차단기 소호방식

차단기 소호방식

1. 압축분사 소호방식(Puffer Type)
가스차단기 소호방식중의 하나로 평상시 5～6kgf/㎠․G 정도의 가스압력으로 절연을 유지하다가 소호시에 Puffer Cylinder와 Puffer Piston에 의하여 30kgf/㎠․G정도의 가스압력을 상승시켜 소호를 하는 방식으로 압축분사후 가스유동 경로에 따라 단일유동파퍼식, 이중유동 파퍼식, 역유동(Back-Flow)파퍼식으로 나뉜다.

2. Rotary Arc 소호방식
가스차단기 소호방식중의 하나로 차단부내 아크발생부 분에 자계를 발생시켜 플레밍의 왼손법칙에 의한 회전력 으로 아크 Route를 길게 하여 아크저항을 크게 하고 이때 가스를 분사시켜 아크를 냉각하고 전류를 차단하는 방식 이다. 자기아크구동시에는 자력이 강하고 클수록 아크의 회전력은 강해지며, 전류 0점 직전에 아크 구동력을 크게 함으로써 차단성능을 효과적으로 얻을 수 있다. 자력을 얻는 방식에 따라 구동코일 자력식 소호, 영구자석 자력식 소호, 구동코일․영구자석 자력식소호방식이 있다.

3. 열팽창(Thermal Expansion) 소호방식
가스차단기 소호방식의 일종으로 접촉자의 분리로 아크가 발생할 때 아크는 20000℃이상의 고온이기 때문에 아크주변의 가스가 가열되어 열팽창할 때 이 가스를 승압실 내에 가두었다가 가동접촉자가 노즐을 빠져나갈 때 축압된 가스를 아크공간에 내뿜어 아크를 냉각하며 전류를 차단시키는 방식이다.

4. 복합(Hybrid)소호방식
가. 복합(열팽창＋로타리아크)소호방식 전류 차단 시 발생하는 아크에 의한 열팽창과 전자석에 의한 자력발생으로 아크를 회전 구동 아크를 냉각하여 전류를 차단시키는 복합소호 방식이다.
나. 복합(파퍼＋열팽창)소호방식 기존의 파퍼형 소호방식에 열팽창가스를 축압시켜 높은 가스압력으로 아크에 분사시켜 아크를 냉각하여 전류를 차단하는 복합 소호방식이다.

5. 차단방식
차단기에 사용되는 차단방식별 분류는 아래와 같다.

1) 다점절 차단방식
차단기 각상에 직렬로 동작하는 차단점수에 따라 2점 절, 3점절, 4점절이라 하며, 이와 같이 여러 개의 차단점을 만들어 주면 합성 개방속도는 차단점수 만큼 빨라진다. 또재기전압 및 회복전압의 분포가 같으면 아크 주위에 있는 소호매질에 의해 이온 감소작용은 차단점이 한 개일 때보다 합성 개리속도가 빠르고, 큰 차단용량도 얻을 수 있다. 이 경우 각 차단점의 전압분포의 균등화가 중요한 문제가 됨으로 전압분포를 균등화하기 위해 차단점에 병렬로 콘덴서 또는 저항을 설치한다.

2) 소호실형 차단방식
아크 소호를 용이하게 하기 위해 아크를 적당한 모양의 용기 안에 제한해 주는 형태로, 두껍고 강한 절연관속에서 아크가 발생하면 소호매질의 분해가스의 압력이 상승되고 가동접촉자가 소호실내를 빠져 나올 때 가스가 급속히 분출되면서 가스와 아크가 소호실내에서 동요를 일으켜 가압, 치환, 냉각작용으로 소호한다. 축취부형, 팽창형, 차동 피스톤형으로 분류된다.

3) 자기취부형 차단방식
아크에 직각으로 자계를 가해 아크의 길이를 연장하여 좁은 절연물의 틈 사이로 밀어 넣고 냉각작용 및 절연물 벽면에 의한 이온 감소작용등에 의해 소호 하는 방식이다. 10kV이하에서 사용된다.

4) 저항차단방식
다점절 차단방식에서 차단점에 병렬저항을 만들어 먼저 주차단점을 개로하여 전류를 저항으로 흐르게 한 다음 이저항전류를 차단점에서 차단하는 형태로 주 차단점에 걸리는 회복전압을 억제하고 다중절에서 차단점간 전압분포를 균등히 해서 주차단점의 소호를 쉽게 한다.

6. 개폐써지 (Switching surge)
차단기를 개폐할 때 발생하는 과전압을 말하며 과도한 경우 전력계통 절연에 악영향을 준다. 개폐써지의 발생원은 주로 다음과 같다.
◦ 진상소전류차단시 즉 무부하송전선이나 전력용 콘덴서 등을 차단할 때 재점호에 의해 개폐써지를 발생한다.
이 경우 대책으로는 전극의 개리속도를 빠르게 하거 나, 다중차단방식, 저항차단방식 등을 채용한다.
◦ 지상소전류차단 즉 변압기 여자전류, 리액터와 전동기 전류를 차단할 때 교류전류의 자연 0점 이전에 강제적 으로 전류를 재단하는 Arc Chopping현상을 일으키고 이로인해 개폐써지가 발생된다. 이에 대한 대책으로는 콘덴서와 저항을 조합한 Surge억제 피뢰기 등을 설치 함으로서 개폐써지를 흡수할 수 있다.
◦ 무부하선로의 투입 및 재투입 즉 무부하 송전선에 전하가 남아있는 상태일 때 전원측에서 차단기를 투입하면 재점호에 의해 과전압이 발생된다. 이를 투입 써지 라하며 투입써지는 차단시 써지에 비하여 작기 때문에 계통전압이 낮을 때는 문제가 되지 않지만 345kV이상 계통에서는 고려가 된다. 대책으로는 처음에 수백Ω의 저항을 삽입해 투입한 후 주접점을 투입하는 투입저항 방식이 사용된다.

7. Chattering 현상
차단기 투입시 접촉자간 발생하는 진동에 의하여 짧은 시간 동안에 접점의 투입과 개방이 반복되는 현상으로 과전압 발생의 원인이 된다. 소호원리상 판형 접촉자를 사용하는 진공차단기에서 주로 발생한다.

8. 가스유동 해석
가스차단기의 경우 소호가스를 어떻게 효율적으로 이용 하는가에 따라 차단기의 차단성능이 결정되므로, 차단과 정에 있어서 파퍼실린더내 아크 소호후 접점간의 가스를 어떻게 냉각시키며 아크에 의해 가열된 열가스를 어떻게 신속히 배출시킬 것인가를 해석하여 차단기 노즐형상, 아크접점의 형상, 개극속도 등을 결정하게 된다. 가스유동해 석이란 복잡한 차단기 구조내 아크열, 유도전압 등의 영향을 고려한 가스의 흐름을 해석하는 것을 말한다. 차단부 내부의 압력, 밀도, 속도분포, 극간 절연회복특성이 결과로 생성된다.
가스유동해석은 무부하시의 냉가스유동해석과 아크를 포함한 열가스 유동해석으로 구분되며 냉가스 유동해석은 주로 소전류 차단특성을 평가하는데, 열가스유동해석의 결과는 대전류 차단성능을 평가하는데 주로 사용된다. FEM, FVM, FLIC 등의 해석방법이 있고, S/W로는 FEM Code로 FIDAP, FLOTRAN, NEKTOM, 3D-FLUID 가 사용되며 FVM Code로 PHOENICS, FLOW3D, STAR -CD, FLUENT, RAMPANT 등이 이용된다.

9. 차단부 전계해석
차단기의 차단 후에는 복잡한 파형을 갖는 회복전압이 소호실 극간 양단에 인가된다. 이 경우 차단의 성공여부를 예측하기 위해 차단기 내부 극간에 절연가스 밀도변화에 따른 전계해석을 행하여 절연회복특성을 고찰한다. 절연물의 비유전율, 가동부와 고정부의 전압인가조건, 각접점 및 노즐부 형상, 이격거리를 고려하여 전계해석이 수행되어 대지간, 극간, 3중점(절연물, 도체, 절연매질이 만나는 점)에 적용된다.
FEM, FDM, BEM, SCM, CSM등의 해석방법이 있고, S/W로는 FLUX2D/3D, PHI3D, EMSS, Max- well2D/3D, MSC/EMAS, OPERA2D/3D등 이 이용된다.

10. Post-Arc Current
차단기 주접점이 분리되기 시작하면 접점간에 아크가 발생하고 발생한 아크는 주전류가 0이 되기까지 접점사이에 존재하게 된다. 전류 0점에서 아크가 소호 되었다고 가정하면 차단부 접점사이에는 과도회복전압이 인가되기 시작하며 이때 접점사이에 잔류하고 있던 매질의 플라즈마 상태에 의하여 작은 전류가 흐르게 되는데 이를 Post-Arc Current라 한다. 이는 차단부 접점간 매질의 이온화 감쇄율 및 유전적 회복특성을 파악할 수 있게 해준다.

11. 콘덴서리스(Condenserless) 차단기
고전압 대용량 차단기는 근거리선로고장(Short Line Fault) 차단시 전원 측과 선로 측의 전압 차에 의해 과도 회복전압의 초기상승률이 매우 높게되어 차단책무가 매우 가혹하게 된다. 이 가혹한 차단책무를 수행하기 위하여 극간에 콘덴서를 설치하여 과도회복전압의 초기상승률을 저감시키고 있다. 극간 콘덴서의 사용으로 근거리선로고장 차단성능은 향상되나 계기용변압기와 철공진을 일으키고, 모선 측에 유도전압을 발생시키며, 설치면적소요, 콘덴서 사용에 따른 비용증가등의 문제점이 있다. 콘덴서리스 차단기는 접점형상의 변경, 특성개선 등에 의해 콘덴서 없이그 동작책무를 수행할 수 있도록 만든 차단기를 말한다

12. 급준과도전압 (VFTO : Very fast transient overvoltage)
SF 6 가스 절연 변전소에서 개폐기기(특히 단로기)의 조작이나 지락사고 발생시 4～20nS의 상승시간을 갖는 급준과도전압이 발생하면 수MHz정도의 단일주파수진동이 수반된다. 이로 인하여 금속 이물질이 SF 6 가스 중을 이동 중이거나 절연 스페이서 표면에 고착되어 있는 경우 절연 성능에 심각한 영향을 미치며, GIS외부로 접속된 붓싱을 통과한 급준과도전압은 붓싱과 GIS 인입변압기 고전압측 권선에 과도한 전압을 가하여 고장을 초래하거나, 보호계 전기 오동작 등도 발생할 수 있다.
이에 대한 대책으로는
◦ 피뢰기를 사용한다.
◦ 저항부 DS 또는 VFTO 발생을 억제한다.
◦ 중심도체 및 Sheath 내면에 자성체를 코팅하거나, 중심도체에 강자성체의 링을 형성하여 VFTO 전파를 감쇄하거나 억제한다.