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전자조작방식 진공차단기 CBM 기술-조작 코일 전류파형 분석에 의한 가동기구부 상태감시미츠비시전기 주식회사_마루야마 아키히코다케우치 토시에고야마 켄이치개요 각종 시설, 산업 플랜트에 배치·설비(配備)되어 있는 수배전 설비는 사회기반을 지탱하는 중요한 설비로, 안정된 전력공급을 유지하기 위해서는 설비의 보수·관리계획을 책정하여 계획적으로 실시하는 것이 중요하다. 그러나 또 한편으로는 설비의 유지, 관리 유지 비용(LCC : Life Cycle Cost)의 삭감이 요구되기 때문에 효율적인 보수 유지·관리의 필요성이 증대되었다. 이때까지의 일반적인 보수·관리 방식은 고장이 발생할 가능성이 있는 곳을 점검하고 소모(消耗)부품을 정기적으로 교환하는 것으로, 기간기준보전(TBM : Time Based Maintenance)라고 불린다. 하지만 이 방법에 비해, 보다 유연하고 효율성 좋은 보전 방식이 제안되고 있는데, 그 중 하나가 상태기준보전(CBM : Condition Based Maintenance)이라고 불리는 방법이다. 이 방법은 기기의 상태를 감시·진단하고, 진단결과에 따라 필요한 유지 보수를 실시하는 방법이다. 최근, 설비의 감시·진단 기술이 향상되어 설비의 보수·관리방식이 TBM에서 CMB으로 바뀌고 있다. CBM을 실현하기 위해서는 기기의 상태를 감시하기 위한 모니터 장치와 모니터 결과를 진단하는 시스템이 불가결하다. 이에 따라 최근 시장에 등장하기 시작한 전자(電磁)조작방식 진공차단기의 특징에 착안하여 전자 액츄에이터(actuator)에 흐르는 전자값 및 코일 양단의 전압을 얻는 것으로, 차단기의 구동기구부의 상태를 정밀하게 감시하는 CBM 기술 및 이 기술을 이용한 CBM 장치를 개발하였다. 전자조작방식 진공차단기의 특징<그림 1>은 전자조작방식을 채용한 24kV 복합 절연 스위치기어의 차단기 부분의 개략구조를 나타낸 것으로, <그림 1>(a)는 차단기의 폐극상태, <그림 1>(c)는 개극상태를 나타낸다.
 구동부는 진공밸브, 절연 로드(rod), 접압 스프링, 전자 액츄에이터 등으로 구성되어 있으며, 전자 액츄에이터를 구동하기 위한 구동전원, 구동용 콘덴서가 있다. 주회로 전류의 개폐조작은 진공 밸브 내 가동접점을 전자 액츄에이터로 동작시켜 실행한다. 전자 액츄에이터는 개극용 및 폐극용 조작 코일을 갖추고 한 쪽의 조작 코일에 통전(通電)하는 것으로 개폐동작을 할 수 있다. 차단기 상태의 경시적인 변화는 접점표면의 손모(損耗)나 구동특성의 변화에 따라 발생하며, 이것이 허용값을 넘을 때 동작불량이 일어나며 차단성능이 현저하게 저하된다. 따라서 이때까지의 보수·관리방식은 접점의 손모량과 동작시간의 계측을 정기적으로 실시하며 동시에 구동용 콘덴서 등의 부품을 교환하는 것이었다.전자조작방식 진공차단기는 각상을 개별 전자 액츄에이터로 직동(直動)조작하는 방식을 채용하였기 때문에, 기존의 전동 용수철조작방식과 비교하면 구조가 간단하여 구동 특성의 진단(診斷)이 쉽고 차단기의 동작특성의 변동이 조작측 코일의 전기적 특성에 반영되는 효과를 얻을 수 있다. 전자조작방식에서는 전자 액츄에이터를 이용하여 직접 차단기의 구동부분을 동작시키기 때문에 전자 액츄에이터의 동작특성은 조작전류(코일전류)와 구동부의 기계적 조건에 의해 정해지는데, 역으로 구동부의 기계적 조건의 변동은 조작 코일 전류의 변화로 나타낸다. 이 원리를 이용하여 전자조작방식 진공차단기의 구동특성을 변동시키는 주 요인인 4가지 항목 ① 구동부에서의 마찰력의 증대, ② 구동용 콘덴서의 경년노화, ③ 진공 밸브 내의 접점의 손모, ④ 전자 액츄에이터 보수 유지력의 저하에 대해서 그 형태를 감시하는 방법을 개발하였다. 그 결과, 구동부의 동작특성을 모니터하기 위해 변위 센서 등 배치하여 조종할 필요가 없기 때문에 저코스트로 고정밀도의 CBM 장치를 구축할 수 있게 되었다.전류파형 분석에 의한 기기상태 추정기술<그림 1>(a)는 차단기의 폐극상태를 나타낸 것으로, 전자 액츄에이터 내의 가동자(可動子)는 영구자석의 자전력에 의해 고정자(固定子)의 폐극측에 흡착되고 있다. 이 흡착력에 의해 접압 스프링이 압축되어 진공 밸브 내 고정 접점과 가동 접점의 접촉면에 적절한 압력을 부여하고 있다. 구동전원회로는 구동용 콘덴서로 충전하면서 외부에서의 개극지령(開極指令)에 의해 그 콘덴서로부터 개극측 코일로 방전하게 된다. 개극측 코일이 발생한 자전력은 영구자석의 자전력과 역방향이며, 코일 전류값이 충분히 커지면 가동자는 개극측으로 끌어당겨지고 개극동작이 시작된다. 개극동작의 초기단계에서 가동자는 개극측으로 이동해도 접압 스프링의 신축성 때문에 진공밸브 내 접점은 폐극상태를 유지하고 있다. <그림 1>(b)는 접압 스프링이 최대 길이까지 신축한 상태로, 접점이 괴리되는 직전의 상태이다. 이 다음에는 절연 로드, 가동측 접점이 가동자와 일체가 되어 개극측에 이동하고 <그림 1>(c)의 동작완료상태(개극상태)가 된다. 개극상태에서 가동자는 다시 영구자석의 자전력에 의해 개극측에 흡착된다.
 <그림 2>는 개극동작시의 코일 전류파와 가동자 변위의 관계를 나타낸 것이다. 통전(通電)개시 직후, 코일 전자력보다도 영구자석의 전자력이 우세하기 때문에 가동자는 동작하지 않지만, 코일 전류값이 충분히 커지면 가동자가 폐극측의 단면에서 떨어져나와 개극측으로 이동하기 시작한다. 가동자가 움직이기 시작하면 가동자 이동으로 발생하는 기전력에 의해 코일전류가 제한되고, 코일전류는 가동자의 동작개시직후 전류피크를 가진다. <그림 2>에서 B로 표시된 접점은 <그림 1>(b)에 해당하는 시점이다. 위에서 말한 바와 같이, B점 이후에는 절연 로드, 가동측 접점이 가동자와 일체가 되어 이동하기 때문에 가동부 질량이 B점에서 변화한다. 또한, <그림 2>에서는 가동자의 속도가 B점에서 변화하고 있는 것을 알 수 있다. 가동자 속도는 코일 양단에 발생하는 기전력에 대응하고 있어 <그림 2>의 B에서 코일 전류파형에 대응하는 변화가 나타남을 알 수 있다. 이와 같이 <그림 2>에서 C로 나타내는 점은 <그림 1>(c)과 같이 가동자가 동작완료하는 시점에 해당하므로, 가동자가 정지한 것으로 인해 전류파형에 변동이 나타나고 있다. 이처럼 구동용 코일에 흐르는 전류의 파형과 가동자의 운동은 밀접하게 관계하고 있다. 이것은 전기회로 방정식과 구동부의 운동방정식으로 나타낼 수 있으며, 전기회로 방정식은 아래의 식으로 표시된다. 여기에서 V는 구동전압, I는 코일에 흐르는 전류, R은 코일(배선부를 포함) 저항, L은 코일의 자기 인덕턴스, Φ는 코일을 쇄교(鎖交)할 자속량, z는 가동자의 위치이다. 한편, 운동방정식은 구동부 질량 m, 전자력 F, 용수철력 F, 마찰력을 F 라고 하면, 로 나타낼 수 있다. 또한 마찰력 F에는 진공밸브의 자폐력 등도 포함하고 있다.위의 두 가지 방정식에 기초하여 액츄에이터의 전자계 해석과 구동기구의 운동해석을 연성(連成)하는 것으로, 전자조작방식 진공차단기의 구동특성과 자석 액츄에이터 전자특성의 관련성을 해석할 수 있게 되었다.
 <그림 3>에서 하얀 점으로 표시된 데이터는 앞의 해석에 의해 차단기 개극동작의 코일 전류파형을 계산하고, 이 전류파형에서 <그림 2>의 C점에 해당하는 시각(Tend)을 추출하여 접점손모량의 변화와 Tend의 변화량(△Tend)의 관계를 나타낸 것이다. 또한, 시험기를 이용하여 접점손모량과 △Tend를 실측한 결과를 검은 점으로 표시하였다. 이 그림을 보면 △Tend와 접점손모량의 관계에 있어 결과와 실측이 일치하고 있음을 알 수 있다. 더욱이 코일 전류파형에서 얻어진 정보를 이용하여 진공밸브 내 접점손모량을 일정한 정밀도(精密度)로 추정하는 것이 가능함을 알 수 있다.
 <그림 4>는 구동용 콘덴서의 용량이 정격값의 70% 정도로 열화한 경우의 접점손모량과 △Tend의 관계를 <그림 3>으로 표시한 것이다. 이런 접점의 손모나 콘덴서 용량 열화 등의 구동조건이 복합하여 변동하는 경우에도 해석 결과와 실측값이 일치하므로 해석을 기본으로 하여 차단기의 상태추정 방법을 검토할 수 있다.최근 개발된 상태추정방법으로 앞에 말한 동작완료시점과 같은 코일 전류파형상의 특징점의 시각, 전류값, 전압값의 변화를 잡아낸다. 그리고 이런 특징점의 데이터에서 기구부의 상태량, 즉 접점 손모량, 마찰력 변동, 콘덴서 용량 노화, 액츄에이터의 보수·유지력 등을 추정한다. 이 상태량을 추정하기 위해서 해석에 의해 특징점 데이터와 상태량의 상관(相關)을 구하고, 실제의 측정오차를 고려하여 특징점 데이터로부터 상태량을 산출할 최적의 함수를 작성하였다. <그림 5>는 시험기를 이용하여 콘덴서 용량, 마찰, 접점 손모를 복합하여 변동시킨 경우, 구동시 코일 전류와 전압파형에서 산출관수를 이용하여 접점 손모량을 추정한 결과이다. 그림은 접점 손모량의 추정오차의 분포를 나타내어 횡축은 실제의 접점손모량과 추정값의 차이, 종축은 빈도를 표시한 값이다. 이 분포의 분산(σ)은 약 0.1㎜로 정밀하게 추정된 것을 확인할 수 있다.
 이 기술을 응용하면 개극동작 시 취득한 전류파형 특징점 데이터를 이용하여, 다음 폐극동작의 투입시간을 추정할 수 있다. 투입시간의 추정은 위상제어투입(位相制御投入)을 진행할 경우에 중요하다. 위상제어투입을 안정하게 진행하기 위해서 차단기의 경년변화에 의한 투입시간의 변동을 흡수할 필요가 있기 때문에 이 기술을 이용하면 장기간에 걸쳐 안정적인 위상제어를 제공할 수 있다.CBM 장치의 구성
 CBM 기술은 액츄에이터에 통전할 전류 및 전압을 모니터하여 차단기 구동 부분의 상태를 진단한다. 따라서 CBM 기능을 실현하기 위한 기기는 구동전원의 내부 또는 출력부에 배치하는 코일 전류·전압 모니터부와 이 모니터 신호를 받아들여 전류파형을 해석하는 CBM 컨트롤러로 구성된다. <그림 6>은 CBM 컨트롤러의 기능을 개략적으로 나타낸 것이다. CBM 컨트롤러는 구동전원내부 또는 외부에 설치된 전류, 전압 모니터에서의 신호를 일정주기로 샘플링하여 파형 데이터로 취득한다. 이 파형 데이터에서 전류파형의 특징점 추출, 상태량의 추정 후 미리 설정한 상태량의 하한값 또는 상한값과의 비교하여 이상값(異常値)이라고 판단되는 경우에는 외부로 경보를 울려 보수 유지의 필요성을 알린다.CBM 컨트롤러는 부분방전감시장치, 탱크 내 가스압, 단로기 모터 전류 등의 모니터 정보도 집약되어, 차단기 전체로서의 상태를 감시하고, 또한 컨트롤러 스스로 자기진단기능을 가진다.마무리전자조작방식 진공차단기 구동부의 경년노화상태를 추정하기 위해서 구동부 마찰력, 접점손모량, 콘덴서 용량 등을 구동용 코일에 통전할 전류파형을 감시하는 것으로 정확하게 추정할 기술을 확립하였다. 이 기술을 응용하여 차단기의 상태를 상시감시하여 이상이 발생한 경우에 경보를 울리는 기능을 갖춘 CBM 장치의 개발을 하였다. 이 CBM 장치는 차단기 구동부를 감시하는 포지션·센서 등을 이용하지 않기 때문에 저코스트로 고정밀도(高精密度)인 CBM 기능을 제공할 수 있다.
<Energy News>
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