공기 분사 회로 차단기: 작동 원리, 장점 및 종류

공기 분사 회로 차단기는 압축 공기 또는 가스를 아크 중단 매체로 사용합니다. 압축 공기는 탱크에 저장되어 필요할 때 노즐을 통해 고속 제트를 생성하도록 방출됩니다. 이 제트는 회로 차단기가 전기 전류를 차단할 때 형성되는 아크를 소멸시키는 데 중요한 역할을 합니다.

공기 분사 회로 차단기는 중간-고압 범위에서 중간 단열 용량의 실내 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 일반적으로 15 kV까지의 전압과 2500 MVA의 단열 용량에 적합합니다. 또한 220 kV 라인을 위한 고전압 실외 스위치 야드에서도 사용되고 있습니다.

이산화탄소, 질소, 프론, 수소 등 다양한 가스가 아크 중단 매체로 사용될 수 있지만, 압축 공기는 가스 분사 회로 차단기에 가장 선호되는 선택입니다. 그 이유는 다음과 같습니다:

• 질소: 압축 공기와 유사한 회로 차단 능력을 가지고 있어 성능 면에서 큰 차이가 없습니다.

• 이산화탄소: 주요 단점 중 하나는 흐름을 제어하기 어렵다는 것입니다. 밸브와 다른 좁은 통로에서 동결하는 경향이 있어 회로 차단기의 정상적인 작동을 방해할 수 있습니다.

• 프론: 높은 절연 강도와 우수한 아크 소멸 특성을 가지고 있지만, 비용이 많이 듭니다. 또한 아크에 노출되면 산성 물질을 형성하여 장비와 주변 환경에 위험을 초래할 수 있습니다.

공기 분사 회로 차단기는 다음과 같은 바람직한 특징을 제공합니다:

• 고속 작동: 대규모 상호 연결된 전기 네트워크에서는 시스템 안정성이 매우 중요합니다. 공기 분사 회로 차단기는 트리거 충격의 방전과 접점의 분리 사이의 극히 짧은 시간 간격으로 인해 이 측면에서 뛰어납니다. 이러한 신속한 반응은 전체 전력망에 대한 결함의 영향을 최소화합니다.

• 빈번한 작동에 적합: 기름을 사용하는 회로 차단기와 달리 공기 분사 회로 차단기는 반복적인 스위칭에도 견딜 수 있습니다. 기름이 없으므로 전류를 운반하는 접점 표면의 마모가 최소화됩니다. 그러나 빈번한 스위칭이 예상되는 경우 지속적이고 충분한 압축 공기 공급이 필수적입니다.

• 유지 보수가 거의 필요하지 않음: 반복적인 스위칭을 쉽게 처리할 수 있는 능력은 유지 보수 요구 사항을 줄입니다. 이는 유지 보수 비용을 절약하고 회로 차단기의 신뢰성과 가용성을 향상시킵니다.

• 화재 위험 제거: 공기 분사 회로 차단기는 기름을 포함하지 않으므로 기름을 사용하는 회로 차단기와 관련된 화재 위험이 완전히 제거되며, 전기 설치에 더 안전한 옵션입니다.

• 작은 크기: 공기 분사 회로 차단기에서 절연 강도의 빠른 성장으로 인해 아크 소멸에 필요한 최종 간격이 훨씬 작아집니다. 이러한 컴팩트한 설계로 인해 더 작은 크기의 장치가 만들어져 전기 시스템에 더 쉽게 통합되고 공간을 덜 차지합니다.

아크 소멸 원리

공기 분사 회로 차단기는 추가 압축 공기 시스템을 통해 공기를 공기 수신기에 공급합니다. 회로 차단기가 열릴 필요가 있을 때 압축 공기는 아크 소멸실로 방향을 잡습니다. 이 고압 공기는 이동 접점에 힘을 가하여 분리하게 합니다. 접점이 분리되면서 공기 분사는 아크로 인해 형성된 이온화된 가스를 제거하여 효과적으로 아크를 소멸시킵니다.

아크는 일반적으로 한 개 이상의 주기 내에 소멸됩니다. 아크 소멸 후 아크 챔버는 고압 공기로 채워져 재발생을 방지합니다. 공기 분사 회로 차단기는 외부 소멸 에너지 유형에 속하며, 아크를 소멸시키는 에너지는 중단되는 전류와 독립적으로 고압 공기에서 파생됩니다.

공기 분사 회로 차단기의 종류

모든 공기 분사 회로 차단기는 블라스트 밸브를 열어서 생성된 아크 형성 공기 흐름에서 접점을 분리하는 원칙으로 작동합니다. 생성된 아크는 노즐을 통해 빠르게 중심으로 모아지고, 고정된 길이에서 최대 공기 흐름의 힘을 받습니다. 접점 주변의 압축 공기 분사 방향에 따라 공기 분사 회로 차단기는 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다:

• 축방향 분사 공기 회로 차단기: 이 유형에서는 공기 흐름이 아크와 평행하여 길이 방향으로 흐릅니다. 축방향 분사 공기 회로 차단기는 단일 분사형이나 이중 분사형으로 나눌 수 있습니다. 일부 이중 분사 배치에서는 공기 분사가 노즐이나 접점 사이의 공간으로 방사형으로 흐르는 경우가 있는데, 이러한 경우에도 주요 축방향 흐름 설계 개념을 따르므로 축방향 분사 회로 차단기로 분류됩니다.

위의 다이어그램은 공기 분사 회로 차단기의 기본 구조와 작동을 나타냅니다. 정상 작동 상태에서는 고정 접점과 이동 접점이 스프링의 힘으로 폐쇄 상태를 유지합니다. 공기 저수조 탱크는 공기 밸브를 통해 아크 챔버와 연결됩니다. 이 밸브는 트리플 임펄스 메커니즘에 의해 활성화되며, 결함이 발생하거나 전류를 중단할 필요가 있을 때 열립니다.

전기 시스템에서 결함이 발생하면 트리핑 임펄스가 작동의 촉매제 역할을 합니다. 이 임펄스는 공기 저수조와 아크 챔버를 연결하는 공기 밸브를 활성화하여 열립니다. 저수조에서 나오는 고압 공기가 아크 챔버로 쏟아져 이동 접점에 상당한 힘을 가합니다. 공기 압력이 접점을 폐쇄하는 데 필요한 스프링 힘을 넘어서면 이동 접점이 분리되기 시작하여 전기 전류를 중단하고 아크를 소멸시키는 과정이 시작됩니다.

고속 공기의 압력으로 인해 접점이 분리되면 접점 사이에 아크가 형성됩니다. 공기는 아크의 길이 방향으로 축방향으로 고속으로 흐르며 아크 주변의 열을 효과적으로 제거합니다. 전류가 0에 접근하면서 이 연속적인 열 제거로 인해 아크의 직경이 크게 축소됩니다. 전류가 0에 도달하는 순간 아크는 성공적으로 중단됩니다. 그 후, 노즐을 통해 새 공기가 접점 사이의 공간을 채웁니다. 이 신선한 공기의 흐름은 접점 공간에 있던 뜨거운 이온화된 가스를 제거하여 접점 사이의 절연 강도를 신속히 복원하고 아크의 재발생을 방지합니다.

횡방향 분사 공기 회로 차단기

횡방향 분사 공기 회로 차단기에서는 아크 소멸 메커니즘이 다르게 작동합니다. 여기서 아크 분사는 아크 자체에 수직으로 방향을 잡습니다. 아래의 그림은 이 유형의 회로 차단기에서 사용되는 횡방향 분사 원리를 도식적으로 보여줍니다. 이동 접점 팔이 제한된 공간에서 작동되면 아크가 생성됩니다. 즉시 횡방향 공기 분사가 이 아크를 분할 판으로 향하게 하여 분할 판이 아크를 더 작은 부분으로 분할하여 에너지를 분산시킵니다. 이 과정은 아크를 효과적으로 약화시켜 전류가 0을 통과한 후 재발생 에너지를 잃게 하여 전기 회로의 성공적인 중단을 보장합니다.

저항 스위칭과 공기 분사 회로 차단기의 단점

저항 스위칭

일반적으로 공기 분사 회로 차단기에서는 저항 스위칭이 절대적으로 필요하지 않습니다. 아크가 소멸될 때 자연스럽게 일부 저항이 생성되며, 이는 일시적인 재발생 전압을 조절하는 데 도움이 됩니다. 그러나 특정 응용 분야에서 추가 저항이 유익하다고 판단되는 경우에는 아크 분할 섹션에 저항기를 연결하여 이를 통합할 수 있습니다. 이 추가 저항은 전압 변동에 대한 추가적인 제어 계층을 제공하여 특정 조건에서 회로 차단기의 성능을 향상시킵니다.

공기 분사 회로 차단기의 단점

공기 분사 회로 차단기의 주요 한계 중 하나는 정확한 압력으로 지속적인 압축 공기 공급이 필요하다는 점입니다. 이를 확보하기 위해 대규모 설치가 필요하며, 일반적으로 두 개 이상의 컴프레서가 필요합니다. 이 복잡한 압축 플랜트를 유지 관리는 쉬운 일이 아닙니다. 효율적으로 작동하도록 컴프레서를 정기적으로 유지 관리하고 발생할 수 있는 기계적 문제를 해결해야 합니다.

또한, 파이프 피팅에서의 공기 누출은 지속적인 문제가 됩니다. 심지어 작은 누출이라도 점차적으로 공기 압력을 소진하여 회로 차단기의 성능을 저하시킵니다. 이러한 누출을 감지하고 수정하는 것은 시간과 노동 집약적일 수 있습니다. 이러한 유지 관리 과제와 복잡한 공기 공급 시스템의 필요성으로 인해 운영 비용이 증가합니다.

오일이나 다른 유형의 공기 차단 회로 차단기와 비교할 때, 공기 분사 회로 차단기는 저전압 응용 분야에서 특히 비싸다. 압축 공기 생성을 위한 광범위한 인프라와 관련된 유지 관리 비용으로 인해 저전압이 필요한 상황에서는 비용 효율적이지 않으며, 이러한 맥락에서 널리 사용되지 않습니다.