것이 허용됩니다. 테스트 시설의 제약 사항이 있는 경우, 다중 하우징 회로 차단기는 다음 중 하나 이상의 대안을 사용하여 테스트할 수 있으나, 회로 차단기의 기계적 작동 조건이 테스트 설정에서 정상 조건보다 유리하지 않아야 합니다:
테스트 중에는 회로 차단기의 유지 관리, 부품 교체 또는 재조정이 금지됩니다. 회로 차단기의 설계가 열원을 필요로 하지 않는 한, 회로 차단기에 대한 액체 또는 가스 공급은 테스트 공기 온도여야 합니다.
다음과 같은 차단기의 작동 특성이 테스트되어야 합니다:
폐쇄 시간
개방 시간
극간 시간 차
하나의 극(다중 극 테스트 시)의 단위 간 시간 차
작동 장치의 재충전 시간
제어 회로 소비
트리핑 장치 소비 및 병렬 릴리즈 기록
폐쇄 및 개방 명령 임펄스의 지속 시간
적용 가능한 경우 밀봉 테스트
적용 가능한 경우 가스 압력
주 회로 저항
시간-여정 차트
이러한 특성은 다음과 같은 상태에서 기록되어야 합니다:
VCB의 경우, 접촉기가 진공 병에 수납되고 이 진공 차단기 어셈블리는 실외 응용을 위해 공기 절연 도자기 하우징으로 포장되기 때문에 압력 변경 매개변수는 적용되지 않습니다.
저온 테스트의 테스트 순서는 IEC 62271-100의 6.101.3.3조에서 정의되어 있습니다. 초기 작동 특성 [1.4]는 차단기를 20 ± 5°C에서 노출시킨 후 캐릭터화됩니다. 초기 검사에서 차단기가 폐쇄 위치에 있을 때 온도를 온도 범주에 따라 최소 주변 공기 온도까지 낮춥니다. 차단기는 24시간 동안 방습 가열기 켜진 상태로 폐쇄 위치에 유지됩니다. 24시간 후 차단기는 정격 공급 전압으로 폐쇄 및 개방되며, 개방 및 폐쇄 시간이 기록되어 저온 작동 특성을 확립합니다. 그런 다음 제조사가 지정한 시간(t₁) 동안 방습 가열기 공급이 중단되며, 최소 2시간은 필수입니다. 이 기간 동안 알람은 허용되지만 록아웃은 허용되지 않습니다. t₁ 시간 후 차단기가 개방되고, 개방 시간이 기록됩니다. 가능하면 기계적 여행 특성도 측정하여 차단 용량을 평가할 수 있도록 합니다.
차단기는 24시간 동안 개방 위치에 머물고, 그 후 차단기 폐쇄 및 개방됩니다. 그런 다음 50 CO 작업을 수행하며, 첫 세 CO 작업은 어떠한 지연 없이 수행됩니다. 나머지 CO 작업은 C - tₑ - O - tₑ 순으로 수행됩니다. tₑ는 작업 사이의 시간 간격입니다. 각 주기 또는 시퀀스마다 3분 간격이 허용됩니다. 50 CO 작업을 완료한 후, 기후 테스트 챔버의 온도는 10 K/시간의 속도로 상승합니다. 전환 기간 동안 C - tₑ - O - tₑ 및 O - tₑ - C - tₑ - O 작업이 수행되며, 작업 시퀀스 사이에 30분 동안 차단기가 폐쇄 및 개방 위치에 머무릅니다. 차단기가 주변 온도로 안정화된 후, 20 ± 5°C에서 초기 특성과 비교를 위해 작동 특성의 반복 측정이 수행됩니다.
CPRI는 36 kV까지의 중간 고압(MHV) 스위치기어에 대해 10년 이상 저온 및 고온 테스트를 수행해 왔습니다. 그림 1은 고온 및 저온 테스트를 위해 테스트 챔버에 설치된 36 kV 실외 진공 회로 차단기(VCB)의 전형적인 테스트 구성을 보여줍니다.
36 kV 클래스의 실외 VCB의 저온 및 고온 테스트 중 실험 결과를 제시합니다. 테스트된 VCB는 스프링 작동 메커니즘을 장착하고 있었습니다.
고온 테스트는 +55°C에서 수행되었으며, 저온 테스트는 -10°C 및 -25°C에서 수행되었습니다. VCB의 성능을 분석하기 위해 다음 특성이 검사되었습니다:
폐쇄 및 개방 시간 (작동 시간)：폐쇄 시간은 회로 차단기가 개방 위치에 있을 때 폐쇄 회로를 가동한 순간부터 모든 극에서 접촉이 접촉될 때까지의 시간 간격으로 정의됩니다.회로 차단기의 개방 시간은 회로 차단기가 폐쇄 위치에 있을 때 개방 릴리즈를 가동한 순간부터 모든 극에서 아크 접촉이 분리될 때까지의 시간 간격으로 정의됩니다.
부피 데이터를 얻기 위해 모든 세 극의 작동 시간의 평균값이 비교를 위해 고려됩니다. 극간 시간 차가 비교되었으므로, 개별 극의 최대 및 최소 시간 간의 최대 변화가 자동으로 나타납니다.
a) 극간 시간 차
b) 재충전 장치의 특성, 예를 들어 재충전 시간 및 전류 소비.
c) 초기 작동 특성에 대한 참조를 통한 작동 특성의 변화.
고온 및 저온 테스트 중 차단기의 성능은 위에서 언급한 특성을 기준으로 비교되었으며, 결과는 이후 섹션에서 논의됩니다.
고온에서의 성능 평가
고온 테스트의 결과는 표 1에 제시되어 있습니다. 초기 특성은 20°C에서 측정되었습니다. IEC 62271-100은 작동 시간이나 폐쇄 시간에 대한 특정 값을 지정하지 않습니다. 측정된 초기 개방 시간은 약 36 ms이며, 폐쇄 시간은 약 44 ms입니다. 마찬가지로, 작동 장치의 재충전 시간은 9.6초에서 11.3초 사이이며, 재충전 전류는 2.8A에서 3.1A 사이입니다.
55°C에서 24시간 동안 차단기가 폐쇄 위치에 노출된 후, 개방 시간과 폐쇄 시간이 일정하게 약 5% 증가했습니다. 55°C에서 24시간 추가 노출 후 차단기가 개방 위치에 있을 때, 폐쇄 시간은 약 2.5% 증가하고, 개방 시간은 4% 증가했습니다.
테스트 전체에서 세 개의 샘플 모두 극간 시간 차에 큰 변화는 없었습니다. 따라서 VCB의 모든 극에서 동일한 행동을 나타낸다고 추론할 수 있습니다.재충전 시간은 11.3초에서 9.6초로 줄었지만, 전류는 2.9A에서 3.4A로 변했습니다.
주변 온도에서 초기 값과 최종 값 사이의 개방 및 폐쇄 시간을 비교했을 때, 작동 시간의 변화는 1% 미만으로 무시할 만한 수준이었습니다.
초기 작동 특성은 20°C에서 측정되었습니다. 개방 시간의 측정된 초기 값은 약 36 ms였으며, 폐쇄 시간은 44 ms였습니다. 마찬가지로, 작동 장치의 재충전 시간은 10.6초였고, 재충전 장치 전류는 2.8A였습니다.
-10°C에서 24시간 동안 차단기가 폐쇄 위치에 노출된 후, 개방 시간은 약 0.7% 감소하고, 폐쇄 시간은 약 2% 증가했으며, 큰 변화는 없었습니다.
방습 가열기가 없는 2시간 동안 개방 시간은 1.36% 감소했습니다.-10°C에서 24시간 추가 노출 후 차단기가 개방 위치에 있을 때, 폐쇄 시간은 약 3% 증가하고, 개방 시간은 약 2% 감소했습니다.
주변 온도에서의 최종 테스트에서 변화는 1% 미만이었습니다. -10°C에서의 전체 저온 테스트 기간 동안 극간 시간 차에 큰 변화는 없었습니다.
+55°C, -10°C, -25°C에서 시작하는 다양한 온도에서의 차단기의 성능은 표 1에 제시되어 있습니다.
차단기가 -25°C의 저온에서 작동할 때, 작동 시간에 상당한 변화가 관찰되었습니다. 표 3의 결과는 차단기가 -25°C에서 개방 및 폐쇄 시 느린 반응을 보였음을 나타냅니다. -25°C에서의 작동 시간의 변화율은 눈에 띄게 다르였습니다. 24시간 노출 후, 개방 시간은 30% 증가하고, 폐쇄 시간은 약 25% 증가했습니다. 마찬가지로, 방습 가열기가 2시간 동안 꺼진 후, 개방 시간은 46% 증가했습니다. -25°C에서 24시간 추가 노출 후 차단기가 개방 위치에 있고 방습 가열기 공급이 복원된 상태에서, 개방 시간은 44% 증가하고, 폐쇄 시간은 21% 증가했습니다. 테스트 중에 기록된 폐쇄 시간 및 개방 시간의 타이밍 그래프는 이러한 변화를 명확히 보여줍니다.
20°C의 주변 온도에서의 테스트는 그림 2에 표시되어 있습니다. -25°C에서 50시간 노출 후에 기록된 폐쇄 시간의 타이밍 그래프는 그림 3에 제공됩니다. 비교하면, -25°C에서 차단기의 느린 반응이 명확히 나타납니다.
-10°C에서의 성능과 비교했을 때, 작동 시간의 변화는 0.5%에서 3% 정도였으나, -25°C에서의 차단기 특성은 상당히 악화되었습니다. -25°C에서, 테스트의 다양한 단계에서의 작동 시간 변화는 약 45%에 달했습니다.
본 논문은 IEC 62271-100에 따라 36 kV 클래스의 실외 진공 회로 차단기(VCB)의 저온 및 고온 테스트 중의 성능을 비교한 실험 결과를 제시합니다.
본 논문의 주요 발견은 다음과 같습니다:
55°C의 고온 테스트에서, 실외 VCB는 만족스럽게 작동했습니다. 관찰된 작동 시간 및 극간 시간 차의 변화는 무시할 만한 수준이었습니다.
-10°C의 저온 테스트에서, 작동 시간 및 극간 시간 차의 변화는 무시할 만한 수준이었습니다.
차단기가 -25°C의 저온에서 작동할 때, 작동 시간에 상당한 변화가 관찰되었습니다. 관찰된 개방 시간의 변화는 20%에서 46%였으며, 폐쇄 시간의 변화는 25%에서 43% 사이였습니다.
수행한 테스트는 실외 VCB가 -10°C에서 정상적으로 작동하더라도, -25°C와 같은 더 추운 조건에서 동일하게 작동한다는 보장이 없다는 것을 나타냅니다. 따라서 요구되는 저온에서의 성능을 확인하는 것이 필수적입니다.
