진공 회로 차단기가 진공을 잃었을 때 어떤 일이 발생하는지 실제 테스트 결과 공개
진공 차단기가 진공을 잃었을 때 어떤 일이 발생합니까?
진공 차단기가 진공을 잃었을 경우 다음의 작동 시나리오를 고려해야 합니다:
접점 개방
폐쇄 작동
폐쇄 및 정상 작동
정상 전류 중단과 개방
고장 전류 중단과 개방
a, b, c의 경우는 비교적 간단합니다. 이러한 상황에서 시스템은 일반적으로 진공 손실에 크게 영향을 받지 않습니다.
그러나 d와 e의 경우 더 깊이 논의가 필요합니다.
세상극 공급용 진공 회로 차단기의 한 극에서 진공이 손실되었다고 가정해보겠습니다. 고장난 차단기가 지중선 연결(접지되지 않은) 부하를 제공하는 경우 스위칭 작업은 실패하지 않습니다. 기본적으로 아무 일도 일어나지 않습니다. 두 건전한 상(예: 1상과 2상)이 회로를 성공적으로 중단하고 고장난 상(3상)의 전류는 자연스럽게 중단됩니다.
접지된 부하의 경우에는 다른 상황이 발생합니다. 이 경우 두 건전한 상에 의한 중단은 고장난 상의 전류 흐름을 멈추지 않습니다. 3상에서 아크가 계속되고 이를 소멸시키는 것이 없으므로 이 전류는 백업 보호 장치가 작동할 때까지 계속됩니다. 결과적으로 차단기에 대재적인 손상이 발생합니다.
3~15 kV 범위의 진공 회로 차단기는 주로 접지 시스템에서 사용되므로, 우리는 몇 년 전 실험실에서 실패한 차단기의 영향을 조사했습니다. 우리는 의도적으로 진공 차단기를 대기압("평탄화")에 노출시키고 차단기를 전체 단락 회로 중단 테스트에 제출했습니다.
예상대로 "평탄화"된 차단기는 해당 상의 고장을 해결하지 못하고 파괴되었습니다. 실험실 백업 차단기는 성공적으로 고장을 해결했습니다.
테스트 후, 차단기는 스위치 기어 셀에서 제거되었습니다. 그건 매우 탄소로 덮였지만 기계적으로 무결했습니다. 연기와 탄소는 차단기와 스위치 기어에서 청소되었고, 고장난 유닛은 교체되었으며, 차단기는 다시 셀에 삽입되었습니다. 그날 나중에 또 다른 단락 회로 테스트가 수행되었으며 성공적으로 완료되었습니다. 이후 수년간의 현장 경험은 이러한 실험실 테스트 결과를 확인했습니다.
우리의 고객 중 하나인 주요 화학 회사는 두 가지 다른 국가의 두 가지 시설에서 유사한 회로 구성을 가진(하나는 공기-자석 차단기, 하나는 진공 차단기) 고립된 고장 사례를 겪었습니다. 두 경우 모두 공통의 회로 구성과 고장 모드를 공유했습니다: 차단기 양쪽의 전력원이 동기화되지 않아 접점 간격에 거의 두 배의 정격 전압이 적용되는 연결 회로였습니다. 이로 인해 차단기 고장이 발생했습니다.
이러한 고장은 ANSI/IEEE 지침을 위반하고 차단기 설계 등급을 크게 초과하는 적용 조건으로 인한 것입니다. 이는 설계 결함을 나타내지 않습니다. 그러나 손상의 정도는 교훈적입니다:
공기-자석 차단기의 경우, 유닛의 하우징이 폭발적으로 파열되었습니다. 양쪽 인접한 스위치 기어 셀이 광범위하게 손상되어 주요 재구축이 필요했습니다. 차단기는 완전히 손실되었습니다.
진공 차단기의 경우, 고장은 훨씬 덜 격렬했습니다. 고장난 진공 차단기는 교체되었고, 아크 생성물(연기)은 차단기와 콤팩트에서 청소되었으며, 시스템은 서비스로 복귀되었습니다.
우리는 진공 차단기를 극한까지 밀어붙이는 데 익숙하며, 이러한 실제 세계의 결과를 지원하는 광범위한 실험실 테스트를 수행합니다.
최근 우리 실험실에서는 "누출" 진공 차단기를 사용하여 중단 시도를 평가하기 위해 몇 가지 고출력 테스트를 수행했습니다. 차단기 하우징에 작은 구멍(~3mm 직경)을 뚫어 진공 손실을 시뮬레이션했습니다. 결과는 다음과 같습니다:
1,310A의 정상 전류(정격 연속 전류: 1,250A)가 진공 차단기의 한 극에 의해 중단되었습니다. 실험실 백업 차단기가 고장을 해결할 때까지 "고장난" 차단기를 통해 2.06초 동안 전류가 흘렀습니다. 어떠한 부품도 분출되지 않았으며, 차단기는 폭발하지 않았으며, 오직 차단기 하우징의 페인트만 거품이 났습니다. 다른 손상은 발생하지 않았습니다.
같은 차단기의 두 번째 극은 25kA(정격 차단 전류: 25kA)를 중단하려고 시도했습니다. 실험실 차단기가 고장을 해결할 때까지 아크는 0.60초 동안 지속되었습니다. 아크는 차단기 하우징의 측면을 통해 구멍을 불었습니다. 폭발이나 날아다니는 파편은 발생하지 않았습니다. 구멍에서 발광 입자가 분출되었지만, 어떠한 기계 부품이나 인접한 차단기도 손상되지 않았습니다. 모든 손상은 고장난 차단기에 국한되었습니다.
이러한 테스트는 진공 차단기 고장의 결과가 다른 차단 기술의 고장보다 훨씬 덜 심각하다는 것을 확인합니다.
하지만 진정한 질문은 고장이 발생했을 때 무엇이 발생하는지가 아니라 고장이 발생할 가능성은 얼마나 되는가입니다.
진공 차단기의 고장률은 극히 낮습니다. 진공 손실은 이제 중요한 문제가 아닙니다.
1960년대 초, 진공 차단기는 누출이 자주 발생했습니다—이는 큰 문제였습니다. 초기 설계는 비슷하지 않은 재료 사이에 브레이징 또는 용접을 사용했으며, 유기 물질은 사용하지 않았습니다. 특히 고온을 견딜 수 없는 보로실리케이트 유리 절연체를 사용한 수작업이 일반적이었습니다.
현재는 기계 용접과 배치 유도 가마 브레이징이 매우 엄격한 공정 관제를 통해 사용됩니다. 진공 차단기 내부의 유일한 움직이는 부분은 구리 접점으로, 스테인리스 강철 벨로우스를 통해 엔드 플레이트에 연결됩니다. 벨로우스의 양 끝이 용접되어 있으므로 이 움직이는 실링의 고장률은 매우 낮습니다—현대의 진공 회로 차단기의 높은 신뢰성을 보여줍니다.
사실, 현대의 진공 차단기의 MTTF(Mean Time To Failure)는 현재 57,000년으로 추정됩니다.
고객들이 1960년대 진공 차단기가 전력 애플리케이션에 처음 도입되었을 때 진공 손실에 대해 우려했던 것은 당연했습니다. 그 당시에는 진공 차단기가 종종 누출되었고, 서지 문제도 일반적이었습니다. 진공 차단기를 제공하는 회사는 하나뿐이었고, 많은 문제점이 보고되었습니다.
1970년대 중반, 유럽에서 개발된 진공 차단기—현대의 시멘스 디자인과 같은 것들—은 1960년대 모델과 재료와 공정 관제 측면에서 근본적으로 다릅니다. 구리-비스무트 접점은 오늘날의 크롬-구리 합금보다 서지에 더 취약했습니다. 수작업으로 제작된 차단기는 오늘날의 정밀 제조된 유닛보다 누출이 더 자주 발생했습니다.
현재는 엄격한 공정 관제와 자동화로 대부분의 인간 변동성을 제거했습니다. 결과적으로 현대의 진공 차단기는 긴 서비스 수명을 제공하며, 연결된 장비에 미치는 유전 스트레스는 전통적인 공기-자석 또는 오일 회로 차단기와 비교해 볼 때 나쁘지 않습니다.
