진공 회로 차단기 소손 사고 원인 분석 및 예방 조치

1. 진공 회로 차단기의 고장 메커니즘 분석

1.1 개방 중의 아크 과정

회로 차단기 개방을 예로 들면, 전류가 작동 기구를 트리핑시킬 때 이동 접점이 고정 접점으로부터 분리되기 시작합니다. 이동 접점과 고정 접점 사이의 거리가 증가함에 따라 접점 분리, 아크 발생, 후아크 절연 회복의 세 단계를 거칩니다. 분리가 아크 단계에 들어서면, 전기 아크의 상태는 진공 차단기의 건강성에 결정적인 역할을 합니다.

아크 전류가 증가함에 따라 진공 아크는 음극 스폿 영역과 아크 열기에서 양극 영역으로 발전합니다. 접촉 면적이 지속적으로 감소하면서 높은 전류 밀도가 높은 온도를 생성하여 음극 금속 재료의 증발을 유발합니다. 전기장의 영향으로 초기 간극 플라즈마가 형성됩니다. 음극 표면에 음극 스폿이 나타나 전자를 방출하고 필드 방출 전류를 형성하며, 금속 재료를 계속 침식하고 금속 증기와 플라즈마를 유지합니다. 이 단계에서는 비교적 낮은 아크 전류로 인해 오직 음극만 활성화됩니다.

아크 전류가 더욱 증가하면, 플라즈마가 양극에 에너지를 주입하여 양극 아크 모드가 확산 아크에서 수축 아크로 전환됩니다. 이러한 전환은 전극 재료와 전류 크기와 같은 요인들에 의해 영향을 받습니다.

1.2 접점 침식 고장 분석

접점 침식은 차단 전류와 직접 관련되어 있습니다. 정격 주파수 전류 하에서는 접점 용융 정도는 거의 무시할 수 있을 만큼 적습니다. 접점 침식은 고전류, 고온 조건에서 발생합니다. 회로 차단기가 정격 전류를 초과하는 단락 전류를 차단할 때, 재료 침식 정도가 급격히 증가하여 재료 손실의 조건을 만듭니다.

접점 표면의 거칠기는 표면 돌출부에서 전류 집중을 강화하여 국소 가열을 더 심각하게 만듭니다. 또한, 아크 전류의 지속 시간은 중요합니다. 단락 전류라도 그 지속 시간이 너무 짧으면 재료 침식량은 적습니다.

접점 고장의 근본 원인은 아크 과정 중의 질량 손실입니다. 접점 손상은 두 단계로 발생합니다:

• 재료 침식: 양극 재료 침식은 플라즈마에 의해 구동됩니다. 양극 표면의 에너지 유량 밀도는 플라즈마가 양극에 미치는 영향을 측정하는 주요 매개변수입니다. 연구에 따르면, 아크 전류, 접점 간격, 접점 반경이 클수록 양극 에너지 유량 밀도가 증가하여 양극 스폿 형성과 재료 침식을 촉진합니다.

• 재료 손실: 아크 소멸 후, 플라즈마 압력으로 인해 녹은 금속 방울들이 접점 표면에서 분출됩니다. 이 과정은 주로 재료 특성에 의해 영향을 받으며, 아크의 추가 효과는 거의 없습니다.

2. 진공 회로 차단기 화재 사고의 원인

(1) 전기적 마모 및 접점 간격 변동으로 인한 접점 저항 증가
진공 회로 차단기는 진공 차단기 내부에 밀봉되어 있으며, 이동 접점과 고정 접점이 직접 대면 접촉합니다. 차단 중에는 접점 침식이 발생하여 접점 마모, 접점 두께 감소, 접점 간격 변화가 일어납니다. 마모가 진행됨에 따라 접점 표면이 악화되고, 이동 접점과 고정 접점 사이의 접점 저항이 증가합니다. 마모는 접점 간격을 변경하여 접점 사이의 스프링 압력을 감소시키며, 접점 저항을 더욱 증가시킵니다.

(2) 비동기 작동으로 인한 고장 상의 저항 증가
진공 회로 차단기의 기계적 성능이 좋지 않으면, 기계적 문제로 인해 반복적인 작동 시 비동기 작동이 발생할 수 있습니다. 이는 개폐 시간을 연장하여 효과적인 아크 소멸을 방지합니다. 아크는 접점의 용접(융합)을 유발하여 이동 접점과 고정 접점 사이의 접점 저항을 크게 증가시킵니다.

(3) 진공 완전성 감소로 인한 접점 산화 및 저항 증가
진공 차단기의 벨로우스는 얇은 스테인리스 스틸로 제작되며, 밀봉 요소로서 진공 완전성을 유지하면서 도체 막대의 움직임을 허용합니다. 벨로우스의 기계적 수명은 차단기 작동 중의 팽창 및 수축 힘에 의해 결정됩니다. 도체 막대로부터 벨로우스로 전달되는 열은 벨로우스의 온도를 높여 피로 강도에 영향을 미칩니다.

벨로우스 재료나 제조 공정이 결함이 있거나, 차단기가 운송, 설치, 유지보수 중에 진동, 충격, 손상을 받으면 누출이나 미세 균열이 발생할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 이는 진공 수준을 낮추게 됩니다. 진공이 감소하면 접점 산화가 발생하여 고저항 구리 산화물이 형성되어 접점 저항을 증가시킵니다.

부하 전류 하에서는 접점이 지속적으로 과열되어 벨로우스 온도를 더욱 높이고, 벨로우스의 고장 가능성이 있습니다. 또한, 진공이 감소하면 회로 차단기는 정격 아크 소멸 능력을 잃게 됩니다. 부하 또는 고장 전류를 차단할 때, 불충분한 아크 소멸 능력으로 인해 지속적인 아크가 발생하여 결국 차단기 화재가 발생합니다.

3. 진공 회로 차단기 화재 사고 예방 조치

3.1 기술적 조치

진공 완전성 감소의 원인은 복잡합니다. 운송, 설치, 유지보수 중에 진동과 충격을 피해야 합니다. 그러나 공장 단계에서의 제조 및 조립 품질은 진공 완전성에 중요한 영향을 미치는 요소입니다.

(1) 벨로우스 재료 및 조립 품질 개선
진공 차단기는 벨로우스를 사용하여 기계적 움직임을 수행합니다. 반복적인 개폐 작동 후, 미세 균열이 발생하여 진공 완전성을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 제조업체는 벨로우스 재료의 강도와 조립 품질을 향상시켜 밀봉 신뢰성을 보장해야 합니다.

(2) 정기적인 기계적 특성 및 접점 저항 측정
연간 유지보수 정지 기간 동안 접점의 전기적 마모 및 간격 변화를 정기적으로 점검합니다. 동기성, 과행 등을 포함한 기계적 특성 테스트를 수행합니다. 직류 전압 강하법을 사용하여 루프 저항을 측정합니다. 저항 값에 따라 접점 산화 및 마모를 평가하고 즉시 문제를 해결합니다.

(3) 정기적인 진공 완전성 검사
플러그형 진공 회로 차단기의 경우, 운영자는 순찰 중에 차단기의 외부 방전을 시각적으로 감지할 수 없습니다. 실제로, 정기적으로 진공 완전성을 평가하기 위해 전력 주파수 내압 테스트가 일반적으로 사용됩니다. 이는 파괴적인 테스트지만, 진공 결함을 효과적으로 식별합니다. 대안적으로, 진공 측정기를 사용하여 질적 진공 측정은 진공 완전성을 평가하는 최선의 방법입니다. 진공 저하가 발견되면 즉시 진공 차단기를 교체해야 합니다.

(4) 온라인 진공 모니터링 장치 설치
무선 통신 및 SCADA 시스템이 전력망에서 널리 사용되면서 온라인 진공 모니터링이 가능해졌습니다. 방법에는 압력 감지, 전용 커플링, 전자광 변환, 초음파 탐지, 비접촉 마이크로파 감지 등이 있습니다.

• 압력 감지: 제조 시 차단기에 압력 센서를 내장합니다. 진공이 저하되면 가스 밀도와 내부 압력이 증가합니다. 압력 변화는 실시간 모니터링을 위한 제어 시스템으로 전송됩니다.

• 비접촉 마이크로파 감지: 패시브 감지를 사용하여 마이크로파 신호를 감지합니다. 진공 완전성이 저하될 때 고유한 피드백 신호를 포착하여 실시간 온라인 모니터링을 가능하게 합니다.

3.2 관리적 조치

과거 사례에서 운영자가 회로 차단기 고장을 올바르게 식별하지 못하여 화재와 사고 확대로 이어진 경우가 있었습니다. 이는 SCADA 시스템, 현장 장비, 운영 절차에 대한 충분한 이해 부족 및 비상 대응 인식 부족을 의미합니다. 따라서 주요 변전소의 운영 관리를 강화해야 합니다.

• 검사 시스템을 철저히 시행하여 문제를 조기에 발견합니다.

• 운영자에게 SCADA 시스템, 스위치 기어 운영 및 유지보수, 비상 대응 절차에 대한 교육을 강화합니다.

• 정기적으로 사고 방지 및 비상 대응 계획 훈련을 실시합니다.

3.3 중앙 장착 스위치 기어의 "오방" 연동 기능 개선

중앙 장착 스위치 기어의 "오방" 연동 기능을 기술적으로 업그레이드하여 표준 요구사항을 완전히 충족하도록 합니다. 고압 스위치 기어는 신뢰성 있는 성능으로 완전한 "오방" 기능을 갖추어야 합니다.

• 스위치 기어의 출구 측에 대전 지시기를 설치합니다. 이 지시기는 자체 테스트 기능을 가지고 있어야 하며, 선측 접지 스위치와 연동되어야 합니다.

• 후급 전원이 가능한 설치의 경우, 구획 문은 대전 지시기로 제어되는 의무적인 잠금 장치를 장착해야 합니다.

진공 완전성 감소로 인한 접점 산화, 접점 저항 증가, 과열, 그리고 최종적으로 고장으로 이어지는 진공 회로 차단기 화재 사고를 분석한 결과, 벨로우스 재료 및 조립 품질 개선, 온라인 진공 모니터링 장치 설치 등의 대책을 제안하였습니다. 이러한 조치들은 진공 저하를 실시간으로 예방하고 모니터링하여 유사 사고의 재발을 방지하는 데 도움이 됩니다.