[논문]직류고속도차단기의 소전류 차단 특성연구

민병훈; 장우진; 고인석

문제 정의

본 연구에서는 논제가 소전류 차단 부분이므로 중점적으로 소전 류차단에 설계의 초점을 맞추었다. 그리고 차단기가 정상적인 회로 전류의 단속과 사고전류차단 등 차단기 자체로서 기능을 갖추기 위해서는 기본적으로 동작 메카니즘 구성, 주회로 구성, 차단부접점 및 절연 외 여러 요소와 특성을 만족해야 하고 이러한 부분이 차단 특성에 영향을 미칠 수 있는 변수이지만 본 연구에서는 이러한 부 분은 동일한 기능을 발휘 하도록 기능을 일률화 하므로 연구 목적 의 신뢰성을 높였다. 소전류 차단 연구의 방법으로 여러 가지를 사 용하였으나 실효성이 없었고 유효한 대표적인 방법을 이하 소개한다.
그 이유는 통례적으로 현재 세계의 유수 제품들 모두가 소전류 차단에서는 HS, SHS, GS 라는 구분이 무색해지고 전류 차단시간이 길어지고 일률적이지 않기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 선잔외제품 Sample 을 이용하여 외제품의 소전류 차단 성능 수준 및 소전류 차 단의 실패가 계통에 미치는 영향에 대하여 알아보고 국제시 험규격의 소전류에 대한 시험내용과 소전류 차단 성능을 개 선할 수 있는 방법에 대하여 연구하였다.
그리고 차단기가 정상적인 회로 전류의 단속과 사고전류차단 등 차단기 자체로서 기능을 갖추기 위해서는 기본적으로 동작 메카니즘 구성, 주회로 구성, 차단부접점 및 절연 외 여러 요소와 특성을 만족해야 하고 이러한 부분이 차단 특성에 영향을 미칠 수 있는 변수이지만 본 연구에서는 이러한 부 분은 동일한 기능을 발휘 하도록 기능을 일률화 하므로 연구 목적 의 신뢰성을 높였다. 소전류 차단 연구의 방법으로 여러 가지를 사 용하였으나 실효성이 없었고 유효한 대표적인 방법을 이하 소개한다.

제안 방법

우선 시험 회로 조건으로서 회로정수를 결정하여야 하는데 일반 적으로, DC 도시철도 전력 급전계통에서는 0-500A 구간을 소전 류 영역, 500A~수천A 까지를 中전류 영역, 수천A~(6000A~ 8000A)를 重전류 영역, 8000A 이상을 대전류 영역으로 구분하게 된다. 따라서 일차적으로 시험전류는 500A 미만 부분에 대해서 수 행하는 것으로 하고 다음 단계로 IEC₆₁992 규격 "Search of critical currents" 시험 항목에서 언급하고 있는 바와 같이 시험전 류는 25A, 50A, 100A, 200A, 400A로 결정 하였다.
각 회로조건에서 차단기 시험시 Data 신뢰성 확보를 위해 각 회로 마다 5회의 차단시험을 수행하였다. 표 2와 그림 4, 5, 6, 7, 8에 그림 1의 선진 외제품에 대해 수행한 차단시험 Data와 Oscillogram 을 각각 실었다.
기존 지하철 전력공급시스템에 직류고속도 차단기로 사용되고 있는 선진 유수 메이커의 제품을 Sampling 시험하여 그 소전류 차단 특성에 대해서 알아보았다.
다음은 영구자석이 가지는 단점을 극복한 방법으로 영구자석 대 신에 BOC(Blow Out Coil) 를 설치하는 방법을 검토하였다. 그림 16와 같이 BOC (폭250mmx 두께80mmx 높이200mm)를 차단부 주 변에 설치하였는데 실제 차단기의 차단부 주변은 비어 있는 공간이 므로 차단기 본체의 크기에는 영향을 미치지 않았다, 또한 본 설계 의 BOC는 모선전압을 전원으로 사용하므로 모선전압의 극성(+ -) 에 따라 BOC의 극성이 바뀌는데 대전류 통전시에도 동일한 논리가 적용되어 접점간 아크전류의 유도 방향을 일정한 방향 (항상 상부 소호실 방향)으로 한다는 점에서 대전류 차단에도 도움을 주는 결과가 된다.
다음절에 소전류 차단의 비정상적 수행에 따른 파급효과와 국제 시험규격을 통해 소전류 차단시험 정의에 대해서 알아보고 이어서 해결책으로 소전류차단 방법에 대해서 논하였다.
본 연구에서는 논제가 소전류 차단 부분이므로 중점적으로 소전 류차단에 설계의 초점을 맞추었다. 그리고 차단기가 정상적인 회로 전류의 단속과 사고전류차단 등 차단기 자체로서 기능을 갖추기 위해서는 기본적으로 동작 메카니즘 구성, 주회로 구성, 차단부접점 및 절연 외 여러 요소와 특성을 만족해야 하고 이러한 부분이 차단 특성에 영향을 미칠 수 있는 변수이지만 본 연구에서는 이러한 부 분은 동일한 기능을 발휘 하도록 기능을 일률화 하므로 연구 목적 의 신뢰성을 높였다.
(1) 식과 (2) 식을 풀면 표 1과 같은 결과를 쉽게 얻을 수 있다. 즉, 공급 시험전압을 DC₁₈00V로 할때 시험전류 50A를 위해서 회 로 저항을 약 36Q으로 하고 시정수 10ms를 위해서 회로 인덕턴스 를 360mH로 조절하였다.

대상 데이터

그림 10에서 보는 바와 같이 해석모델은 소호Baffle의 A(5mm) 지점과 B(30mm) 지점에 약 400A의 아크전류를 생성했을 때의 소 호Baffle의 자계의 세기를 비교한 것으로 B에서 최대의 자계의 크 기는 그림 11에서 평판형이 1.5Gauss 이고 그림 12에서 홈형 구조 가 1.08 Gauss 였다. 그러나 A에서는 그림 13의 평판형이 2.
6G로 대등한 값을 보여주고 있다. 모의 시뮬 레이션과 실제 시험에서 접점간의 아크전류가 Baffle의 중앙에 존 재한다는 보장이 없으므로 실제 제품 제작용으로는 홈형 Baffle 을 선정하게 되었다.
홈형 Baffle 을 기초로 소전류차단의 주요한 방법으로 그림 15와 같이 영구자석을 이용하였다. 영구자석은 설치 위치가 차단부 부근 인 것을 고려하여 열적내력이 높고 주변자계에 영향이 적은 네오듐 계 영구자석을 이용하였다. 표 4에서 실험에 사용한 영구자석의 특성을 본다.

이론/모형

홈형 Baffle 을 기초로 소전류차단의 주요한 방법으로 그림 15와 같이 영구자석을 이용하였다. 영구자석은 설치 위치가 차단부 부근 인 것을 고려하여 열적내력이 높고 주변자계에 영향이 적은 네오듐 계 영구자석을 이용하였다.

성능/효과

그러나, 영구자석을 이용한 방법은 단방향 다시 말해서 영구자석 과 같은 자계의 방향성을 갖는 회로전류는 차단을 잘하는 반면 역 방향의 전류 성분은 전혀 차단을 하지 못하고 더욱 차단이 악화되는 결과를 얻었다. 따라서 영구자석을 이용한 방식은 양방향 전류에 대해서 보호요소가 필요한 차단기에는 부적절하게 된다.
다음은 영구자석이 가지는 단점을 극복한 방법으로 영구자석 대 신에 BOC(Blow Out Coil) 를 설치하는 방법을 검토하였다. 그림 16와 같이 BOC (폭250mmx 두께80mmx 높이200mm)를 차단부 주 변에 설치하였는데 실제 차단기의 차단부 주변은 비어 있는 공간이 므로 차단기 본체의 크기에는 영향을 미치지 않았다, 또한 본 설계 의 BOC는 모선전압을 전원으로 사용하므로 모선전압의 극성(+ -) 에 따라 BOC의 극성이 바뀌는데 대전류 통전시에도 동일한 논리가 적용되어 접점간 아크전류의 유도 방향을 일정한 방향 (항상 상부 소호실 방향)으로 한다는 점에서 대전류 차단에도 도움을 주는 결과가 된다.
본 논문을 통해 기존 선진 외제품들도 현안의 문제점으로 가지고 있는 소전류 차단의 실태에 대해서 실시험을 통해 확인 하였고 시 험적으로나 국제규격을 통해서 볼 때 실제 소전류가 작은 값이라고 무시할 수 있는 사안이 절대 아니며 소전류 차단의 실패가 곧 변전 소 현장에서 모든 차단기의 트립에 따른 변전소 Shut-down 의 결과로 이어질 수 있음을 보았다.
우선, 회로전류를 차단하는 소호실의 소호Baffle에 대한 연구로 여러 형상의 설계를 도모하여 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 수행한 결과 그림 11과 그림 12의 구조가 최적임을 알게 되었다.
표 5에서 평균차단시간을 보면 11~22ms 으로 이 값은 기존 외 제품 (표 2참조)의 476~632ms를 획기적으로 개선한 것으로 차단 기 절연 및 접점 손상 방지에 따른 차단기의 수명과 22절에 언급 한 소전류차단 실패에 의한 2차 사고의 가능성을 배제할 수 있게 되었다.

후속연구

이와 같이 소전류 차단에 대해서 관대하던 IEC 규격도 2001년도에 IEC 61992 규격이 제정 되면서 소전류 차단에 대한 중요성이 인식되어 시험을 필할 것을 규정하고 있다. 결론적으로 국제적으로 인정 받고 있는 모든 규격들이 소전류 차단시험에 대해 일제히 언 급하고 있음을 볼 때, 특수한 소전류 차단장치 기능를 갖추지 않은 직류차단기는 기능을 갖추어야 하고 기능은 있지만 성능이 미흡한 직류차단기는 기능 개선을 통하여 향후적으로 현장에 사용되는 모든 직류차단기는 소전류 차단의 문제점으로 부터 벗어나도록 해야 할 것으로 보인다.
여러 소전류 차단의 실험중 차단부에 BOC(Blow Out Coil)을 설치한 구조가 혁신적인 방법이며, 또한 외부전원에 의존하지 않고 자기 모선전원을 사용한다는 측면에서 상당히 양호한 디자인으로 판단되며 선진 외제품이 가지지 못한 숙제를 해결하였다는 점에서 높은 평가가 기대된다.

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