중압 진공 회로 차단기는 어떻게 최신 배전 시스템을 보호합니까?

중압 진공 회로 차단기란 무엇입니까?

A 고압 진공 회로 차단기 (MV VCB)는 중간 전압 범위(일반적으로 1kV ~ 52kV로 정의되며 가장 일반적인 응용 분야는 3.6kV ~ 40.5kV) 내에서 작동하는 배전 시스템의 정상 작동 조건과 오류 조건 모두에서 전류를 생성, 전달 및 차단하도록 설계된 전기 스위칭 및 보호 장치입니다. 이 차단기 유형의 특징은 진공 차단기를 아크 소멸 매체로 사용한다는 것입니다. 차단기가 부하 또는 결함 전류에 의해 분리되면 결과적인 전기 아크는 가스 분자가 없기 때문에 아크가 AC 파형의 첫 번째 자연 전류 제로 크로싱 이상으로 유지되는 것을 방지하는 밀봉된 진공 엔벨로프 내에서 그려지고 소멸됩니다.

중전압 진공 회로 차단기는 전 세계적으로 3.6kV ~ 40.5kV 범위에서 지배적인 차단 기술이 되었으며, 뛰어난 차단 성능, 컴팩트한 물리적 크기, 최소한의 유지 관리 요구 사항, 환경 안전 및 긴 서비스 수명이 결합되어 새로운 설치에서 오일 회로 차단기, 공기 분사식 회로 차단기 및 SF6 가스 회로 차단기와 같은 이전 기술을 대체했습니다. 이는 전 세계적으로 유틸리티 변전소, 산업용 배전 스위치기어, 모터 제어 센터, 풍력 및 태양열 전력 수집 시스템, 철도 견인 네트워크, 광산 작업 및 데이터 센터 중전압 스위치기어 어셈블리에서 찾아볼 수 있습니다.

진공 차단 원리의 작동 원리

진공 회로 차단기의 작동 원리는 가스 또는 석유 기반 차단 기술과 근본적으로 다릅니다. 각 진공 단속기(위상당 하나씩) 내부에는 약 10⁻³ ~ 10⁻⁶ Pa의 압력으로 진공 처리된 밀봉된 세라믹 또는 유리 봉투 내에 한 쌍의 전기 접점이 들어 있습니다. 이 극한 진공 수준은 전류 차단이 시작된 후 전기 아크를 유지하기 위한 가스 분자가 사실상 존재하지 않음을 의미합니다.

차단기가 트립 신호를 수신하고 이동 접점이 고정 접점에서 분리되기 시작하면 이들 사이에 흐르는 전류는 접점 표면 자체에서 기화되는 이온화된 금속 증기로 구성된 고에너지 금속 아크를 생성합니다. 이 금속 증기 플라즈마는 전류를 전도하고 AC 전류가 자연스럽게 0을 통과할 때까지 반주기 동안 아크를 유지합니다. 전류 0에서 아크 플라즈마는 빠르게 탈이온화되고 금속 증기는 마이크로초 내에 접촉 표면과 주변 금속 차폐물에 다시 응축됩니다. 이는 어떤 가스 기반 매체가 유전 강도를 회복할 수 있는 것보다 훨씬 빠릅니다. 그런 다음 진공 갭은 시스템에 의해 부과된 과도 복구 전압(TRV)을 견디고 중단이 완료됩니다. 접점 분리부터 성공적인 중단까지의 전체 프로세스는 일반적으로 전력 주파수의 1~2반주기 내에 발생하므로 진공 회로 차단기는 중간 전압에서 사용할 수 있는 가장 빠른 차단 스위칭 장치 중 하나입니다.

고압 진공 회로 차단기의 주요 구성 요소

MV VCB의 내부 아키텍처를 이해하면 엔지니어와 유지보수 담당자가 성능, 신뢰성 및 서비스 수명을 결정하는 설계 요소를 이해하는 데 도움이 됩니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 진공 차단기(VI): 고정 및 이동 접점, 금속 아크 쉴드 및 벨로우즈 어셈블리를 포함하는 밀봉된 차단 챔버입니다. 벨로우즈는 밀폐형 진공 밀봉을 유지하면서 개폐 작업 중에 이동 접점이 이동할 수 있도록 하는 유연한 금속 멤브레인입니다. 일반적으로 구리-크롬(CuCr) 합금인 접점 재료는 과도한 침식이나 접점 용접 없이 반복적인 아크 사이클을 견딜 수 있는 능력을 위해 선택되었습니다.
• 작동 메커니즘: 메커니즘은 안정적인 중단에 필요한 제어된 속도로 접점을 열고 닫는 데 필요한 기계적 에너지를 저장하고 방출합니다. 스프링 작동식 메커니즘은 가장 널리 사용되며, 제어 공급 전압 변화와 관계없이 정확하고 일관된 접촉 속도를 제공하는 충전된 폐쇄 및 개방 스프링을 사용합니다. 접점을 고정 및 해제하기 위해 영구 자석과 전자기 코일을 사용하는 자기 액추에이터 메커니즘은 기계 부품 수가 적고 유지 관리가 필요 없는 대안으로 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
• 단열 지지 구조: 진공 단속기와 전류 전달 도체를 지원하는 동시에 위상 간, 충전부와 접지된 차단기 프레임 간 전기 절연을 제공하는 프레임워크입니다. 재료에는 유리 섬유 강화 에폭시 수지, 주조 에폭시 및 도자기가 포함되며 전압 등급, 연면 거리 요구 사항 및 환경 조건을 기준으로 선택됩니다.
• 전류 운반 도체 및 단자: 차단기를 스위치기어 부스바 및 케이블 회로에 연결하는 고정 상단 및 하단 단자입니다. 이러한 도체는 과도한 온도 상승 없이 정격 연속 전류를 전달해야 하며 단락 전류 이벤트 중에 생성된 전자기력을 견뎌야 합니다. 이는 높은 결함 수준 시스템에서 수만 암페어에 도달할 수 있습니다.
• 제어 및 보조 회로: 보호 계전기, SCADA 시스템 및 연동 방식과 차단기 메커니즘을 연결하는 저전압 배선, 보조 접점, 트립 코일, 폐쇄 코일 및 안티 펌핑 계전기입니다. 이러한 회로는 차단기 작동을 수정하는 데 중요하며 시운전 테스트 및 예방 유지 관리 검사의 공통 초점입니다.

정격 특성 및 주요 기술 매개변수

중전압 진공 회로 차단기를 지정하려면 성능 범위를 정의하는 정격 전기 매개변수를 철저히 이해해야 합니다. 이러한 등급은 AC 고전압 회로 차단기에 대한 테스트 방법 및 성능 요구 사항을 정의하는 IEC 62271-100 및 IEEE C37.04/C37.09를 포함한 국제 표준에 의해 확립되었습니다. 가장 중요한 매개변수는 다음과 같이 요약됩니다.

다른 중전압 차단 기술에 비해 장점

중전압 범위에서 진공 기술이 널리 채택되는 것은 새로운 설치에서 주로 대체된 SF6, 오일 및 공기 분사 기술과 비교하여 명확한 성능 및 운영상의 이점에 의해 주도됩니다.

• 환경 안전: 진공 차단기에는 절연 가스, 오일 또는 기타 환경적으로 위험한 물질이 포함되어 있지 않습니다. 이와 대조적으로 SF6 가스 회로 차단기는 지구 온난화 지수가 CO2의 약 23,500배에 달하는 온실가스인 육불화황을 사용합니다. 이는 많은 관할권에서 규제가 강화되는 상황에 직면해 있습니다. 진공 기술은 이러한 환경적 책임을 완전히 제거합니다.
• 낮은 유지 관리 요구 사항: 밀봉된 진공 차단기는 설계 수명 동안 유지 관리가 필요하지 않습니다. 모니터링할 가스 압력, 샘플링 또는 교체할 오일, 보충할 아크 소광 매체가 없습니다. 일상적인 유지 관리는 메커니즘 윤활, 보조 회로 검사, 접촉 이동 측정을 통한 접촉 침식 측정, 기능 테스트로 제한되며 일반적으로 수행되는 작업 횟수에 따라 5~10년 주기로 수행됩니다.
• 컴팩트한 물리적 크기: 진공 매체의 효율적인 아크 소호 기능은 공기 또는 SF6 차단기에 필요한 훨씬 더 큰 간격에 비해 전압 등급에 따라 일반적으로 8~20mm의 매우 짧은 접촉 간격을 허용합니다. 이로 인해 차단기 크기가 훨씬 더 작아지고 전체 변전소 설치 공간을 줄이면서 고밀도 스위치기어 설계가 가능해졌습니다.
• 긴 서비스 수명: 고품질 진공 단속기는 30,000회 작동의 기계적 내구성과 정상 작동 조건에서 25년 이상의 서비스 수명을 위해 설계되었습니다. 중단당 접점 침식은 일반적으로 전체 부하 중단당 수 마이크로미터로 매우 낮아 접점 재료 소비를 최소화하면서 정격 전기 내구성을 달성할 수 있습니다.
• 빠른 중단 속도: 접점 분리 후 첫 번째 전류 0에서 진공 아크 소멸로 인해 총 제거 시간은 40~80밀리초가 됩니다. 이는 결함 에너지를 제한하고 차단기 하류의 케이블, 변압기 및 기타 시스템 구성 요소에 대한 기계적 및 열적 스트레스를 줄이기에 충분히 빠릅니다.

스위치기어 통합: 인출형 설계와 고정 장착형 설계

중전압 진공 회로 차단기는 인출형(인출형이라고도 함) 및 고정 장착형의 두 가지 기본 구성으로 금속으로 둘러싸인 스위치기어 어셈블리에 설치됩니다. 이러한 구성 간의 선택은 유지 관리 액세스, 운영 유연성 및 스위치기어 설치의 전체 비용에 중요한 영향을 미칩니다.

인출형(인출형) 구성

인출형 스위치기어 설계에서 회로 차단기 모듈은 부스바의 전원을 차단하지 않고 스위치기어 패널에서 분리 또는 테스트 위치로 물리적으로 굴리거나 랙에 걸 수 있는 캐리지 또는 트럭에 장착됩니다. 이 설계를 통해 검사, 유지 관리 또는 교체를 위해 차단기를 제거할 수 있으며 스위치기어는 인접한 패널에 전원이 공급된 상태로 유지됩니다. 이는 유지 관리를 위해 완전한 전원 차단을 감당할 수 없는 시설에서 중요한 운영상의 이점입니다. 인출형 설계는 12kV ~ 40.5kV 범위의 대부분의 유틸리티 및 산업용 스위치기어에 대한 표준이며 전 세계적으로 대부분의 새로운 중전압 스위치기어 설치에 지정됩니다.

고정 장착 구성

고정 장착형 진공 회로 차단기는 스위치기어 패널에 영구적으로 볼트로 고정되어 있으며 관련 버스바 및 케이블을 분리하지 않고는 분리할 수 없습니다. 이 설계를 통해 더 간단하고 더 컴팩트하며 더 저렴한 스위치기어 패널이 만들어지지만 차단기 유지 관리 또는 교체를 위해 영향을 받는 회로를 완전히 중단해야 합니다. 고정 장착 설계는 인출형 설계의 운영 유연성보다 단순성과 비용 절감이 더 중요한 링 주 장치(RMU), 소형 보조 변전소 및 배전 자동화 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다.

올바른 MV 진공 회로 차단기 지정을 위한 선택 기준

특정 응용 분야에 적합한 중압 진공 회로 차단기를 선택하려면 전기 시스템 매개변수, 환경 조건, 작동 요구 사항 및 적용 가능한 표준을 체계적으로 평가해야 합니다. 모든 사양 프로세스에서는 다음 기준을 다루어야 합니다.

• 시스템 전압 및 절연 수준: 차단기의 정격 전압은 최대 시스템 작동 전압을 충족하거나 초과해야 하며 정격 상용 주파수 내전압 및 낙뢰 충격 내전압(BIL)은 시스템의 과전압 노출 및 절연 조정 요구 사항에 적합해야 합니다.
• 설치 시점의 오류 수준: 시스템 임피던스 및 변압기 정격에서 계산된 차단기 설치 위치의 예상 단락 전류는 차단기의 정격 단락 차단 전류를 초과해서는 안 됩니다. 오류 수준을 높일 수 있는 향후 시스템 변경을 수용하려면 계산된 오류 수준 위에 여유를 추가하는 것이 좋습니다.
• 연속 전류 정격: 정격 정상 전류는 예측 가능한 모든 미래 부하 증가를 포함하여 최대 연속 부하 전류를 초과해야 합니다. 전류 요구 사항보다 과도한 헤드룸을 가진 차단기를 선택하면 자본이 낭비되는 반면, 마진이 부족하게 선택하면 차단기 단자와 도체의 열 과부하 위험이 있습니다.
• 운영 의무 및 빈도: 모터 시동, 커패시터 뱅크 스위칭 또는 변압기 전원 공급과 같이 빈번한 스위칭을 포함하는 애플리케이션은 일반적인 부하 차단 임무에 필요한 것 이상으로 진공 차단기 및 메커니즘에 대한 추가 요구 사항을 부과합니다. 이러한 애플리케이션에는 스위칭 작업 중에 생성되는 일시적인 과전압을 제한하기 위해 특별히 선택된 접점 재료, 제어된 스위칭 전략 또는 서지 방지기 또는 사전 삽입 저항기와 같은 서지 억제 장치가 필요할 수 있습니다.
• 환경 및 설치 조건: 기후 제어 환경의 실내 스위치기어는 실외 설치나 습도가 높거나 고도가 높거나 오염이 심하거나 지진 활동이 활발한 장소의 장비와 요구 사항이 다릅니다. 1,000m 이상의 고도에서는 외부 공기 절연의 절연 내력이 감소하므로 정격 전압을 낮추거나 더 높은 전압 등급의 차단기를 선택해야 합니다. 지진이 발생하기 쉬운 지역에 설치하려면 IEEE 693에 따른 내진 인증이 필요할 수 있습니다.
• 보호 및 자동화 인터페이스: 최신 고압 개폐 장치에는 디지털 보호 계전기, 베이 컨트롤러 및 IEC 61850 또는 MODBUS/DNP3 프로토콜을 기반으로 하는 통신 인터페이스가 통합되어 있습니다. 차단기의 보조 접점, 트립 코일 정격 및 투입 코일 사양이 사용 중인 보호 계전기 및 제어 시스템과 호환되는지, 차단기의 작동 시간이 계전기의 작동 시간 조정 요구 사항 내에 있는지 확인하십시오.

서비스 수명과 신뢰성을 극대화하는 유지 관리 방식

고압 진공 회로 차단기는 본질적으로 이전 기술에 비해 유지 관리가 적지만, 지속적으로 안정적인 성능을 보장하고 서비스 오류가 발생하기 전에 발생하는 오류를 감지하려면 구조화된 예방 유지 관리 프로그램이 필수적입니다. 주요 유지 관리 활동에는 메커니즘 연결의 눈금 또는 특수 접촉 이동 측정 도구를 사용하여 진공 차단기의 접촉 간격을 측정하는 것이 포함됩니다. 접촉 간격이 제조업체의 최대 사양을 초과하면 정격 전기 내구성이 소진되기 전에 차단기 교체가 필요할 수 있는 접촉 침식을 나타냅니다.

각 차단기의 진공 무결성은 개방 접점 전체에 적용되는 고전압 유전체 내전압 테스트를 사용하여 주기적으로 확인해야 합니다. 진공 손실은 차단기의 유전체 복구 기능을 감소시키고 이 테스트 중에 플래시오버 또는 크게 감소된 내전압으로 감지됩니다. 메커니즘 윤활 지점은 지정된 윤활 등급을 사용하여 제조업체의 일정에 따라 다시 윤활해야 합니다. 건조되거나 오염된 윤활제는 메커니즘의 느린 작동을 유발하여 차단 성능을 저하시키는 주요 원인이 되기 때문입니다. 보조 접점 정렬 및 닦기, 트립 코일 저항 및 절연, 펌핑 방지 릴레이 기능은 유지보수 방문 시마다 모두 확인해야 합니다. 각 트립 및 폐쇄 작업, 관련 전류 수준 및 관찰된 이상 현상을 기록하는 자세한 작업 로그를 유지하면 누적된 전기 내구성을 정확하게 추적할 수 있으며 정격 수명이 끝나기 전에 차단기 교체 시기에 대한 데이터 기반 결정을 지원할 수 있습니다.