진공차단기는 기기 보호에 효과적이어서 수배전계통에 폭넓게 이용된다. 사고 발생에서부터 차단기로 전류를 차단할 때까지의 시간을 단축시키면 계통보호에 유리하다. 범용 진공차단기는 사고 발생에서 부터 수 사이클 이내로 전류를 차단할 수 있다. 최근 개발된 1사이클 진공차단기는 사고 발생시 부터 1사이클 이내로 차단할 수 있지만, 전류 영점에서 차단하는 방식에서는 전류 영점까지 전류 차단이 불가능해 차단 시간 단축에 한계가 있다. 차단시간을 단축하기 위해 반도체로 한류를 차단하는 방법이나 게이트 턴 오프 사이리스터(GTO : Gate Turn-off Thyristor) 차단기 및 GTO와 진공차단기를 조합한 한류 장치가 검토되고 있다. 그러나 이런기기에서는 고전압, 대(大)차단 용량일 경우 GTO가 대형화된다는 문제가 있다. 전류를 고속 차단하는 방법으로, 외부 회로에 의해 고주파 전류를 주입하여 강제적으로 전류 영점을 만들어 전류를 차단하는 방법이 있다. 이 방법으로는 사고 발생부터 전류 차단까지의 시간 단축이 가능하여 계통 보호에 효과적이고 교류 전류와 직류 전류 어느 것에도 적용이 가능하다. 그래서 강제적으로 전류 영점을 만들어 전류를 차단하는 고속진공차단기를 검토했다. 사고 발생에서부터 차단까지의 시간을 단축하기 위해서는 아크 시간을 단축할 필요가 있다. 진공 밸브에서는 전류 차단 시 아크 움직임과 차단 성능이 밀접한 관계가 있기 때문에, 전극 개극 직후의 아크 움직임을 조사했다. 진공 밸브용 전극으로 넓게 이용되는 평판 전극과 종자계 전극에 대해서는 진공챔버에서 고속도 비디오카메라로 아크를 관측하여 수 ㎳의 짧은 아크 시간에서의 대전류 차단에 적합한 전극을 검토함으로써 종자계 전극이 우위에 있다고 생각할 수 있다. 다음으로 종자계 전극을 이용한 진공 밸브에서 전극 영점 영역의 전류 파형, 아크 시간의 차단 성능에 대한 영향을 조사했다. 외부 회로로 주입하는 전류파형을 제어함으로써 전류 영점 직전에 전류의 작은 기간을 설정하는 경우와 그렇지 않은 경우에 대해서 차단 성능을 평가했다. 또 전류 영점 시 플라즈마 밀도가 차단 성능에 영향을 준다고 여겨 전류 영점 직전의 전류 파형과 플라즈마 밀도의 관계를 해석하여 검토했다.
실험 방법
전극 간 아크의 움직임과 차단 성능을 조사하기위해 합성 차단 시험 회로를 이용하여 아크 관측과 차단 성능을 평가했다.
시험 회로는 <그림 1>과 같다. 시험 회로는 공시기(供試器)에 약 50㎐ 정현반파의 대전류를 통전하기 위한 대전류원, 전류 영점을 강제적으로 만들기 위한 고주파 전류원, 전류 차단 후에 회복 전압을 인가하기 위한 전압원으로 구성되어 있다. 공시기의 전류 파형을 <그림 2>의 ⒜로 나타냈다. 대전류원에서 공시기로 사고 전류를 상정하는 대전류를 통전하고, 공시기 개극 후에 고주파 전류원에서 대전류와 역행 전류를 주입하여 강제적으로 전류 영점을 만들었다. 공시기의 전류 영점 후에는 대전류원과 고주파 전류원을 백업 차단기로 공시기에서 잘라 내고, 전압원으로만 회복 전압을 인가했다. 회복 전압은 파고치 3.5㎸, 전류 영점에서 파고치까지의 시간을 8㎲로 했다. 공시기에 회복 전압을 인가했을 때 회복 전압을 견딜 수 있는 경우는 차단 성공으로 하고, 절연파괴가 일어난 경우에는 차단 실패로 간주한다. 전류 영점 영역의 전류 파형과 차단 성능 관계를 조사하기 위해, 고주파 전류파형으로 전류 영점 영역의 공시기 전류 파형을 제어했다. <그림 2>의 ⒝에 전류 영점 영역의 공시기 전류 파형을 나타냈다. 좌측의 전류 파형 A에서는 전류 영점 영역에서 거의 일정한 기울기로 전류가 감소하고 있다. 우측의 전류 파형 B에서는 전류 영점 직전에 전류 기울기가 완만해져 전류의 작은 기간이 발생하고 있다. 이런 2종류의 전류 파형에 대해 차단 성능과의 관계를 조사했다. 아크 관측에서는 공시기로 <그림 3>과 같은 진공챔버를 이용했다. 이 진공 챔버에 평판 전극과 종자계 전극을 준비하여 전극 간 아크를 관측했다. 모든 전극에서 전극 사이즈와 접점 사이즈는 동일하게 하고 접점 재료는 CuCr로 했다. 진공 챔버의 관측창을 통해 고속 비디오카메라(2000frames/s)로 전극 간 아크를 촬영했다. 촬영한 영상은 컴퓨터로 처리하고 아크 발광 강도 분포와 그 변화를 조사했다. 차단 성능 평가에서는 아크를 관측한 종자계 전극 이용 진공 밸브로, 전류 영점 영역에서의 전류 파형과 전극 개극에서 차단까지의 시간(아크 시간)과 차단 성능의 관계를 조사했다. 고주파 전류원의 전류 파형을 조정함으로써 전류 영점 영역에서의 전류 파형을 설정했다. 아크 시간은 개극의 타이밍과 고주파 전류의 통전 개시 타이밍을 조정하여 설정했다.
결과
1. 아크 움직임 종자계 전극과 평판 전극에서의 아크 변화를 <그림 4>로 나타냈다. 영상 우측의 시간은 개극에서의 시간이고, 개극에서 3㎳까지의 아크 영상이 0.5㎳마다 위에서 아래로 시간 경과에 맞춰 순서대로 표시했다. 발광 강도는 흰 영역에서 강하고 검은 영역에서는 약하다. 발광 강도가 높은 영역이 원주상이라고 가정하고, 종자계 전극 1㎳의 영상에서 전극 접점의 면적에 대한 발광 강도가 높은 영역의 단면적 비율을 구하면 10% 정도로 좁은 범위에 아크가 집중하는 것을 알 수 있다. 또 종자계 전극의 3㎳ 영상에서는 발광 강도가 높고 흰 영역은 보이지 않기 때문에, 아크가 전극의 접점 전역으로 확산되어 거의 균일하게 분포하고 있다. 종자계 전극에서는 개극에서 2㎳까지는 발호(發弧) 위치 부근에 아크가 집중되고 있는데, 종자계 효과로 확산된 것을 알 수 있다. 평판 전극에서는 아크가 발호 위치 부근의 좁은 영역에 집중되어 있다.
종자계 전극과 평판 전극에서의 아크를 비교했다. 모든 전극에서 아크가 집중하는 개극 후 1.5㎳에서의 애노드(Anode), 캐소드(Cathode) 부근 아크 발광 강도 분포를 <그림 5>에 나타냈으며, 종자계 전극 결과를 AMF로 표시했다. 발광 강도는 평판 전극에서의 발광 강도 최대치를 기준으로 했다. 평판 전극 쪽 아크 발광 강도가 종자계 전극에서 강하기 때문에, 종자계 전극에서는 아크 집중이 완화된다고 할 수 있다. 진공 밸브에서는 아크 국소 집중을 막으면 차단 성능이 높아지기 때문에, 종자계 전극 쪽이 차단 성능이 높고 고속 차단에 적합하다.
종자계 전극에서의 아크 움직임을 상세하게 검토하기 위해 애노드에서의 아크 발광 강도 분포를 <그림 6>에 나타냈다. 개극 직후에는 발호 위치 부근에서 발광 강도는 높은 영역이 보이지만, 발광 강도가 저하되고 전극 전 역의 발광 강도는 거의 균일하게 된다. 이는 발호 위치 부분에 집중돼 있던 아크가 종자계 효과로 급격하게 확산되어 거의 균일한 분포가 된 것이라고 할 수 있다.
종자계 전극의 차단 전류, 개극 타이밍과 개극 개시부터 아크가 확산되는 상태로까지의 시간(확산시간) 관계를 조사했다. 전극의 개극 타이밍과 확산 시간의 관계를 <그림 7>로 나타냈다. 정현반파 차단 전류의 통전 개시부터 전극의 개극 개시까지의 시간을 파라미터로 하고, 차단 전류치는 동일하다고 한다. 통전 개시와 거의 동시에 전극을 개극했더니 아크 집중이 보이지 않았다. 또 개극 개시 시 전류가 커지도록 통전 개시부터 개극 개시까지의 시간을 늘리면 확산 시간은 길어지다가 약 4㎳ 이후가 되면 짧아지는 경향이 있다. 차단 전류는 약 50㎐의 정현파이므로 통전 개시부터 5㎳까지 증가하고 그 이후 감소하는 것은 전류 파형의 영향으로 생각된다. 전극 개극 개시가 전류 피크 전 2㎳ 정도가 되는 경우 확산 시간이 길어져 아크가 집중 상태로 고주파 전류를 주입하여 전류를 차단하기 때문에 차단에는 엄격한 조건이 된다. 차단 전류가 개극 개시부터 아크가 확산 상태가 되기까지의 시간(확산 시간) 관계를 <그림 8>로 나타냈다. 차단 전류가 증가하면 확산 시간이 길어짐을 알 수 있다. 따라서 차단 전류가 커지고 아크 시간이 짧으면 아크 집중을 위한 차단이 어려울 것으로 여겨진다.
2. 전류 영점 영역의 전류 파형과 차단 성능 공시기의 전류 파형과 아크 전압 파형의 예를 <그림 9>로 나타냈다. 차단 전류의 통전 개시 후 약 1.7㎳에서 전극 개시가 시작되고 약 3.2㎳에서 고주파 전류가 주입하여 전류가 차단된다. 아크 시간은 1.5㎳ 정도다. 아크 전압은 35V 정도로, 진폭이 큰 고주파 성분은 볼 수 없었다.
전류 영점 영역의 공시기 전류 파형은 <그림 10>과 같다. 전류 영점 직전에 직류의 작은 시간을 설정하지 않았던 경우와 설정한 경우의 전류 파형 예를 나타냈다. <그림 10>의 ⒜에서는 전류가 거의 일정한 기울기로 감소하여 0이 됐다. 이에 반해 <그림 10>의 ⒝에서는 전류가 거의 일정한 기울기로 0.08P.U 부근까지 감소하다가 기울기가 완만해져 전류의 작은 기간이 생긴 후 전류가 0이 된다. 전류 영점 직전에 직류의 작은 기간을 설정하지 않은 경우의 차단 특성을 <그림 11>로 나타냈다. 전류 영점 영역의 전류 변화율이 다른 결과로 표시돼있다. 아크 상태도 표시되어 있는데, 점선보다 하측 부위는 차단 시 아크가 집중 상태이고, 점선보다 상측 부위는 확산 상태이다. 전류 변화율이 낮아지면 차단 성능은 높아지며, 아크 시간이 짧아지면 차단성능은 낮아진다. 아크가 집중 상태에서 고주파 전류를 주입하면 전류 영점이 되기 때문에, 전극 간에 플라즈마가 잔류하고 있기 때문으로 생각된다. 전류 영점 직전 전류의 작은 기간의 길이와 차단성능의 관계를 <그림 12>로 나타냈다. 전극 개극 개시는 차단 전류 피크 이전에 아크 시간을 2.2㎳로 하고 고주파 전류를 주입하여 전류 감소가 시작될 때를 아크가 집중 상태가 되는 조건으로 평가했다. 전류의 짧은 기간을 설정하지 않는 경우에 대해서는 전류 영점 전의 전류 변화율 di/dt와 아크 시간이 각각 0.5P.U., 2.3㎳와 0.8P.U., 2.5㎳일 때의 결과를 나타냈다. 전류의 작은 기간을 길게 하면 차단 성능이 향상됨을 알 수 있다. 전류의 작은 기간에 전극간 플라즈마가 감소하고, 회복 전압이 전극 간에 인가되는 전류 영점 후 전극 간 절연 내압이 향상되기 때문이라고 여겨진다.
고찰 : 전류 영점 영역의 전류 파형과 플라즈마 밀도
전류 영점 직전의 전류 파형이 차단 성능에 영향을 주는 이유는 전류 영점에서의 전극 간 플라즈마 밀도에 차이가 생기는 것으로 파악된다. 그래서 전류 영점 직전의 전류 파형과 전극 간 플라즈마 밀도의 관계를 해석 · 검토했다.
고주파 전류가 주입되어 전류의 감소 개시(t = 0)부터 전류의 작은 기간 개시(t = t₁)까지와 전류의 작은 기간(t₁에서 t₂)의 전류 변화율 r1, r2 를 각각 일정치의 조건으로 하면, 전극 간 플라즈마 밀도는 다음 식으로 표시할 수 있다. 감량 시 정수는 20㎲로 했다.
전류 영점 전에 전류의 작은 기간이 20㎲인 경우와 설정되지 않았던 경우(0㎲)의 전류 영점까지의 플라즈마 밀도 변화를 <그림 13>으로 나타냈다. 횡축은 전류 감소 개시부터의 시간, 종축은 전류 감소 개시 시를 기준으로 한 플라즈마 수 밀도다. 차단 전류는 똑같이 1P.U.의 조건으로 했다. 각각의 결과 오른쪽 단이 전류 영점에 대응하고 있다. 전류의 감소에 따라 플라즈마 밀도가 저하됨을 알 수 있다. 75㎲에서 전류의 작은 기간이 시작되기 때문에 2가지의 파형에 차이가 발생하기 시작했다. 여기서 전류의 작은 기간을 설정하지 않았던 경우의 전류 영점까지는 전류의 작은 기간을 설정한 쪽에서의플라즈마 밀도가 높은데, 이는 전극 사이를 흐르는 전류가 크기 때문이다. 전류의 작은 기간을 설정한 경우 밀도는 더욱 감소하고, 전류 영점에서는 전류의 작은 기간을 설정하지 않았던 경우보다 저밀도가 된다.
전류의 작은 기간의 길이와 전류 영점에서의 플라즈마 밀도 관계를 <그림 14>로 나타냈다. 차단 전류를 1P.U.로, 전류의 작은 기간을 파라미터로 한다. 전류의 작은 기간을 길게 하면 전류 영점에서의 플라즈마 밀도가 낮아져 차단 성능과 합치하는 경향을 나타내고 있다.
마무리
외부 회로로 고주파 전류를 주입하고 강제적으로 전류 영점을 만들어 전류를 차단하는 고속 진공차 단기에 대해서 아크 움직임, 전류 영점 영역의 전류파형, 차단 성능의 관계를 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫째, 종자계 전극에서는 전극 개시 직후에는 발호점 부근에 아크가 집중됐다가 확산 상태로 바뀐다. 종자계 전극 개극 직후의 아크는 평판 전극에서 집중이 완화되고 있기 때문에 아크 시간의 단축에적합하다. 둘째, 전류 영점 직전에 전류의 작은 기간을 설정하면 차단 성능이 향상됨을 알 수 있다. 차단 시간을 단축하는 경우 전류 영점 직전에 전류의 작은 기간을 설정하는 방법이 효과적이라고 생각된다.
차단기(遮斷機, Circuit breaker) 회로의 이상상태나 필요한 상태에 있어서 회로를 전부 또는 일부를 차단하는 기구로, 자동식 전류차단기, 유입차단기, 고속도차단기 등이 있다. 진공차단기(VCB : Vacuum Circuit Breaker) 진공을 소호매질로 하는 VI(Vacuum Interrupter)를 적용한 차단기로서 진공에서의 높은 절연 내력과 아크 생성물이 진공 중으로의 급속한 확산을 이용하여 소호하는 구조이다. 높은 절연 내력을 가지고 있으며 차단기의 형태가 소형이고 가벼우며, 기름을 사용하지 않아 화재의 위험이 적은 장점이 있다. 그러나 동작 시 높은 서지 전압을 발생시킨다.
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