이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.3.6/7.2kV용 진공차단기(VF-8/13D고정형)최근 지구온난화가 심각해지고 있는 가운데 지구환경을 배려한 제품이 국내외를 불문하고 요구되고 있다. 이러한 시대 배경 속에서 진공차단기로 업계를 리드하고 있는 미츠비시전기는 발빠르게 유럽연합 RoHS지령 금지 6물질을 전부 폐기한 3.6/7.2㎸용 진공차단기(VF-8/13D형) 수동 스프링 조작·고정형(고정형은 이하, 패널 설치형이라 함.)을 개발해 시장에 내놓았다. 환경·에너지 절약만을 생각한 것이 아니라 종래부터 구상돼 온 안전성·신뢰성, 사용의 편리성을 더욱 추구했다.
(1) 환경부하 저감의 추구·유럽연합 RoHS지령 금지 6물질 전폐 : 6값 크롬 사용을 폐지했다.·진공 밸브의 소형화 : 전기적 특성을 더욱 개선한 동-몰리브덴 접점을 개발했다. 접점재료는 조성과 제조 조건 최적화로 극한까지 삭감해 환경부하를 줄였다.(2) 사용의 편리성 추구·받침대 설계를 용이하게 하는 모든 센터의 디자인 : 받침대 설계의 표준화를 가능하게 하고 설계효율을 향상시켰다.·구 기종과의 호환성을 고려했다.(3) 안전성·신뢰성 추구·내트래킹 성능 향상 : 절연 몰드는 가루(粉塵), 물방울이 고이기 힘든 수직면을 많이 넣어 내트래킹 성능을 한 층 향상시켰다.·조작기구의 신뢰성 향상 : 빗장을 푸는 하중을 작게 하고 축수부에는 무윤활 축수 채용으로 안정된 동작특성을 실현해 신뢰성을 향상시켰다. 이로써 초기 점검 3년을 6년으로 연장가능 했다.개발 배경 최근 유럽을 비롯해 세계규모로 환경보전, 환경부하 저감에 대한 대책이 추진되고 있다. 일본에서도 ISO14000과 에너지절약법, 그린제품구입법이 시행되는 등 법적규제가 정비되기 시작하면서 사회적인 요청도 높아지고 있다. 이와 같은 배경 속에서 수배전 시스템 구성기기에서도 친환경 대책이 급선무가 되었다. 이번 개발한 3.6/7.2㎸용 진공차단기(VF-8/13D형) (이하 ‘VF-8/13D형 진공차단기’) 수동 스프링조작·패널 설치형은 종래부터 특징으로 내세우던 ‘사용의 편리성 추구’, ‘안전성·신뢰성 추구’에 더해 ‘환경부하저감의 추구’를 목적으로 했다.VF-8/13D형 진공차단기의 정격사항<표1>에 VF-8/13D형 진공차단기의 정격사항을 나타냈다.환경부하 저감의 추구1. 유럽연합 RoHS지령 금지 6물질 전부 폐기이번 개발한 VF-8/13D형 진공차단기에서는 유럽연합 RoHS지령 금지 6물질 중 종래 기기에서 사용하고 있던 6값 크롬의 사용을 폐지하고 유럽RoHS지령 금지물질의 사용을 전면 폐지했다. 게다가 다이옥신의 발생원인이 되는 할로겐 원소도 폐지했다.종래, 6값 크롬은 아연도금의 녹 방지 처리제로서 널리 사용되고 있었지만 최근 유럽을 중심으로 환경에 영향을 미친다는 지적으로 사용금지 물질로 지정됐다. VF-8/13D형 진공차단기에서는 볼트, 핀, 나사 류의 아연도금 표면상의 6값 크로메이트(chromate)처리를 폐지했다.2. 진공밸브의 소형화로 환경부하 저감진공차단기의 심장부인 진공밸브에 있어서도 업계를 리드하고 있는 미츠비시전기는 다년에 걸친 풍부한 사용실적을 설계·제조·품질관리로 살리고 있다. 더욱이 응력해석·전계해석·자계해석 등의 CAE(Computer Aided Engineering)기술과 고성능 접점재료 개발, 아크 거동관측 등의 차단현상인 기초적인 연구 성과로부터 소형으로 신뢰성이 높은 진공밸브를 개발해 왔다.<그림2>에 7.2㎸∼12.5㎄ 차단기용 진공밸브 소형화의 변천, <그림3>에 VF-8/13D형 진공차단기에 탑재되는 진공밸브를 나타냈다. 12.5㎄용 진공밸브는 용적비율 초대 진공밸브의 6%, 미츠비시전기 기존 진공차단기(VF-13C형)용 진공밸브의 75%까지 소형화했다<그림2>. 이하에 소형화기술의 일례에 관해 설명한다.
(1) 접점재료의 고성능화이번에 새롭게 동-몰리브덴의 접점을 개발했다. 이는 종래 동-크롬 접점에 비해 차단성능·내전압성능·내소모성이 뛰어나다. 이 새로운 접점을 12.5㎄ 범용 진공밸브에 적용함으로써 종래의 동-크롬 접점과 비교해 접점면적을 약 70%줄여 소형화 하고 높은 신뢰성을 실현했다.저 서지용 진공밸브에서는 과전압 발생을 억제하기 위해 은계 접점을 이용해 세로 자계전극 구조를 채용하고 있다. 이번 개발한 저 서지용 진공밸브에서는 세로 자계전극의 자계 해석과 아크 관측을 실시함으로써 발생하는 자계를 구 기종보다 균일하면서 고자계화 했다. <그림4>에 세로 자계전극의 자계해석 결과와 <그림5>에 아크의 거동을 관측한 결과를 나타냈다. <그림4, 5>에서 아크가 균일하게 확산되는 세로 자계전극으로 채용함으로써 종래 제품보다 접점면적을 약 30% 축소했다.
(2) 접점재료 최소화접점재료는 제조조건 및 기계가공조건을 최적화함으로써 접점재료의 낭비를 철저하게 배제했다. 또 환경부하 저감의 관점에서 접점의 소 구경화에 착수해 접점조성의 최적화를 실시했다. 그 결과 접점재료를 극한까지 삭감할 수 있었고 환경부하를 저감한 진공밸브 개발에 성공했다. 종래 접점에 비해 재료를 약 30%~70% 삭감했다.3. 그 밖의 환경부하 저감염화비닐 전선은 소각 시 다이옥신이 발생하기 쉬운 할로겐 원소와 미량의 납을 포함하고 있지만 이들을 포함하지 않은 에코전선을 채용했다. 에코전선은 재활용 재료라는 점에서 환경부하를 저감할 수 있다.주요 수지부품에는 재료표시를 함으로써 재활용을 용이하게 하고 환경부하저감에 공헌하는 기기로 만들었다.게다가 스프링 축제 모터의 소비전력을 현재의 1/4상당으로 저감할 예정이며 이로써 제어전원의 소용량화를 추구할 수 있다.사용의 편리성 추구1. 모든 센터 디자인의 채용VF-8/13D형 진공차단기에서는 표면커버 센터와 주회로 센터의 일치에 더해 조작기구 틀과 수동조작 핸들의 회전중심을 모두 일치시켰다. 이들 모든 센터와 패널커트 센터, 받침대 센터를 맞추는 일이 가능하고 각 설치 방식에 패널커트 센터를 변경할 필요가 없어 패널의 표준화를 도모할 수 있다. 또 모든 센터를 통일시킴으로써 설계효율화를 추구하는 일이 가능하다.2. 호환성 중시 설계패널 설치형에 관해서는 미츠비시전기의 기존 진공차단기(VF-8/13C형)의 패널커트에 설치 가능한 구조를 취함으로써 종래품(VF-8/13C형)과의 교체에도 쉽게 대응할 수 있다.서랍형에서도 받침대 설계의 표준화와 차단기 갱신 시의 효율화를 고려해 현행 미츠비시전기의 제품(VF-8/13C형)과 진공차단기 본체, 고정 틀, 제어회로가 맞설 때 호환성 있는 구조로 했다.안전성·신뢰성 추구1. 내트래킹 성능 향상이번 개발한 VF-8/13D형 진공차단기용 절연 몰드를 <그림6>에 나타냈다. 절연몰드는 한층 더 트래킹성능주)을 향상시키기 위해 형상을 종래보다 모퉁이 형태로 했다. 진공밸브를 수평으로 배치한 경우, 또는 수직으로 한 경우 어느 배치에 대해서도 가루, 물방울이 고이지 않도록 수직면을 많이 마련했다. 그리고 절연물의 충전재는 내트래킹 성능에 뛰어난 재료를 사용하고 있다.2. 조작기구의 신뢰성 향상<그림7>에 투입 스프링의 리셋 상태를, <그림8>에 투입 스프링의 축세(蓄勢) 완료 상태를 나타냈다. 구동할 때 고리의 축수부에서 마찰력으로 인해 에너지 손실이 발생하고 있다. 이러한 에너지 손실은 윤활유의 경년의 고체화로 인한 점도변화에 따라 증가한다.이와 같이 경년으로 변화하는 에너지 손실에 대해 충분한 유도를 갖게 하고 안정된 동작특성을 내놓음으로써 조작기구의 신뢰성을 보다 향상시켰다. (1) 하중부담방식으로 신뢰성 향상에너지 손실에 대해 유도를 갖추기 위해서는 고리의 감쇠비율을 작게 하고 축수부의 마찰력에 대해 회전력을 충분히 크게 하는 게 효과적이다. 그러나 이 경우 고리의 감쇠 비율에 따라 푸는 빗장에 가해지는 하중도 증가하기 때문에 코일의 푸는 힘을 크게 해야 코일 조작 전류도 증가한다. VF-8/13D형 진공차단기에선 이 문제를 해결하기 위해 조작기구를 출력레버, 연결고리, 투입고리에서 형성되는 4절 고리와, 푸는 고리, 가이드 고리, 투입 고리에서 형성되는 4절 고리의 2개 고리로 구성했다. 이로 인해 감쇠비율을 각 고리에서 서로 분담하는 구조로 하고 푸는 힘을 작게 함으로써 푸는 동작특성을 안정시키고 신뢰성을 더욱 향상시켰다.(2) 무윤활 축수의 채용으로 신뢰성 향상윤활유의 경년으로 고체화된 점도의 증가는 푸는 빗장 등 미소한 힘으로 구동하는 부위에 특히 영향이 크다. 이 문제에 대해 VF-8/13D형 진공차단기에서는 2개의 4절 고리를 통해 하중분담방식으로 빗장 축의 면압을 낮추고 미소한 힘으로 구동하는 부위의 축수를 태프론 수지(PTFE)베이스로 윤활유의 도포가 불필요한 무윤활 축수로 했다. 이로 인해 안정된 동작특성을 실현하고 초기 점검주기를 종래 3년에서 6년으로 연장가능하게 했다.업계에 앞서서 유럽연합 RoHS지령 금지 6물질을 전폐하고 친환경 차단기를 개발했다. 또 이 차단기로는 조작기구 2개의 4절 고리로 축수에 걸리는 하중을 저감하고 무윤활 축수를 채용했다. 이로써 신뢰성을 향상시켜 안정된 동작특성을 실현할 수 있고 초기점검 주기를 종래 3년에서 6년으로 연장가능하게 했다.진공 밸브는 신규에 접점을 개발하고 내전압 성능·차단 성능·내소모성 등을 향상시켰다.이번 개발한 VF-8/13D형 진공차단기는 높은 안전성·신뢰성을 갖고 더욱이 환경에도 배려한 친환경설계로 했다. 이 제품이 널리 사회에 공헌할 수 있기를 바란다.
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