진공 회로 차단기의 접점 분리 단계를 이해하는 한 편의 기사
진공 회로 차단기 접점 분리 단계: 아크 발생, 아크 소멸, 진동
단계 1: 초기 개방 (아크 발생 단계, 0–3 mm)
현대 이론은 접점 분리 초기 단계(0-3mm)가 진공 회로 차단기의 차단 성능에 중요하다는 것을 확인합니다. 접점 분리 초기에는 아크 전류가 항상 제한 모드에서 확산 모드로 전환되며, 이 전환이 빠를수록 차단 성능이 향상됩니다.
제한 모드에서 확산 모드로의 아크 전환을 가속화하는 세 가지 방법이 있습니다:
이동 부품의 질량 감소: 진공 회로 차단기 개발 과정에서 도전 클램프의 질량을 줄이면 이동 부품의 관성도 감소합니다. 비교 실험 결과, 이러한 접근 방식이 초기 개방 속도를 다양한 정도로 향상시킨다는 것이 입증되었습니다.
개방 스프링의 힘 증가, 초기 개방 단계(0-3mm)에서 효과적으로 작용하도록 합니다.
접점 압축 거리를 최소화하여(최적은 2-3mm), 개방 스프링이 가능한 한 빨리 분리 과정에 참여할 수 있도록 합니다.
전통적인 회로 차단기는 일반적으로 플러그형 접점을 사용합니다. 단락 전류 시, 전자기력으로 인해 지름길 접점이 도전봉을 강하게 잡아서, 움직임 방향의 힘 구성 요소가 0이 됩니다. 반면, 진공 회로 차단기는 평평한 접점 인터페이스를 사용합니다. 단락 전류가 발생하면, 강한 전자기력이 접점에 밀어내는 힘으로 작용합니다.
이는 접점 분리가 접점 압축 스프링의 완전한 해제를 기다릴 필요가 없다는 것을 의미합니다—분리는 주 축의 움직임과 거의 동시에 발생합니다(미세하거나 최소한의 지연). 따라서, 압축 거리가 최소화되면, 개방 스프링이 더 일찍 작용하여 초기 개방 속도를 향상시킬 수 있습니다. 이 단계의 초기 구동력은 전자기 반발력이므로, 최소화해야 하는 질량은 모든 이동 부품을 포함합니다. 따라서, 분할형이나 조립형 메커니즘과 같은 구조 설계는 긴 링크가 많아 진공 회로 차단기에 적합하지 않으며, 고속 초기 개방 속도 달성을 방해합니다.
단계 2: 아크 소멸 (3–8 mm)
접점이 3-4mm로 분리될 때, 아크가 확산 모드로의 전환이 보통 완료됩니다—이것이 아크 소멸에 가장 적합한 창입니다. 광범위한 테스트는 차단에 이상적인 아크 간격이 3-4mm임을 확인했습니다. 만약 이 시점에서 전류 제로가 발생하면, 금속 증기의 밀도가 신속히 감소하고, 간격 사이의 절연 강도가 빠르게 회복되어 성공적인 차단이 이루어집니다. 두 번째 단계의 구동력은 개방 스프링입니다.
삼상 시스템에서, 첫 번째 전류 제로에서 아크 소멸이 발생하면, 아크 시간은 대략 3ms(접점이 두 개의 전류 제로 중간에서 분리되는 것으로 가정하며, 이때 간격이 충분히 커짐)입니다. 3-4mm 간격에서 소멸을 달성하려면, 이 단계 동안의 평균 개방 속도는 0.8-1.1m/s여야 합니다. 일반적으로 사용되는 6mm 측정으로 변환하면, 상응하는 평균 개방 속도는 약 1.1-1.3m/s이며, 이 범위는 전 세계적으로 진공 회로 차단기에 널리 채택되고 있습니다. 그러나 이 데이터는 무부하 상태에서의 기계적 작동 테스트에서 얻어졌습니다. 고전류 차단 시, 실제 개방 속도는 추가적인 전자기 반발력으로 인해 접점 움직임에 기여하여 크게 증가합니다. 그 결과, 동일한 시간 내에 이동 접점은 6-8mm를 이동할 수 있습니다.
아크 시간을 최소화하기 위해, 두 번째 단계에서는 특수 감쇠 조치를 적용하여 도전봉의 속도를 신속히 감소시켜야 합니다. 오일 버퍼의 작동 타이밍은 신중하게 제어되어야 합니다. 첫 번째 단계에서는 빠른 분리가 필요하지만, 개방 스프링이 아직 완전히 작동하지 않습니다. 두 번째 단계에서는 속도를 줄여야 하며, 개방 스프링이 너무 강하면 속도 감소를 방해하고, 아크 시간을 연장하며, 세 번째 단계를 복잡하게 만듭니다.
단계 3: 진동 (8–11 mm)
진공 회로 차단기의 작은 접점 간격과 짧은 개방 시간으로 인해, 빠르게 움직이는 접점은 매우 짧은 시간 내에 정지되어야 합니다. 어떤 감쇠 방법을 사용하든, 속도 변화율은 여전히 높아 강한 기계적 충격을 피할 수 없습니다. 잔여 진동은 대체로 30ms 동안 지속됩니다. 현재, 국내외 진공 회로 차단기 모두 이동 접점이 분리되어 진동 영역에 들어가는 데 약 10-12ms가 걸리며, 아크 지속 시간은 일반적으로 12-15ms입니다. 명백히, 접촉 표면이 국소적으로 녹아 굳기 시작하는 것은 진동 영역에 들어간 후입니다. 이 격렬한 진동은 필연적으로 녹은 금속을 튀겨 접점 표면에 날카로운 돌출물을 형성하고, 접점 사이에 현탁된 금속 입자를 남깁니다—재점화의 주요 외부 요인입니다. 이러한 설계 결함은 제한된 유형 테스트에서 완전히 드러나지 않는 경우가 많아, 이 문제에 대한 인식이 오랜 시간 동안 부족했습니다.
결론
진공 회로 차단기 설계자는 전체 접점 분리 과정에 근접하게 주의를 기울여야 합니다. 핵심 전략은 다음과 같습니다: 이동 질량 감소, 초기 개방 속도 증가, 두 번째 단계에서 속도 신속 감소, 그리고 접점이 진동 영역에 들어가기 전에 아크가 소멸하도록 아크 시간 최소화. 이를 통해 접점 표면에 충분한 냉각 시간을 제공하고, 진동 강도를 줄입니다. 이러한 기계적 및 전기적 원칙에 맞춘 잘 설계된 분리 프로파일은 기계적 및 전기적 수명을 크게 향상시키고, 전반적인 신뢰성과 성능을 개선합니다.
