진공 회로 차단기를 올바르게 선택하는 방법은?

01 서문

중간 전압 시스템에서 회로 차단기는 필수적인 주요 구성 요소입니다. 진공 회로 차단기가 국내 시장을 주도하고 있습니다. 따라서 올바른 전기 설계는 진공 회로 차단기의 적절한 선택과 분리될 수 없습니다. 이 섹션에서는 어떻게 진공 회로 차단기를 올바르게 선택하는지 및 그 선택에서 일반적인 오해에 대해 논의할 것입니다.

02 단락 전류 차단 용량이 지나치게 높아야 할 필요는 없다

회로 차단기의 단락 전류 차단 용량은 지나치게 높을 필요는 없지만, 향후 전력망 용량 확장으로 인해 증가할 수 있는 단락 전류를 수용하기 위해 어느 정도 여유가 있어야 합니다. 그러나 실제 전기 설계에서 회로 차단기의 선택된 차단 용량은 종종 너무 높습니다.

예를 들어, 10kV 시스템 내의 최종 사용자 변전소에서 모선 단락 전류는 대부분 10kA이며, 더 큰 용량의 시스템에서는 16kA까지 도달할 수 있습니다. 그러나 전기 설계 도면에서 진공 회로 차단기의 차단 용량은 종종 31.5kA 또는 심지어 40kA로 지정됩니다. 이러한 높은 차단 용량은 투자의 낭비를 초래합니다. 위의 경우 20kA 또는 25kA의 차단 용량이 충분합니다. 현재 31.5kA 차단 용량의 진공 회로 차단기는 수요가 많고 대량 생산되고 있어 제조 비용과 가격이 감소하여 더욱 널리 채택되고 있습니다.

전기 설계에서 계산된 단락 전류는 일반적으로 높은 편입니다. 그 이유는 계산 중에 회로 루프의 시스템 임피던스와 접촉 저항이 종종 무시되기 때문입니다. 물론 회로 차단기의 차단 용량은 가능한 최대 단락 전류에 따라 선택되어야 합니다. 그러나 단락 보호 설정 값은 최대 단락 전류를 기반으로 하지 않아야 합니다.

이는 단락 중에 아크가 자주 발생하며, 아크 저항이 매우 높기 때문입니다. 설계 계산에서는 단락이 순수 금속 3상 단락으로 처리되며, 아크와 접촉 저항이 없다고 가정합니다. 실제 고장 통계에 따르면, 단락의 80% 이상이 단일 상이며, 단락 사건 중에는 거의 항상 아크가 발생합니다. 결과적으로 실제 단락 전류는 이상적인 계산 값보다 훨씬 낮습니다.

보호 설정 값이 너무 높으면 보호 민감도가 감소하거나 즉시 보호 작동 실패가 발생할 수 있습니다. 공학적 실무에서 문제는 종종 회로 차단기가 차단하지 못하는 것이 아니라 과도한 설정 값으로 인해 보호 요소가 활성화되지 않는 것입니다. 한편, 순수 금속 3상 단락은 거의 발생하지 않습니다—유지 후 접지선을 제거하지 않고 차단기를 닫을 때만 발생합니다. 그러나 접지는 일반적으로 접지 스위치 또는 접지 트롤리로 수행되며, 상호 잠금 기능이 있어 순수 금속 단락은 극히 드뭅니다.

전기 시공 도면에서 주입구 회로 차단기의 차단 용량이 피더 회로 차단기보다 한 단계 높게 지정되는 것이 일반적입니다. 이것은 불필요합니다. 주 차단기는 모선 단락 고장, 피더 차단기는 각각의 회로 고장을 처리합니다. 그러나 피더 차단기의 부하 측 근처에서는 모선에 가까워서 단락 전류가 모선 단락 전류와 크게 다르지 않습니다. 따라서 주 차단기와 피더 차단기의 차단 용량은 동일해야 합니다.

03 전기 및 기계 수명 요구 사항이 지나치게 높아야 할 필요는 없다

여기서 언급하는 전기 수명은 정격 또는 부분 부하 전류에서 지정된 간격으로 차단기가 열고 닫는 횟수를 의미하는 것이 아니라 유지보수가 필요 없는 단락 전류 차단 횟수를 의미합니다. 이러한 수치에 대한 국가 표준은 없습니다. 일반적으로 제조사는 30회의 이러한 차단을 설계합니다. 일부 제조사 제품은 50회를 처리할 수 있습니다. 사용자 프로젝트 입찰 문서에서는 종종 단락 차단 횟수에 대한 지나치게 높은 요구 사항을 볼 수 있습니다. 예를 들어, 한 입찰 문서에서는 12kV 선로 보호 진공 회로 차단기에 정격 단락 전류 100회의 차단, 100,000회의 기계 수명, 정격 전류 차단 20,000회를 요구했습니다—이러한 요구 사항은 불합리합니다.

지나치게 높은 단락 차단 횟수는 불필요합니다. 단락 고장은 중대한 전기 사고입니다. 각 사고는 원인 분석 및 재발 방지를 위한 조치가 필요한 심각한 사고로 취급되어야 합니다. 따라서 회로 차단기의 효과적인 서비스 수명 동안 단락 고장은 몇 번만 차단할 것입니다. 시스템 전압이 높을수록 단락으로 인한 손상은 커지지만, 발생 가능성은 낮아집니다. 따라서 30회의 단락 차단이 가능한 중간 전압 회로 차단기가 충분합니다. 단락 차단 시험은 비용이 많이 듭니다. 12kV 진공 회로 차단기의 경우, 현재 각 단락 차단 시험은 약 10,000 RMB가 듭니다. 과도한 시험은 비용이 많이 들고 불필요합니다.

더 많은 성공적인 차단 횟수가 더 나은 차단 능력을 의미하는가? 이것이 또 다른 일반적인 오해입니다. 진공 회로 차단기의 단락 차단 시험의 핵심은 첫 10번의 작동에 있습니다. 첫 10번의 시험에서 차단기가 지정된 전류를 성공적으로 차단하면, 그 후의 성능은 일반적으로 신뢰할 수 있습니다. 형식 시험의 통계 데이터에 따르면, 첫 10번의 차단에서 실패 확률이 가장 높으며, 차단 횟수가 증가할수록 점점 줄어듭니다. 30번의 차단 후, 이후 시험에서 실패할 가능성이 거의 없습니다. 따라서 30번을 차단할 수 있다는 것은 50번을 차단할 수 없다는 것을 의미하는 것이 아니라, 추가 시험이 불필요하다는 것을 의미합니다.

진공 회로 차단기의 기계 수명에 대해서도 지나치게 높은 요구 사항이 필요하지 않습니다. M1 클래스는 원래 2,000회 이상이고, M2 클래스는 10,000회입니다. 이제 제조사들은 기계 수명을 경쟁하고 있습니다—한 제조사는 25,000회, 다른 제조사는 100,000회를 주장합니다. 입찰 과정에서 참가자들은 기계 수명 값을 비교하는데, 이는 배전용 진공 회로 차단기에 있어서는 무의미합니다. 그러나 모터, 아크로브, 자동 콘덴서 보상 회로 등의 자주 스위칭이 필요한 특정 응용 분야에서는 진공 접촉기가 더 적합합니다(SF6 회로 차단기는 중간 전압 콘덴서 뱅크 스위칭에 일반적으로 사용됨). 접촉기는 1백만 회 이상의 기계 및 전기 수명을 가지고 있으며(전기 수명은 정격 전류 차단으로 측정되며, 단락 전류 차단이 아님), 회로 차단기에서는 기계 수명을 경쟁할 필요가 없습니다.

04 기타 전기 파라미터에 대한 지나치게 높은 요구 사항

회로 차단기의 단시간 내구 전류는 고장 시 단락 전류의 열 스트레스를 견딜 수 있는 능력을 의미합니다. 이는 온도 상승과 다릅니다. 온도 상승 시험은 차단기에 정격 또는 지정된 전류를 장시간 통과시키고, 각 지점의 온도 상승이 지정된 한도를 초과하지 않도록 하는 것입니다. 회로 차단기의 단시간 내구 전류는 일반적으로 3초 동안 시험됩니다.

이 시간 동안 단락 전류로 인한 열이 차단기를 손상시키지 않아야 합니다. 3초의 열 내구 능력은 충분합니다. 그 이유는 단락이 발생한 후, 시간 등급 보호에서 선택성을 보장하기 위해 의도적으로 지연이 발생할 수 있기 때문입니다. 시간 기반 보호의 경우, 인접한 차단기 사이의 0.5초 지연이 선택성을 보장합니다. 만약 차단기가 두 단계 차이라면, 트립 지연은 1초이며, 세 단계 차이라면 1.5초입니다. 3초의 내구 능력은 이미 충분합니다. 그러나 일부 사용자 또는 설계자는 5초의 열 내구 능력을 요구하는데, 이는 정말로 불필요합니다.

회로 차단기의 폐쇄 과정에서 이동 접점과 고정 접점이 튀어오를 수 있습니다. 만약 튀어오름 시간이 너무 길거나 3상 폐쇄 비동기성이 크다면, 접점 사이에서 절연 붕괴와 재점화가 발생할 수 있습니다. 재점화는 회로에서 충전-방전 과정을 일으켜 과전압의 경사와 진폭을 증가시킵니다. 이를 접점 재점화 과전압이라고 합니다.

그 위험성은 진공 회로 차단기의 전류 절단 과전압보다 클 수도 있으며, 변압기와 모터의 회전체 절연을 위협할 수 있습니다. 따라서 접점 튀어오름 시간과 3상 비동기성은 2ms를 넘어서는 안 됩니다. 현재 회로 차단기 파라미터는 이 요구 사항을 충족하도록 제작되었습니다. 그러나 일부 사용자는 2ms 미만, 심지어 1ms 미만을 요구하는데, 이는 현재 기술 역량을 초과합니다.

05 진공 중단기의 지나치게 높은 시작 전류로 인한 부정적인 문제

중간 전압 진공 중단기의 시작 정격 전류는 630A입니다. 현재 일부 제조사는 630A 버전을 더 이상 생산하지 않으며, 최소 시작 전류가 1250A로 증가했습니다. 이는 진공 중단기 제조와 관련이 있습니다. 그러나 이는 일련의 부정적인 결과를 가져옵니다. 진공 중단기의 시작 전류가 너무 높기 때문에, 이러한 중단기로 조립된 진공 회로 차단기는 중단기의 전류 등급과 일치해야 합니다.

따라서, 기둥, 기둥 플러그 접점, 스위치 기어의 고정 접점과 같은 모든 관련 구성 요소도 중단기의 전류 등급과 일치해야 합니다. 이는 대부분의 경우 비철 금속 재료의 심각한 낭비를 초래합니다. 예를 들어, 12kV 진공 회로 차단기는 1000kVA 변압기를 공급할 수 있으며, 10kV 측 정격 전류는 단지 57.7A입니다. 그러나 진공 중단기의 시작 전류가 1250A이므로, 회로 차단기는 1250A로 등급이 매겨져야 합니다. 결과적으로, 차단기의 모든 부품은 최소 1250A의 정격 전류를 가져야 하고, 스위치 기어의 고정 접점도 최소 1250A 이상의 정격 전류를 가져야 합니다. 이는 비철 금속의 상당한 낭비를 초래합니다.

더 나쁜 것은, 사용자 또는 설계자가 스위치 기어의 주 전도체의 전류 용량이 회로 차단기의 전류 용량과 일치해야 한다고 주장하는 경우입니다—즉, 전도체의 전류 용량은 1250A로 설계됩니다. 실제로는 60A의 용량이 충분하며, 회로 전도체의 최소 단면적이 동적 및 열 안정성 검사를 통과하는 한, 재료 절약에 상당한 여지가 있습니다.