김희대
(Department of Safety Engineering, Korea national university of transportation)
,
이성일
(Department of Safety Engineering, Korea national university of transportation)
본 연구에서는 바이어스 궤도계전기의 접점재료를 선정하는데 있어 Ag 접점과 AgC 접점의 문제점을 분석하고, 안전성을 평가하는데 목적이 있다. 접점의 용착실험과 반복개폐 실험을 실시하여 접점의 특성을 알아보았다. 실험 결과, Ag 접점은 비교적 낮은 전류에서 용착이 발생하였고, AgC 접점은 온도특성이 우수하여 대전류에서도 용착이 발생하지 않았다. 반복개폐 실험에서는 AgC 접점의 개폐횟수가 증가할수록 저항이 불안정하고 접점에 전이현상이 발생하여 접점소모가 큰 것으로 나타났다. 연구 결과, AgC 접점은 용착특성에서는 우수하나 반복개폐 실험에서 저항변화가 많아 사용상 주의가 요구되며, Ag 접점은 반복개폐 특성은 우수하나 용착특성에서 취약한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 바이어스 궤도계전기의 접점재료를 선정하는데 있어 Ag 접점과 AgC 접점의 문제점을 분석하고, 안전성을 평가하는데 목적이 있다. 접점의 용착실험과 반복개폐 실험을 실시하여 접점의 특성을 알아보았다. 실험 결과, Ag 접점은 비교적 낮은 전류에서 용착이 발생하였고, AgC 접점은 온도특성이 우수하여 대전류에서도 용착이 발생하지 않았다. 반복개폐 실험에서는 AgC 접점의 개폐횟수가 증가할수록 저항이 불안정하고 접점에 전이현상이 발생하여 접점소모가 큰 것으로 나타났다. 연구 결과, AgC 접점은 용착특성에서는 우수하나 반복개폐 실험에서 저항변화가 많아 사용상 주의가 요구되며, Ag 접점은 반복개폐 특성은 우수하나 용착특성에서 취약한 것으로 나타났다.
The cases for selecting contact materials of Ag and AgC for Bias Track Relay are the studies and their safety evaluations are proposed in this paper. The welding at the relative low current has occurred in Ag contacts, but the one has not occurred in AgC contacts although the high currents flow sinc...
The cases for selecting contact materials of Ag and AgC for Bias Track Relay are the studies and their safety evaluations are proposed in this paper. The welding at the relative low current has occurred in Ag contacts, but the one has not occurred in AgC contacts although the high currents flow since it has an excellent temperature characteristic. In the repetitive switching experiment, more unstable resistance and transfer phenomena has occurred in contacts as the switching numbers of AgC contacts increase, which results in more consumption of contacts. In the experiments, there exists a trade off relationship between welding and resistance variation. AgC contacts have excellent characteristics in welding, but the caution is required in using them since a lot of repetition switching produces much resistance variation. However, Ag contacts have excellent characteristics in repetitive switching, but weak ones in welding.
The cases for selecting contact materials of Ag and AgC for Bias Track Relay are the studies and their safety evaluations are proposed in this paper. The welding at the relative low current has occurred in Ag contacts, but the one has not occurred in AgC contacts although the high currents flow since it has an excellent temperature characteristic. In the repetitive switching experiment, more unstable resistance and transfer phenomena has occurred in contacts as the switching numbers of AgC contacts increase, which results in more consumption of contacts. In the experiments, there exists a trade off relationship between welding and resistance variation. AgC contacts have excellent characteristics in welding, but the caution is required in using them since a lot of repetition switching produces much resistance variation. However, Ag contacts have excellent characteristics in repetitive switching, but weak ones in welding.
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제안 방법
42[V]을 인가하여 계전기 코일을 여자시켜 접점이 밀착된 상태에서 스위치로 5[ms] 동안 단자에 전압을 인가하였다. Ag-Ag 접점은 접점 단자에 30[V]인가를 시작으로 5[V]씩 증가시키면서 55[V]에서 접점이 용착될 때까지 실험을 진행하였다. 각 실험 단계마다 오실로스코프를 이용하여 전류파형을 관찰하였고, 이때 생성되는 파형을 저장하여 용착 상태를 비교하였으며, 용착을 확인한 후 접점을 분리하여 접점의 소모상태를 전자현미경으로 20~250 배율로 관찰하였다.
최근 AgC 접점에서 저항의 급격한 변화 등의 문제가 발생되고 있어 관심의 대상이 되고 있다. Ag와 AgC 접점을 대상으로 용착실험과 반복개폐 실험을 통해 접점의 용착특성, 저항에 대한 안정성, 반복 개폐 후 접점의 소모성 등 전기안전 특성을 비교하여 평가하였다. 이 연구에서 나타난 결과를 토대로 적절한 접점을 선정하여 열차의 안전운행에 도움이 되기를 기대한다.
Ag-Ag 접점은 접점 단자에 30[V]인가를 시작으로 5[V]씩 증가시키면서 55[V]에서 접점이 용착될 때까지 실험을 진행하였다. 각 실험 단계마다 오실로스코프를 이용하여 전류파형을 관찰하였고, 이때 생성되는 파형을 저장하여 용착 상태를 비교하였으며, 용착을 확인한 후 접점을 분리하여 접점의 소모상태를 전자현미경으로 20~250 배율로 관찰하였다. 사진은 전자현미경으로부터 접점상태를 가장 선명하게 확인할 수 있는 50배율로 하였다.
2의 회로를 이용하여 용착특성 실험을 하였으며, 사용한 계측장비의 세부 내역은 Table 5와 같다. 계전기에 직류 전원공급기를 이용하여 전원단자에 사용전압 직류 1.42[V]을 인가하여 계전기 코일을 여자시켜 접점이 밀착된 상태에서 스위치로 5[ms] 동안 단자에 전압을 인가하였다. Ag-Ag 접점은 접점 단자에 30[V]인가를 시작으로 5[V]씩 증가시키면서 55[V]에서 접점이 용착될 때까지 실험을 진행하였다.
반복개폐 실험은 유경제어㈜에서 제작한 계전기 내구실험기를 이용하였으며 접촉저항의 측정은 1~300[mΩ] 접점저항계를 사용하였다. Table 4의 계전기로 접점에 3[A]가 흐르도록 저항을 설치하여 반복개폐 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 Ag와 AgC 접점의 특성 비교가 목적이지만 탄소 함유량에 따라 접점소모가 어떻게 변화되는지 관찰하기 위하여 탄소 3[%] 접점을 추가로 실험에 사용하였다. 사용접점의 모형은 Fig.
Table 4의 계전기로 접점에 3[A]가 흐르도록 저항을 설치하여 반복개폐 실험을 진행하였다. 하루에 8시간(약 14,000회) 동안 2초당 1회씩 2개월간 60만 회의 반복개폐 실험을 진행하였고 개폐횟수 10만 회마다 접촉저항을 측정하였으며, 60만 회까지 연속적으로 저항 변화를 측정하여 저항값을 비교하였으며, 실험 후 접점의 소모상태를 전자 현미경으로 확인하였다. 60만 회는 안동역 기준으로 하루 평균 60회 운행하여 약 40년간 사용한 것과 같으며, 철도계전기 매뉴얼에서 계전기의 수명은 약 15년을 기준한다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 Ag및 AgC 접점은 경성야금에서 2012년에 생산하여 유경제어(주)에 납품한 것을 사용하였다. 한국생활환경시험연구원에 분석을 의뢰한 결과 Ag 접점은 은이 99.
성능/효과
(1) Ag 접점의 용착실험에서 전계를 증가시키면 전자밀도의 상승으로 발생되는 아크에 의해 Ag 접점의 융점에 도달하여 용착현상이 발생되기 때문에 Ag 접점은 이상전류가 유입될 가능성이 있는 회로에는 적합하지 않은 것으로 나타났다.
(2) AgC 접점의 용착실험에서는 융점이 높아 용착이 발생하지 않았으며, 탄소 함유량이 높을수록 전기전도성과 경도는 감소하나 내용착 특성이 우수하여 대전류 회로에 적합한 것으로 나타났다.
(3) 반복개폐 실험에서 전기전도성과 경도가 우수한 Ag 접점에서는 접점소모가 발생하지 않아 소전류용으로 많은 개폐가 요구되는 회로에는 Ag 접점이 적합한 것으로 나타났다.
(4) 반복개폐 실험에서 AgC 접점은 접점피로와 집중저항 현상이 발생되어 전기전도성이 높은 Ag 접점에서 AgC 접점으로 이전되면서 접점소모가 크고 저항의 안정성이 떨어져 개폐횟수 많은 회로에는 적합하지 않으며, 현장 적용 시 주기적인 접점의 저항측정 등의 점검과 주의가 요구된다.
Fig. 9의 (a)로 부터 AgC 접점에서 아크에 의해 은이 용해되면서 은과 탄소의 결합력이 떨어져 조직이 파괴되었는데, 이것은 은이 용해되면 비중이 낮은 탄소 분말이 계면 위로 올라와 Ag 접점과 분리함으로써, 조직은 파괴 되어도 용착은 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 이 실험에서 내부도체의 열화로 AgC 접점의 용착을 확인하지는 못했지만 Fig.
3[mm]의 소모가 있었다. 탄소 함유량 3[%]인 접점 (a)에서 5[%]인 (b)보다 접점소모가 많이 발생한 것은 탄소 3[%] 접점이 경도와 전기전도성은 높지만 융점이 낮아 생긴 것으로 용착특성에서는 융점이 가장 중요한 요소라는 것을 알 수 있다. 탄소 함유량이 5[%] 접점에서는 AgC 접점에 0.
8의 (d)와 같이 100[V]를 인가하였을 때 전계의 증가로 전류가 상승하여 회로 내에서 가장 약한 부분인 내부도체에 전류가 집중되면서 주울 열에 의하여 (d)의 상부 452[A]에서 나타난 꼭지점으로부터 내부도체가 소손되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 내부도체는 평소에는 전류의 통로가 되지만, 이상전류가 흐르면 소손되어 내부회로와 접점을 보호하는 역할을 하는 것으로 나타났다.
AgC-Ag 접점에서 접촉저항은 직류 100[mA]를 접점에 흘렸을 때 회로의 전압강하가 50[mV]이하로 규정하고 있어 한계 저항 값은 500[mΩ]이 된다[3]. 반복개폐 실험에서 나타난 바와 같이 AgC 접점은 접촉저항에 대한 안정성이 떨어져 사용상 주의가 요구되나, 규정 값 이내에 있어 적용에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
실험 결과, AgC 접점은 Ag 접점에 비하여 전기전도도와 경도가 낮아 접촉저항이 크고 접점소모가 많아 기대수명이 짧지만, 이상전류가 유입될 가능성이 있는 계전기에는 융점이 높아 내용착 특성이 있는 AgC 접점을 사용하는 것이 적합한 것으로 나타났다.
실험 결과, 용착실험에서는 온도특성이 중요한 요소로 나타났으며 반복개폐 실험에서는 접촉저항, 전기전도성, 경도가 중요한 요소임을 알 수 있었다. 본 연구에서는 다음과 같은 결론을 얻었다.
용착 실험 결과 Fig. 4와 같이 전압과 전류의 함수는 상관계수 (R2) = 0.97이상으로 선형 특성을 나타내고 있으며 전압의 크기에 비례하여 전류가 증가하는 것을 알 수 있다. 일반적으로 Paschen의 방전 특성에서 접점이 밀착되어 있는 경우의 아크특성은 전계방출에 의한 절연파괴로 볼 수 있다[10].
11의 (b)처럼 산화의 발생이 지연되고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 Ag 접점은 저 전류에서 접촉저항이나 접점소모에 대한 내성이 강하여 저 전류를 사용하며 개폐횟수가 많은 회로에 적합한 것으로 나타났다.
후속연구
Ag와 AgC 접점을 대상으로 용착실험과 반복개폐 실험을 통해 접점의 용착특성, 저항에 대한 안정성, 반복 개폐 후 접점의 소모성 등 전기안전 특성을 비교하여 평가하였다. 이 연구에서 나타난 결과를 토대로 적절한 접점을 선정하여 열차의 안전운행에 도움이 되기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도신호용 계전기 접점재료의 특성으로 요구되는 것은?
열차가 궤도에 진입해도 계전기 접점이 낙하하지 않으면 열차충돌 등의 사고를 유발시킬 수 있어 계전기 접점재료의 선정은 철도안전에 중요한 요소이다. 따라서 철도신호용 계전기 접점재료의 특성은 전기전도성, 내용착성, 안정성, 내마모성 등을 요구하고 있다.
바이어스 궤도계전기는 무엇인가?
바이어스 궤도계전기는 궤도회로용으로 비전철 구간의 폐전로식(normal close system)궤도회로에서 열차가 폐색구간을 통과할 때 신호를 주어 열차의 운행상황과 위치를 관제실에 전달함으로써 운전 취급을 원활하게 할 수 있도록 하는 계전기이다[1]. 계전기는 선로 및 건널목에 설치되어 있으며, 접점은 항상 닫혀있고 열차가 궤도에 진입하면 차축에 의하여 레일 양끝이 단락되어 계전기 접점은 개방된다[2].
접점의 용착실험과 반복개폐 실험을 실시하여 접점의 특성을 알아본 결과는?
접점의 용착실험과 반복개폐 실험을 실시하여 접점의 특성을 알아보았다. 실험 결과, Ag 접점은 비교적 낮은 전류에서 용착이 발생하였고, AgC 접점은 온도특성이 우수하여 대전류에서도 용착이 발생하지 않았다. 반복개폐 실험에서는 AgC 접점의 개폐횟수가 증가할수록 저항이 불안정하고 접점에 전이현상이 발생하여 접점소모가 큰 것으로 나타났다. 연구 결과, AgC 접점은 용착특성에서는 우수하나 반복개폐 실험에서 저항변화가 많아 사용상 주의가 요구되며, Ag 접점은 반복개폐 특성은 우수하나 용착특성에서 취약한 것으로 나타났다.
참고문헌 (11)
Y.T. Kim (1998) Railway Signaling Control System, Tech Media, Seoul, p. 38.
J.Y. Park, W.S. Hong, B.R. Chon (2011) Railway Signaling Engineering, Dong Il Publishing Co, pp. 135-136.
Uoo-Kyung Control Co, (2010) Railway signaling Relay Manual, pp. 17-19, 69-71.
Electrical Engineering Office Data (2011) No.18, Electrical Railway Signaling Control System Planning Dept, p. 274.
H.W. Lee, H.Y. Cho, D.Y. Lee, S.W. Han et al. (1987) Research and Development on the Relay Contact and Cu-alloy Spring, Korea Electro-technology Research Institute(KERI), pp. 13-20, 32-40.
G.B. Kwon, T.W. Nam (2005) Treatment Condition and the Oxidation Process on the Microstructure of AgCdo Contact Materials, H.Y. University, Journal of Korea Foundrymen's Society, 25(6), p. 2.
Electric contact material for electric communication equipment and apparatus (2011) Approved KSC 2057, p. 2.
K.H. Back (2011) The Summary of electric contactor, Kung sung Metallurgy p. 11.
Japan Science Metallurgy Co, (2006) A Summary of Electric Contactor, pp. 10-11.
Harold. N. Wager (1969) predicting the Erosion of Switching Contacts that Break Inductive Load, IEEE Trans., Vol, PMP-5, No. 1.
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