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[기술특집/국내편] 전자석 액추에이터를 적용한 원격제어 방식의 배선용 차단기
2009-06-03

국내외 중전기기 업체별 최신 기술

전자석 액추에이터를 적용한 원격제어 방식의 배선용 차단기


㈜케이디파워 중앙연구소_김일권 선임연구원
(02)6336-3770 / www.kdpower.co.kr

개 요

배선용 차단기는 흔히 MCCB(Molded Case Circuit Breaker)로 통용되며, 국내 KS 규격에서 ‘개폐 기구, 트립 장치 등을 절연물의 용기 내에 일체로 조립한 것이며, 통상 사용 상태의 전로를 수동 또는 절연물 용기 외부의 전기 조작 장치 등에 의하여 개폐할 수가 있고, 또 과부하 및 단락 등일 경우, 자동적으로 전로를 차단하는 기구’로 정의한다.
이는 전력계통상에 설치되어 수용가에 안정적인 전류를 공급하며, 사고 발생 시 신속하게 고장전류를 차단함으로써 부하측 영향을 최소화하는 보호용 전기기기다. 그러나 최근 전력IT에 대한 사회적 요구가 증대됨에 따라 계측, 통신 기능을 부여하여 네트워크 상에서 감시하고 제어가 가능하도록 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

전자석 액추에이터를 적용한 배선용 차단기

1. 개발 기술의 필요성
일반적인 배선용 차단기는 과전류에 의한 트립(Trip) 동작은 자동으로 수행되는 반면, 투입에 대해서는 수동으로 직접 배선용 차단기를 조작하여 원상태로 복귀시켜야 하는 불편함이 있다. 이 때문에 일부 배선용 차단기 제조회사에서는 전동개폐장치(Motor Operator)와 같은 옵션 제품을 부착하여 사용하고 있다.
<그림 1>은 ABB사의 원격에서 On/Off가 가능한 배선용 차단기의 예를 나타낸 것이다. <그림 1> ⒜의 전동개폐장치에는 배선용 차단기의 손잡이를 조작하기 위한 모터를 내장하고 있어 전기적 신호에 의해 조작이 가능하도록 구현하고 있다.

이러한 전동개폐장치를 이용한 원격 On/Off 동작의 구현은 ABB사, Moeller사를 비롯한 몇몇 배선용 차단기 제조회사에서 제작 · 판매되고 있으며, 가격 또한 상당하다. 그러나 이러한 기술은 전동개폐장치를 부착함에 따라 개별 단가의 상승 및 사이즈에 대한 부담 뿐만 아니라 복잡하고 많은 기어와 부품들로 구성되어 모터 장치의 잦은 고장을 발생시키는 등 신뢰성에 문제가 제기되어 왔다. 따라서 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 배선용 차단기의 동작 메커니즘 자체가 변경되어야 한다. 이를 위해 기존 사이즈를 크게 변형시키지 않으며, 제품의 내구성 및 생산 조립성을 크게 향상시킬 수 있도록 간단한 부품으로 구성할 수 있는 새로운 개념의 전자석 액추에이터(Electromagnetic Force Driving Actuator)가 적용된 배선용 차단기가 고안됐다.

2. 전자석 액추에이터의 동작 원리
전자석 액추에이터는 코일을 중심으로 철심이 상하 결합된 가동자(Mover), 자속을 원활히 흐를 수 있게 하는 철심(Static Core), 영구자석, 가동자의 선형 운동을 지지하는 축(Shaft)으로 이루어져 있다. 영구자석은 아래 <그림 2>에 화살표와 같은 자화 방향을 나타내므로 가동자가 개방 및 투입 상태를 유지할 수 있는 홀딩력(Holding Force)을 발생시킨다. 그리고 전류를 인가할 때, 로렌츠 힘을 이용해 전자력이 발생할 수 있도록 자계를 형성하는 역할을 한다.

이 액추에이터는 가동자에 코일이 결합되어 있는 가동 코일형이므로, 코일에 전류가 공급되는 내 · 외측 영구자석에 의한 자계와 코일의 전류 밀도에 의한 전자 반발력에 의해 코일과 가동자가 내 · 외측 영구자석 사이에서 축방향으로 직선 운동하도록 됐다. 가동자 코일의 전류 방향을 바꿈으로써 상하 왕복운동을 가능하게 했고 축과 결속되어 접점부에 힘을 전달한다.
전자석 액추에이터는 영구자석의 투자율 및 코일의 흐르는 전류에 의해 높은 조작 속도, 조작력 뿐만 아니라 큰 홀딩력을 갖출 수 있다. 여기서 홀딩력은 전극이 요구하는 상태를 그대로 유지하려는 힘을 말한다.
접점이 개방되어 전류가 차단된 개극 상태를 유지하거나 접점이 단락되어 하나의 도체처럼 전류를 잘 도통시키기 위해서는 강한 힘으로 밀착시켜야 하는데, 이를 위해서 압점 스프링을 연결해 압점력을 제공한다. 이러한 전자석 액추에이터는 코일이 가동자가 되어 움직이므로, 작은 크기와 무게를 가지면서도 조작력과 조작 속도를 극대화할 수 있고, 가동자의 스트로크를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
<그림 3>은 전자석 액츄에이터의 동작 동안 자속밀도와 자기력선의 분포를 보여 준다. 처음에는 <그림 3> ⒜와 같이 가동자가 영구 자석의 홀딩력에 의해 개방 측 끝단에 고정되어 있다. 이 때 배선용 차단기는 개방 상태로 두 전극이 서로 떨어져 있어 전류가 차단된 상황이다. 투입 신호가 진공 차단기에 지령되면 코일에 전압이 인가되고 전류가 흐른다.
코일에 전류가 흐르면 코일을 쇄교하는 자속이 생기고 투입 방향으로 전자력이 발생한다. <그림 3> ⒝는 코일의 여자 전류에 의해 투입 방향으로 전자력이 발생하여, 가동자가 투입 방향으로 움직이기 직전의 모습이다. 가동자의 운동은 배선용 차단기의 가동 전극(Movable Electrode)에 전달되는데, 코일의 여자 전류에 의해 가동자가 투입 방향으로 움직임에 따라 가동 전극이 고정 전극(Fixed Electrode)에 점점 가까워진다. 가동자가 투입 측 끝단까지 움직이고 나면 코일에 더 이상 전압이 인가되지 않고 전류가 흐르지 않는다. 가동자는 <그림 3> ⒞와 같이 영구자석의 홀딩력에 의해 투입 측 끝단에 고정되는데, 이 때 배선용 차단기는 투입 상태, 즉 두 전극이 서로 밀착해 있는 상황이다.

3. 제품의 특징 및 장점
⑴ 일체형 구성

기존의 배선용 차단기는 원격제어를 위해 별도의 전동개폐장치를 옵션으로 적용한다. 따라서 배선용 차단기와 전동개폐장치를 별도의 제품으로 가공 생산한다. 그러나 본 배선용 차단기는 전자석 액추에이터를 적용함으로써 드라이버 조작에 따라 기본적으로 접점의 On/Off 동작이 가능한 구조이며, 복잡한 종래의 스프링 및 구성품을 대체하여 단일제품으로 일체화했다. 또한 전자석 액추에이터는 링크를 통해 접점부와 체결되는 구조로서 단일 어셈블리(Assembly) 형태로 제작되기 때문에 생산과 관리가 용이하며, 조립이 편리하므로 기존 배선용 차단기에 비해 작업성을 크게 향상시켰다. 또한 원격제어를 위해 기존 제품은 배선용 차단기와 전동개폐기구를 함께 사용하여 가격이 상승하고 제품 크기가 증가하는 반면, 본 제품은 모든 것을 일체화하여 구성함으로써 제품 크기 및 가격을 기존 제품 대비 80％로 낮출 수 있다.

⑵ 세련된 디자인
본 제품은 세계 최초로 전자석 액추에이터(EMFA)를 내장한 배선용 차단기로서 전력IT 환경을 위한 원격 감시 · 제어 기능을 구비한 신개념의 전자식 차단기이다.
유비쿼터스 환경에 최적화된 배선용 차단기의 이미지를 위하여 Auto/Manual 레버를 적용하고 차단기의 동작 상태에 따라 발광다이오드(LED)를 점멸시켜 동작 유무 확인이 용이하도록 제작했다. 우측 상태 표시창은 배선용 차단기의 트립 상태를 쉽게 파악할 수 있도록 액추에이터 동작에 따라 색상으로 표시하도록 설계됐다.

⑶ 손쉬운 조작성
기본적인 조작에 있어 기존 배선용 차단기와 차별성을 갖는 버튼 형식을 적용했다.
전면은 차단기의 기본적인 On/Off 조작이 용이하도록 시각적인 요소를 고려해 On/Off 버튼을 색상처리했으며 각 모서리 부분을 곡면 처리함으로써 강한 이미지만을 강조하던 기존 배선용 차단기와는 달리 세련되고 섬세한 구조를 지향했다. 또한 아이디를 설정하기 위한 딥 스위치, 통신 및 각종 기능을 위한 커넥터와 안전을 위한 수동 트립 바는 전면 커버를 적용, 내부로 감춤으로써 외관을 단순화했다.

⑷원격감시및제어
본 배선용 차단기는 내부에 CT를 내장하여 과전류 및 단락전류를 검출하는 완전 전자식의 트립 구조를 갖고 있다. 또한 MCU에 의해 능동적으로 제어되기 때문에 장한시 전류와 장한시 동작 시간, 단 한시 전류와 단한시 동작 시간 및 순시트립 전류를 가변할 수 있도록 구현했다.
또한 콘트롤 유닛 자체에 통신 모듈을 내장하고 있어 RS-485 통신(MODBUS)이 가능하며, 배선용 차단기에서 계측된 각 상별 전류값 및 On/Off/Trip에 대한 상태 정보를 원격지에서 감시 할 수 있다. 뿐만 아니라 사용자에 의해 수동으로 정되는 옵션의 형태이지만 조건에 따라 자동으로 복구하는 기능을 내장했다.
<그림 6>은 하이브리드 수배전반 감시 시스템의 MMI 구성 예를 나타낸다. 사용자는 하단 분기회로의 배선용 차단기 아이콘을 클릭하여 각각의 배선용 차단기의 계측 정보, 상태를 감시하며 On/Off 제어를 할 수 있다.


마무리

전력IT에 대한 관심이 집중되고 관련 분야에 대한 많은 연구가 수행되면서 과거 중 · 대형 전기설비에서 구현되는 전력기기에 대한 계측, 통신 및 제어 기능이 점차 배 · 분전반까지 확대되고 있다.
본 기술의 목표는 저압용 배전선로에 대표적인 전기기기인 배선용 차단기를 대상으로 전자석 액추에이터의 최신 기술을 접목, 전력IT 환경에 최적화 할 수 있는 신개념의 차단기 개발이다. 이는 세계 최초로 전자석 액추에이터를 배선용 차단기에 적용했다는 점에서 큰 의미를 가지며, 기술 상용화로 인한 기술적 우위 확보 및 응용 기술 확대 등을 기대할 수 있다. 이를 위해 향후 인증시험 및 새로운 개념의 차단기에 대한 공인기관의 유권해석 또한 필요한 실정이다.
전자석 액추에이터를 적용한 배선용 차단기는 향후 전력IT 환경에 접목하여 개별 분기회로의 부하 사용 예측 서비스 기술 개발 및 유비쿼터스 환경의 분전반용 통합 관리시스템 개발에 적용할 예정이다. 또한 분기회로에 대한 무인 운영을 통해 전기사고에 대한 신속한 대처와 피해 감소 및 전력공급 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

액추에이터
전기, 유압, 압축공기 등을 이용하는 구동장치의 총칭으로, 보통 유체 에너지를 이용해서 기계적인 작업을 하는 기기

로렌츠 힘
자기 마당 속을 운동하는 하전 입자에 작용하는 힘. 움직이는 속도 방향과 자기 마당의 방향에 모두 수직인 방향으로 힘을 받는다.

여자전류
발전기, 전동기, 변압기, 전자석 따위의 코일에 흘려서 자기력선속을 발생하게 하는 전류

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