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[철도 전력설비의 이노베이션 ③] 직류진공차단기

김대근 기자
입력 2016.12.01 00:00

[철도 전력설비의 이노베이션 ③]
직류진공차단기

직류진공차단기는 아크리스(Arcless)라는 특징으로부터 ▲방재성(防災性) ▲유지보수성 ▲스페이스 절약성이 기중차단기보다 우수하다. 이는 최근에 높아지고 있는 니즈에 부합하는 기능으로서 향후 직류진공차단기의 보급은 더욱 활성화될 것으로 기대되고 있다. 본고에서는 이 직류진공차단기의 개요에 대해 해설한다.

정리 편집부

직류차단기는 전차에 직류전력을 공급하는 궤전선을 보호하기 위해 전철용 지상변전소에 설치된다. 전철용 직류 궤전회로에서의 사고전류는 회로조건에 따라 100kA라는 매우 큰 값에 도달할 수 있기 때문에 직류차단기는 이 사고전류를 신속하게 차단하여 회로보호 및 사고의 파급확대를 방지하는 기능을 가지고 있다.

직류는 교류와 달리 전류영점을 가지고 있지 않기 때문에 사고전류 차단 시 전류를 영점까지 감쇠시키기 위한 노력이 필요하다. 사고전류는 사고 발생 직후부터 급격하게 상승하며, 그때의 전류상승률 di/dt는 최대 10×10⁶A/s에 달하는 것으로 상정되고 있다. 이 사고전류를 신속하게 차단하기 위해 직류차단기는 과전류 검출로부터 수 ms 이내에 동작하고, 이 고속동작에 의해 사고전류를 감쇠시켜 차단한다. 이 때문에 전철용 직류차단기는 일반적으로 직류 고속도 차단기라고 불리고 있다. 기존에는 전철용 직류차단기로 공기 중에서(氣中) 전류를 차단하는 기중차단기가 널리 이용되어 왔는데 1970년대부터 1990년대에 걸쳐 기중(氣中)에 아크를 방출하지 않는 반도체 차단기 및 진공차단기가 개발돼 사용되기 시작했다. 본고에서는 이러한 직류차단기 특히, 직류진공차단기에 대해 해설한다.

직류차단기의 종류
기중차단기
전철용 직류기중차단기는 오랜 역사를 갖고 있으며, 일본에 직류철도기술이 들어온 당초부터 현재에 이르기까지 가장 일반적으로 사용되고 있는 차단기다. 기중차단기는 전류 차단 시에 발생하는 아크 길이를 기중에서 늘리고 냉각하여 계통전압 이상으로 아크전압을 증가시키고, 한류(限流) 효과에 의해 전류를 감쇠· 차단한다. 차단기 이외의 소자(비직선 저항기 및 콘덴서)를 필요로 하지 않는 매우 단순한 주회로 구성이지만 기중에 아크를 방출하기 때문에 차단기 외부에 스페이스를 설치할 필요가 있어 차단기반이 대형화된다. 또 소전류 차단 시에는 아크 길이를 늘리는 힘이 작아 한류효과가 충분히 얻어지지 않기 때문에 공기 분사 및 외부에서의 자계 인가 등 아크 길이를 늘리기 위한 대책이 필요하다.

반도체 차단기
기존에는 기중차단기가 전철용 직류차단기로서 유일한 차단기였지만, 반도체 기술의 진보에 따라 차단 매체로 반도체를 이용한 반도체 차단기가 개발되기 시작했다. 개발 당초에는 사이리스터가 사용되고 있었는데 1980년대 중반에 자기소호 능력을 가진 GTO(게이트 턴오프 사이리스터)를 사용한 차단기가 실용화되면서 현재의 반도체 차단기에는 주로 GTO가 사용되고 있다. 반도체 차단기는 기계접점을 전혀 사용하지 않고, 반도체 소자의 턴온·턴오프(turn on·turn off)로 주회로 전류를 제어하기 때문에 전기신호에 의한 고속응답·고속차단이 가능하고, 아크를 기중에 방출하지 않는 아크리스(Arcless) 차단기로서 아크에 기인하는 소음이 없다. 또 차단 시의 회로 에너지를 처리하기 위해 반도체와 병렬로 비직선 저항기(배리스터)를 가진다. 주회로에 반도체를 사용하고 있으므로 기계접점 외의 차단기와 비교 시 전력손실 및 발열이 큰 경향이 있고, 냉각장치의 적절한 배치 등을 통해 방열효과를 고려할 필요가 있다.

진공차단기

1980년대 후반에는 교류차단기에서 실적이 있는 진공차단기술을 이용한 직류진공차단기가 개발되었다. 진공차단기도 진공밸브 내의 접촉자(接觸子) 간에만 아크가 발생하여 아크를 기중에 방출하지 않는다. 진공차단기의 아크전압은 수 10~100V로 낮아 한류효과는 기대할 수 없다. 이 때문에 진공밸브와 병렬로 설치한 콘덴서를 방전시키고, 고주파 진동전류를 주회로 전류에 중첩시켜 영점을 발생시킨다. 상세한 내용에 대해서는 다음 장에 해설한다.

기중차단기, 반도체 차단기, 진공차단기의 특성 비교를 [표 1]에 나타냈다.

직류진공차단기의 원리와 특징
구성
직류진공차단기는 접촉자를 내부에 갖춘 진공밸브, 고주파 진동전류를 주회로 전류에 중첩하기 위한 전류(轉流) 콘덴서 및 전류(轉流) 스위치, 차단 시의 회로 에너지를 처리하기 위한 비직선 저항기로 구성된다. 직류진공차단기 주회로의 회로도를 [표 1]에, 그 외관을 [그림 1]에 나타냈다.

차단원리

직류진공차단기의 동작흐름을 [그림 2]에 나타냈다.전류 차단 시 직류진공차단기는 진공밸브 내의 접촉자 개극 직후에 전류 스위치를 투입한다. 전류 스위치 투입에 의해 전류 콘덴서에서 방전되는 고주파 진동전류가 주회로 전류에 중첩, 진공밸브를 흐르는 전류가 급속하게 감소한다. 이에 따라 진공밸브를 흐르는 전류가 영점에 이르러 진공밸브 내의 접촉자 간 아크가 소호된다. 그 후 회로에 저장된 에너지에 의해 접촉자 간 전압이 급격히 상승하는데 비직선 저항기가 동작하여 그 에너지를 열에너지로 소비함으로써 일련의 차단동작이 완료된다.