[논문]고속도 개극 시의 복합소호 가스차단기의 차단특성

송기동; 정진교; 박경업

고속도 개극 시의 복합소호 가스차단기의 차단특성
Interruption Capability of Hybrid Type GCB with High Opening Speed 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.54 no.9, 2005년, pp.408 - 413

송기동 (한국전기연구원) , 정진교 (한국전기연구원) , 박경업 (한국전기연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the basic design technology on the hybrid type GCB(gas circuit breakers) through the test results. The three type hybrid interrupters according to the arrangement of the thermal expansion chamber and the puffer cylinder(they are called 'serial type', ' parallel/exchanged type ,' and ' parallel/separated type ' respectively in this work) were designed and manufactured and then the tests of operating characteristics and interrupting were performed using a simplified synthetic test facility. The interruption capability with the type and the opening speed and the pressure rise which is required to interrupt were examined. The change of pressure rise with the number of interruption was given quantitatively and therefore the pressure rise can be predicted. Finally, it was shown that the interruption capability tends to increase with the increasing of opening speed in the puffer type; however, the hybrid type interrupter has a different interruption characteristic.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내에서의 초고압 복합소호 차단기 개발은 현재 시작단 계에 있다. 본 논문은 복합 소호 차단부 개발에 필요한 기본적인 기술을 구축하기 위해 한국전기연구원을 비롯하여, (주)효성, LS산전(주), 일진전기(주), 현대중공업(주)가 공동으로 연구한 결과 중의 일부를 제시하는 것이다. 특히, 기존의 파퍼형 차단기는 조작력이 큰 경우 즉, 개극 속도가 빠른 경우 차단 성능이 증가하는 경향이 있다, 하지만 복합소호 차단부의 경우 동일한 현상이 발생하지 않을 것이라고 예측만 하고 있을 뿐 실험적으로 검증된 예가 없다.

제안 방법

차단기에서 차단 실패의 형식은 열적회복실패(thermal recovery failure) 와 절연회복실패 (dielectric recovery failure)로 분류할 수 있다. 각 차단기의 차단 성능은 열적회 복 성능시험으로 비교하였다. 열적 회복의 성공 여부를 정량적으로 판단하는 기준으로 아크-후 전류(post-arc current) 가 이용된다.
동일한 설계변수를 가진 세 가지 형태 즉, “직렬형”, 병 렬/교류형”, 병렬/분리형”의 복합소호가스차단부를 설겨)/ 제 작하여 조작력을 변화시켜 가면서 차단 성능 및 압력상승 시험 을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
회복 전압의 상승률과는 무관한 차단 성능을 보여주고 있다. 따라서 그림 9와 같이 유사한 조건에서 차단 성공한 경우와 실패한 경우의 스트로크 파형을 비교하여 보았다.
특히, 기존의 파퍼형 차단기는 조작력이 큰 경우 즉, 개극 속도가 빠른 경우 차단 성능이 증가하는 경향이 있다, 하지만 복합소호 차단부의 경우 동일한 현상이 발생하지 않을 것이라고 예측만 하고 있을 뿐 실험적으로 검증된 예가 없다. 세 가지 형태의 복합 소호 차단부를 한국전기연구원이 설계하고, (주)효성, LS산전(주), 일진전기(주)가 각각 설계된 차단부를 2조씩 제작하였으며, 차단부를 구동시킬 유압조작기를 현대중공업(주)가 제작하였다. 제작완료된 차단기들에 대해 한국전기연구원의 간이 합성시험설비를 이용해서 차단 성능 및 동작 특성 시험을 수행하였다.
또한 회복 전압의 상승률 dV/dt가 증가할수록 아크-후 전류의 크기는 증가할 것이다. 열적 회 복특성 시험에 있어서 이 di/dt와 dV/dt 값을 변화시켜 각 차단부의 열적회복 성능을 파악하였다. 시험은 참고문헌[6]에 자세히 설명되어 있는 간이합성시험 설비를 이용하였다.
0kV/ 에 설정해 놓고 시험했지만, 조작 압력에 관계없이 거의 차단 성능을 가지지 못하고 있다. 원인을 찾기 위해 100% 차단 횟수 3과4의 스트로크 파형을 그림 9와 같이 중첩시켜 비교하여 보았다. 그 결과 차단 성공한 경우 차단부의 움직임이 느려졌다는 것을 알 수 있다.
세 가지 형태의 복합 소호 차단부를 한국전기연구원이 설계하고, (주)효성, LS산전(주), 일진전기(주)가 각각 설계된 차단부를 2조씩 제작하였으며, 차단부를 구동시킬 유압조작기를 현대중공업(주)가 제작하였다. 제작완료된 차단기들에 대해 한국전기연구원의 간이 합성시험설비를 이용해서 차단 성능 및 동작 특성 시험을 수행하였다.
조작기는 기존 파퍼형 차단기에 사용되고 있는 동일한 조작기를 취부하였다. 차단부의 개극 속도를 변화시키기 위해 조작기의 유압을 동작 가능한 최저 압력 230 kgf/arf에서 최대 340 kgf/cirf까지 조정하였다.

대상 데이터

각각의 명칭은 팽창실과 파퍼실린 더의 배열 형태에 따라 임의로 정해진 것이며, 배열된 형태를 제외하고는 팽창실의 용적, 파퍼실린 더 용적, 노즐 형상 및 재질, 아크 접점 형상 및 재질, 스트로크(stroke) 길이 등 모든 설계변수가 동일하다. 노즐의 재질은 PTFE 95%+Bn 5%의 강화테플론 이며, 아크 접점의 전류용량은 차단 전류 40kAms를 기준으로 설겨)/제작하였고, 접점팁(tip)의 성분비는 텅스텐 80%, 구리 20%로 이루어져 있다. 아크 에너지에 대한 압력 상승 변화를 측정하기 위해 팽창실에 압력센서 (Kistler 601A, piezo type) 를 설치하였다.

성능/효과

1. 팽창실을 적용한 복합 소호 차단부의 경우, 기존의 파퍼형 차단부가 개극 속도가 증가함에 따라 차단 성능이 증가하는 것과는 달리, 개극 속도가 증가할수록 차단에 필요한 압력 상승이 감소하여 차단 성능이 저하되었다. 따라서 차단 성 능을 개선시키기 위해 무리하게 조작기의 조작력을 증가시킬 필요가 없으며, 스프링 또는 모터 구동형 조작기의 취부가 용이해질 수 있다.
2.차단횟수가 증가할수록 노즐목의 용삭으로 팽창실의 압력 상승은 감소하였으며, 측정된 압력 상승으로부터 노즐 재질(본연구의 경우 Bn 5% + PTFE 95%)에 대한 압력 상승의 변화를 예측할 수 있는 정량적인 결과을 제시하였 다.
3.복합소호 차단부의 경우, 아크 접점 분리지점과 노즐 하류장 시작점 사이의 거리와 전류 파형의 반주기 시간을 고려하여 최적의 개극 속도를 결정하는 것이 핵심기술 중의 하나라는 것을 검증 시험을 통해 확인하였다.
di/dt의 크기가 증가할수록 아크접점 사이의 전도도는 증가하여 식(1)의 Rare의 값이 감소, 아크—후 전류의 크기가 증가할 것이다 [5]. 또한 회복 전압의 상승률 dV/dt가 증가할수록 아크-후 전류의 크기는 증가할 것이다. 열적 회 복특성 시험에 있어서 이 di/dt와 dV/dt 값을 변화시켜 각 차단부의 열적회복 성능을 파악하였다.
표 1과 그림6은 “병렬/분리형” 복합소호 차단부의 동작 특성 시험과 무부하압력상승시험 결과를 각각 나타낸 것이다. 차단부의 구조상 조작 압력이 증가하더라도 팽창실의 무부하 압력 상승은 거의 변화가 없다는 것을 알 수 있으며, 조작 압력이 증가할수록 스트로크 파형의 기울기즉, 개극 속도 가 증가한다는 것을 알 수 있다.
차단 횟수가 증가하면서 압력 상승이 감소하고 있다는 것을 알 수 있다. 특히 조작압 력에 관계없이 감소하는 경향을 보이고 있으며, 이것으로부터 차단 횟수가 증가하면서 아크에 의한 노즐목의 용삭(ablation)이 증가한다는 것을 알 수 있다. 실제로 시험 전과 시험 후의 노즐 목직경은 30.

후속연구

5mm로 증가하였다. 그림 7의 결과를 이용하여 차단 횟수(즉 아크 에너지)에 대한 압력 상승(노즐 재잘 Bn 5%)을 예즉할 수 있는 데이터 베이스를 구축할 수 있고, 따라서 요구되는 압력 상승을 얻기 위한 차단부의 설계변수 조정에 활용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (9)

Ruben D. Garzon, High Voltage Circuit Breakers Design and Applications, Marcel Dekker, Inc., pp217-227, 2002
송기동, 박경엽 외, 25.8kV급 열팽창 분사식 차단부의 개발에 관한 연구, 과학기술부 보고서 II , pp17-26, 1995
송기동, 정진교, 박경엽, '팽창실과 파퍼 실린더의 배열 형태에 따른 복합소호 모델 가스차단부의 열적회복특성 비교', 대한전기학회 논문지, Vol. 53B, No. 12, Dec., 2004

원문보기 상세보기
Kunio Nakanishi, Switching Phenomena in high-Voltage Circuit Breakers, Marcel Dekker, Inc., 1991
Ki-Dong Song, Byeong-Yoon Lee and Kyong-Yop Park, 'Analysis of Thermal Recovery for SF6 Gas-Blast Arc within Laval Nozzle,' Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42, pp7073-7079, 2003

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이우영, 박경엽, 송기동 외, 간이차단성능 평가기술 및 시스템 개발, 1997-EL02-E-41, 산업자원부, 2000
E. Haginomori et al., 'Performance of circuit breakers related to high rate of rise of TRV in high-power high-density network,' IEEE, PAS-104, No. 8, Aug. 1985
Masao Hosokawa et al., 'Breaking ability and interrupting phenomena of circuit breaker equipped with parallel resistor or capacitor,' IEEE, PDRD-2, No.2, April 1987
IEC 62271-100, High-Voltage Alternating-Current Circuit-Breakers, 2001.1

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