철도차량용 주회로차단기 적용을 위한 진공인터럽터 고장분석 및 성능향상 연구 A Study on the Fault Analysis and Performance Enhancement of Vacuum Interrupters for MCB of Rolling Stocks원문보기
철도 차량용 주회로차단기(MCB)는 평상시에는 철도의 궤도 상부에 설치되어 있는 전차선과 고속차량에 설치된 팬터그라프(Pantagraph)를 경유한 전차선 전원(단상 27.5KV)계통을 개폐하고, 고속차량 내부에 탑재된 주변압기 2차측 이후의 차량 내부 전기회로에 이상이 발생되었을 때, 이를 신속히 차단하여 주 회로를 보호하는 역할을 한다. MCB의 차단부에는 ...
철도 차량용 주회로차단기(MCB)는 평상시에는 철도의 궤도 상부에 설치되어 있는 전차선과 고속차량에 설치된 팬터그라프(Pantagraph)를 경유한 전차선 전원(단상 27.5KV)계통을 개폐하고, 고속차량 내부에 탑재된 주변압기 2차측 이후의 차량 내부 전기회로에 이상이 발생되었을 때, 이를 신속히 차단하여 주 회로를 보호하는 역할을 한다. MCB의 차단부에는 부하전류를 개폐할 때 발생되는 아크를 소호하기 위해, 진공차단 방식의 진공인터럽터(VI : Vacuum Interrupter 이하 VI라 한다)를 사용하고 있다. MCB는 고속으로 주행하는 철도차량에 탑재되어 진동 및 충격을 지속적으로 받으면서 기상변화 및 외부환경조건에 노출되어 동작하여야 하며, 용도 특성상 다빈도 개폐동작을 하여야 하는 등 열악한 조건에서 차단기 역할을 수행하여 한다. 또한 열차 주행중에 고장발생시 열차운행정지 및 열차사고를 유발할 수 있기 때문에, 일반 전력계통에 사용되는 차단기보다 높은 신뢰성 및 안전성이 요구되고 있다. 본 논문에서는 MCB의 성능 및 수명을 향상시키기 위하여, MCB의 핵심 부품인 VI의 수명 및 성능향상 방안에 대하여 개선책을 연구하였다. 이를 위해 운행 중인 철도차량에서 발생한 MCB의 고장사례를 수집하고, 고장원인을 분석하였다. 주요 고장원인으로는 VI 벨로우즈 브레이징 불량으로 인한 누설, VI 전극 표면의 요철발생, 세라믹 불량 및 파손 등을 분석하였으며, 이를 토대로 VI 벨로우즈 브레이징 불량으로 인한 진공 누설을 방지하고자 VI 벨로우즈 브레이징 개선 방안, VI 전극표면 요철 발생 현상 억제를 위한 전극형상 개선 방안, 세라믹 불량 및 파손 원인 분석, MCB에 대한 수명예측 계산을 수행하였다. 위와 같은 분석 결과를 토대로 하여 시제품을 제작한 후 IEC 기준 및 표준규격에 의한 성능시험을 수행하고, 실제 운행 중인 철도차량에 직접 설치하여 운영시험을 실시함으로써 성능을 입증하고, VI 수명 및 성능 향상 방안에 대한 결론을 도출하였다.
철도 차량용 주회로차단기(MCB)는 평상시에는 철도의 궤도 상부에 설치되어 있는 전차선과 고속차량에 설치된 팬터그라프(Pantagraph)를 경유한 전차선 전원(단상 27.5KV)계통을 개폐하고, 고속차량 내부에 탑재된 주변압기 2차측 이후의 차량 내부 전기회로에 이상이 발생되었을 때, 이를 신속히 차단하여 주 회로를 보호하는 역할을 한다. MCB의 차단부에는 부하전류를 개폐할 때 발생되는 아크를 소호하기 위해, 진공차단 방식의 진공인터럽터(VI : Vacuum Interrupter 이하 VI라 한다)를 사용하고 있다. MCB는 고속으로 주행하는 철도차량에 탑재되어 진동 및 충격을 지속적으로 받으면서 기상변화 및 외부환경조건에 노출되어 동작하여야 하며, 용도 특성상 다빈도 개폐동작을 하여야 하는 등 열악한 조건에서 차단기 역할을 수행하여 한다. 또한 열차 주행중에 고장발생시 열차운행정지 및 열차사고를 유발할 수 있기 때문에, 일반 전력계통에 사용되는 차단기보다 높은 신뢰성 및 안전성이 요구되고 있다. 본 논문에서는 MCB의 성능 및 수명을 향상시키기 위하여, MCB의 핵심 부품인 VI의 수명 및 성능향상 방안에 대하여 개선책을 연구하였다. 이를 위해 운행 중인 철도차량에서 발생한 MCB의 고장사례를 수집하고, 고장원인을 분석하였다. 주요 고장원인으로는 VI 벨로우즈 브레이징 불량으로 인한 누설, VI 전극 표면의 요철발생, 세라믹 불량 및 파손 등을 분석하였으며, 이를 토대로 VI 벨로우즈 브레이징 불량으로 인한 진공 누설을 방지하고자 VI 벨로우즈 브레이징 개선 방안, VI 전극표면 요철 발생 현상 억제를 위한 전극형상 개선 방안, 세라믹 불량 및 파손 원인 분석, MCB에 대한 수명예측 계산을 수행하였다. 위와 같은 분석 결과를 토대로 하여 시제품을 제작한 후 IEC 기준 및 표준규격에 의한 성능시험을 수행하고, 실제 운행 중인 철도차량에 직접 설치하여 운영시험을 실시함으로써 성능을 입증하고, VI 수명 및 성능 향상 방안에 대한 결론을 도출하였다.
The main circuit breaker (MCB) of high speed railway vehicles opens and closes the load currents from the trolly wire (single-phase of 27.5KV) installed above the railway track by way of the pantograph installed on the railway vehicle. When there occur failures in the electric circuit after the seco...
The main circuit breaker (MCB) of high speed railway vehicles opens and closes the load currents from the trolly wire (single-phase of 27.5KV) installed above the railway track by way of the pantograph installed on the railway vehicle. When there occur failures in the electric circuit after the secondary circuit of the main transformer, the MCB quickly breaks the circuit and protects the main circuit from further failures. A Vacuum Interrupter (VI) is generally used as the circuit mechanism of the MCB to extinguish the arc generated during breaking and making operation of load current. The MCB is mounted on a railway vehicle which travels at high speed, and must be operated all the while being exposed to various weather conditions and external environmental conditions and continuously being subject to vibration and impact loads. In addition, the MCB needs higher reliability and safe than the circuit breakers used for usual utility power systems need, because failure of MCB while railway operation may cause suspension of railway operation service and train accidents. This paper provides a method for improving the lifetime and the performance of VI which is to improve the lifetime and performance of MCB. For this purpose, MCB failure cases were collected from railway vehicles operation data, and the failure modes and effects were analyzed. The main cause of failure of VI was found to be leakage due to VI bellows brazing failure, surface rupturing of the electrode, ceramic failure and damage. Using the analysis of these failures. this study proposes the improvement of VI bellows to prevent vacuum leakage caused by brazing failure, the improvement model of electrode structure to prevent surface irregularities and ceramic failure cause, and the life prediction calculation of MCB. Based on the above analysis results, a prototype of VI was manufactured and the performance test on the operation train was performed according to the IEC and national standards, which shows good performance and reliability improvement of the VI.
The main circuit breaker (MCB) of high speed railway vehicles opens and closes the load currents from the trolly wire (single-phase of 27.5KV) installed above the railway track by way of the pantograph installed on the railway vehicle. When there occur failures in the electric circuit after the secondary circuit of the main transformer, the MCB quickly breaks the circuit and protects the main circuit from further failures. A Vacuum Interrupter (VI) is generally used as the circuit mechanism of the MCB to extinguish the arc generated during breaking and making operation of load current. The MCB is mounted on a railway vehicle which travels at high speed, and must be operated all the while being exposed to various weather conditions and external environmental conditions and continuously being subject to vibration and impact loads. In addition, the MCB needs higher reliability and safe than the circuit breakers used for usual utility power systems need, because failure of MCB while railway operation may cause suspension of railway operation service and train accidents. This paper provides a method for improving the lifetime and the performance of VI which is to improve the lifetime and performance of MCB. For this purpose, MCB failure cases were collected from railway vehicles operation data, and the failure modes and effects were analyzed. The main cause of failure of VI was found to be leakage due to VI bellows brazing failure, surface rupturing of the electrode, ceramic failure and damage. Using the analysis of these failures. this study proposes the improvement of VI bellows to prevent vacuum leakage caused by brazing failure, the improvement model of electrode structure to prevent surface irregularities and ceramic failure cause, and the life prediction calculation of MCB. Based on the above analysis results, a prototype of VI was manufactured and the performance test on the operation train was performed according to the IEC and national standards, which shows good performance and reliability improvement of the VI.
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