차단기 차단원리

가스절연개폐장치 (GIS : Gas Insulated switchgear)

금속용기(Enclosure)내에 모선 및 개폐장치, 변성기, 피뢰기등을 내장시키고 절연 및 소호특성이 우수한 SF 6 가스로 충진, 밀폐하여 절연을 유지시키는 종합 개폐장치로 1966년 프랑스 EDF의 변전소에 최초로 사용된 이래 22kV 급에서 1200kV급까지 환경조화 및 신뢰성이 요구되는 변전소에 주로 사용되고 있다.

1) 장점으로는
◦ 절연거리축소로 설치면적이 적어진다
◦ 조작중 소음이 작고 전기적 충격 및 화재 위험이 적다.
◦ 주위 환경과 조화를 이룰 수 있다.
◦ 부분공장조립이 가능하여 설치공기가 단축 된다.
◦ 절연물, 접촉자 등이 SF 6 가스 내에 설치되어 보수, 점검 주기가 길어진다.

2) 단점으로는,
◦ 단로기 등의 조작시 발생하는 VFTO(Very Fast Transient Overvoltage)현상에 대한 대책이 필요하다.
◦ GIS내 혼입금속(Particle)에 의한 절연성능의 저하 가능성이 크므로 이에 대한 대책이 필요하다.
◦ 기밀구조 유지 및 수분관리가 필요하다.
◦ 구성기기의 고장발생시 고장파급 범위가 넓고 복구에 장시간이 걸린다.

가스절연개폐장치 종류

1.  Hybrid GIS
차단기, 단로기 등의 개폐기와 모선, 계기용 변성기 및피뢰기 등을 SF 6 가스로 절연된 밀폐 금속 용기 내에 장치한 Unit(GIS)와 변압기간을 내장모선, 지지모선 또는 케이블 등으로 연결시켜 공기절연형(AIS)과 가스절연형 (GIS)을 복합화 한 변전소 형식으로서 이 형식에서는 피뢰기나 계기용 변압기 등 일부 기기를 GIS 내장형(탱크 형)이 아닌 애관형으로 설치하는 경우도 있다. 이 형식은 현재 국내 345kV변전소에 주로 적용하고 있다.

2.  Full GIS
차단기, 단로기 등의 개폐기와 모선, 계기용 변성기 및피뢰기 등을 SF 6 가스로 절연된 밀폐금속 용기 내에 장치한 Unit(GIS)와 변압기간을 SF 6 가스로 절연된 모선(GIB) 으로 연결시키며 송전선 인입 전단의 붓싱을 제외하고는 활선 부분 노출이 없는 형식의 변전소로서 옥외 Hybrid GIS형 변전소에 비해 다음과 같은 특징이 있다.
1) 인입철구 부분 이외에는 구내에서 공기절연거리의 확보가 필요 없으므로 옥외 Hybrid GIS형에 비해 소요
면적이 더욱 축소된 Compact형 변전소이다.
2) 충전부가 모두 SF 6 Gas로 절연된 Tank내에 내장되어 있으므로 감전에 대한 위험이 거의 없다.
3) 설치면적이 축소되어 용지비 및 토목공사비는 상당히 절약되지만 자재비가 매우 고가이다.

3. Cubicle형 GIS
GIS는 정격가스압력이 0.5kgf/㎠․G 정도의 압력을 가진 Enclosure내에 모선, 차단기, 단로기, 변성기, 접지장치, 피뢰기 등을 넣은 배전용 종합개폐장치로 MCSG(Metal Clad Switch Gear)를 대체하여 사용되고 있으며 25.8kV GIS 또는 MV(Medium Voltage) GIS로도 불려진다.

GIS의 기본 Feeder구성은 차단기와 모선용 단로기만으로 구성되어 있으며 GIS와 달리 접지 개폐기가 생략되는 대신 모선 단로기에 접지연결이 가능 하도록 3단개폐기를 채용하고 있다.

4. 친환경개폐장치
친환경절연 개폐장치는 SF 6 GAS 사용량 감축을 위해 도입되었으며, 25.8kV 친환경절연 개폐장치의 절연매질은 고체절연, Dry Air, N 2 GAS가 선정되어 제작사별 개발이 시작되었다.
SIS는 SF 6 gasless화로 친환경성 제고를 위해 개발한 Epoxy 고체절연방식 개폐장치이다 차단기, 단로기, 접지 개폐기 등을 일체화시킨 고압폐쇄배전반으로 각 구성 부품의 Module 설계를 통해 고체절연 주회로 모선 구조를 실현하였다 SIS는 개발도면 승인 전 내부 절연물 자체 신뢰성 시험을 우선 시행하였고, 조작회로는 IEC 61850에 따른감시, 제어, 계측, 보호가 가능한 IED(Intelligent Electronic Device) 기술을 적용하여 제어케이블 포설을 최소화 하였으며, 설비 예방진단을 위한부분방전센서를 필수적으로 적용하였다.
SIS는 기존 Switchgear의 차단부 구동 Mechanism인 Spring Charging의 방식에서 벗어나, 현재 여러Global 업체에서 개발 또는 적용 중에 있는 Electromagnetic 방식 중 하나인 PMA (Permanent Magnet Actuator) Mechanism을 적용하여 기존 Mechanism보다 약 80% 이상 부품 수를 감소 시켰고, VI와의 이상적인 조합으로 인해 기계적, 전기적 특성을 향상시켰다.

고체절연물 특성

구 분	XLPE	테프론	에폭시 (무충전)	에폭시 (실리카충전
체적저항율(Ω㎝)	10 16 이상	>10 18	0 12 ~10 17	10 13 ~10 16
비유전율	2.2~2.6	2.0	3.5~5.0	3.2~4.5
절연내력	43	17~19	12~20	12~22
Tan δ (×10 -4 )	2~10	<2	20~100	80~300

5. Duresca
케이블이나 동대로서는 대전류 연결모선의 도체로 사용이 불가능한 개소에 사용되는 Busbar Connection System 으로 도체는 원통형의 합금알미늄 Tube나 동봉으로 구성 되며 절연층은 Epoxy Resin과 함께 진공함침후 건조된 절연지로 구성되고 그외층에 접지층, 최외층에는 합성물 질로 만든 주름진 보호층으로 구성되어 있다. 변압기 2차측과 25.8kV GIS연결부분에 사용된다.

6. 3단개폐기 (3-Way Switch)
25.8kV GIS내에서 단로기와 접지개폐기의 기능을 동시에 수행하기 위하여 폐로-개로-접지의 3단계 동작 가능한 개폐기를 말한다.

차단기 차단원리

1. 소호(Arc extinction)
소호란 전류차단시 차단기 접촉자간에 발생한 아크의 차단을 말한다. 아크를 소호하기 위해서는 아크의 저항을 크게하여 아크기둥의 입력을 억제하거나, 열 발산을 충분히 하여 아크의 에너지를 감소하고 냉각해서 온도를 내리면 된다. 따라서 차단기에 사용되는 소호방식으로는 냉각 소호, 확산소호, 가압소호, 벽면효과소호 등이 이용된다.
가. 냉각소호 Arc에 의해 전리된 Gas의 도전율을 냉각함으로써 억제 하고, Arc 소멸후의 절연회복을 좋게 한다.
나. 확산소호
Arc로 인해 발생하는 금속 증기를 그 주위의 이온 밀도가 낮은 부분으로 확산시켜 증기 밀도를 감소시킨다.
다. 가압소호 Arc주위의 소호매질 압력을 높임으로써 열전도에 대한 냉각효과를 강하게 하고 또한 소호매질의 절연내력을 높인다.
라. 치환소호 Arc발생시 새로운 매질을 불어넣어 전극간 새로운 매질로 치환해 절연내력을 높인다.
마. 벽면효과소호
Arc를 절연물의 좁은틈에 억지로 넣으면 비교적 온도가 낮은 절연물 표면에서 이온이나 중화가 이루어져 절연이 회복된다.

2. 아크(Arc)
아크란 개폐기의 양 접촉자 개폐시 접촉자간의 절연내 력이 파괴되면서 발생하는 방전상태를 말한다.
전류 차단 시에 발생하는 아크의 온도는 400[°K]에서 22000[°K]이며 이로인해 주위의 온도가 매우 상승되므로 모든 물질이 용융되고 증기화 된다. 개폐기의 개로시와 폐로시 아크발생을 비교하면, 가. 폐로시 아크생성 폐로시 개폐기 양접촉자간 전계E는 전압 V, 거리 D의값 즉, E＝V/D가 접촉자간 절연매질의 절연강도 이상이될 때 방전이 시작된다. 이때 발생되는 방전의 형태는 접촉자간의 전압, 폐로 속도, 회로정수등에 따라 다른데 선로의 전류가 극히 적거나, 회로의 임피던스가 클 때 글로우 방전만이 발생된 상태에서 접촉자의 폐로가 완료되며, 접촉자 손상으로 선행아크가 발생하여 이상전압 발생의 원인이 되는 경우도 있다.
나. 개로시 아크발생 폐로 상태에 있는 접촉자를 개방할 때 선로의 전압이 접촉자의 조건, 개로 거리, 전류의 크기 등에 따라 어느 한계치 이상이 되면 접촉자간에 방전이 발생하며 대부분의 경우 아크방전으로 발전된다.

3. 재점호(Restriking)
교류회로를 차단하는 경우 접점개리에 의해 아크가 발생하며 접점간격이 증가됨에 따라 아크가 퍼지게 된다. 반주기마다 전류는 0이 되므로 아크는 순간적으로 소멸되나 접점간에 다수의 이온이 남아 있어 절연이 회복되지 못하고 전류 0점 직후 접점간의 전압 때문에 아크가 발생한다.
이와 같이 전류 0점 통과후 절연을 회복하지 못하고 다시 아크를 발생시키는 현상을 재점호라고 하며 열적 재점호, 냉적 재점호로 분류된다.

4. 영점추이현상 (Zero missing phenomenon Non-zero crossing phenomenon)
대용량의 발, 변전소 근처에 고장이 일어났을 때 매우큰 비대칭적인 전류가 흐르는데 낮은 저항을 가진 선로에 서는 DC성분의 시간상수가 AC성분과 달라져 고장발생후 몇 Cycle까지 전류를 끊지 못하는 현상이 일어난다.
차단기는 전류가 0점을 지날 때 차단을 할 수 있는데 정전용량에 의한 (+)값과 정전유도에 의한 (-)값에 의하여 비대칭적인 전류가 흐를 때 몇 Cycle동안 전류 0점이 발생하지 않기 때문에 일어나는 현상이다.

5. 전류재단현상(Current chopping)
소전류 차단시 강력한 소호능력을 가진 차단기가 AC전류 0점 이전에 갑자기 전류를 차단하는 경우에 나타나는 현상으로 차단 후 과전압 발생의 원인이 된다. 이때 과전 압의 크기는 재단전류 (Chopping Current)와 부하의 Capacitance 및 Inductance에 의하여 결정된다.

6. 다중재점호현상(Multiple reignition)
차단시 전류가 0이 되면 차단기 양측 기전력은 회로의 Inductance와 Capacitance에 의하여 각각 진동하게 되는데 이 전압의 차이가 회복전압이다. 이때 회복전압의 크기는 전원 측의 경우 일정한 전원이므로 주로 부하 측에서 전압진동이 발생하므로 회복전압도 진동하게 된다.
이 회복전압이 어느 순간 절연강도보다 상승할 경우 재점호 되며 차단기 양극사이의 전압이 중첩됨으로 고주파 다중 재점호 현상이 발생하여 과전압이 발생되는 현상이 다. 이는 개극직후 접점간격이 상당히 협소하기 때문에 별로 높지 않은 재기전압에도 방전하기 때문이다.

7. 지상소전류차단 (Interruption of small inductive currents)
無負荷변압기, 리액터, 보상권선 등의 전류를 차단할 때발생하며, 대전류일 경우에는 아크에너지가 대류에 의해 서만 이동되기 때문에 아크전압은 거의 일정하나 소전류 에서는 냉각시스템에서의 아크회전과 변화에 따라서 아크 전압은 증가하게 된다. 이에 따라 전류 0점이 되면 아크전 류는 진동하게되고, 고주파진동으로 Current Chopping현 상이 일어나게 된다.
Current Chopping현상에 의하여 차단기에는 과전압이 발생하는데 이 과전압에 의하여 차단기 극간이 충분히 개극되지 못한 경우 전류 재단과 재점호가 반복되고 그때마다 과전압이 발생하게 된다.

8. 충전전류 차단(Interruption of capacitive current)
충전전류는 콘덴서 또는 케이블, 무부하 가공송전선로를 차단할 때 발생하며, 낮은 값의 충전전류를 차단할 때 Current Chopping현상이 발생되어 과전압을 발생하기도 하지만 이는 주된 현상은 아니다.
충전전류차단후 부하측 Capacitance에는 상용주파전압의 최대 값이 인가되며, 전원측에는 인가전압크기로 진동 하게 되는데, 이 전압차에 의해 차단기 극간에 정격전압 크기 2배이상의 높은 전압이 인가된다. 만일 차단기가 이전압을 견디지 못하면 재점호가 발생되고 재점호 이후에 차단기에 흐르는 과도 전류는 정격주파수보다 높고 재점호 과정에서 다시 차단될 수 있다. 재차단후에는 부하 측에 같은 과정에 의한 전압이 인가되고 전원 측은 정격전 압으로 회복되어 차단기 극간에는 매우 높은 차전압이 인가되어 재점호 또는 차단실패등을 일으킨다. 대책으로는 재점호 발생을 억제하기 위하여 개극속도를 빨리 하거나, 콘덴서 잔류전하를 방전시키기 위한 저항 차단방식의 차단기를 채택하는 방법 등이 있다.

9. 탈조차단(Out of phase switching)
계통이 서로 연계되어 커지게 되면 차단기의 양측에 전원이 있는 경우 차단기의 양측 전원이 동기이탈(탈조)을 일으킨 상태에서 계통분리를 하고자 하면 통상의 단락 차단 보다도 훨씬 큰 회복전압을 발생하게 된다. 이 경우 높은 전류를 높은 회복전압 아래에서 차단하지 않으면 안 되는 매우 가혹한 차단 조건이 된다. 따라서 차단성능이 뛰어난 가스차단기 또는 진공차단기 등을 적용할 필요가 있다.

10. 근거리선로고장(Short line fault)
차단기로부터 비교적 근거리(2～3km이내)에서 발생한 고장의 경우 고장전류 차단 후 차단기와 고장점사이에 왕복 전위진동이 발생하여 급준 과도회복전압의 발생으로 차단기 극간 아크소호가 매우 어려운 고장 형태이 다. 아크소호시의 절연성능회복 성능과 관계되는 단자간단락 고장(BTF)과 비교하여 아크내 열적 회복성능과 관계된다.
대책으로는 아크로 분사되는 가스유속을 높여 냉각능력의 향상과 효율적인 열가스 배출을 촉진시키기 위해 차단 속도의 고속화, 노즐형상의 개량, 파퍼실린더 직경의 최적화 등을 채용하여 성능을 개선한다.

11. 단자간단락고장(Bus terminal fault)
차단기의 부하 단자에서 일어난 단자단락고장을 말하며 계통의 단락고장중 가장 가혹한 조건이 된다. 큰 고장전류로 인한 차단부내 절연성능의 회복여부가 차단 성공여부와 관련된다. 대책으로는 내전압성능의 향상을 위하여 차단속도의 고속화, 소호가스압력의 증대, 아크접점 형상의 개량 등이 이용된다.

12. 회복전압(Recovery voltage)
회복전압이란 차단직후 양단자간 또는 차단점간에 나타 나는 전압을 말하며 단락고장 차단시 [그림 21]처럼 2가지 성분으로 나타난다.
한가지는 전류 차단직후에 나타나는 과도회복전압(Transient recovery voltage)이고 다른 하나는 TRV진동이 진정된 후 상용주파수와 같이 진동하는 상용주파회복전압 (PFRV, Power frequency recovery voltage)이다.
TRV는 차단기 차단능력에 직접적으로 영향을 주며 PFRV는 회로조건과 고장조건에 따라 다르며 TRV진동의 중심을 결정하기 때문에 중요하다.

13. 과도회복전압(Transient recovery voltage)
과도회복전압이란 차단기 차단직후 접촉자간에 발생하는 과도 자연 진동을 말하며 차단기의 차단능력을 측정하는 중요한 요소로 작용한다.
TRV의 크기와 파형은 계통전압, 계통구성, 설비상수, 차단기 설치위치, 고장전류 등에 따라 변하며 정격 과도회복 전압은 차단기 정격차단전류 또는 그 이하의 전류를 차단할 때 부과될 수 있는 고유 회복전압의 한도로서 2 Parameter 법과 4 Parameter법의 규약치로 표시한다.

14. ITRV(Initial transient recovery voltage)
차단기 용량증대와 차단기 차단능력 향상을 위해서는 더욱 자세한 TRV의 측정이 필요한데 차단기 종류에 따른 차단능력에 특별히 영향을 주는 ITRV는 열적파괴특성에 상당한 영향을 준다.
차단기와 고장점간 소폭 전압진동에 의하여 정해지는 ITRV는 SLF현상과 유사하지만 최대값은 SLF 값보다 낮고 전류 0점으로부터 최대 값에 이르는 시간은 1㎲ 이내이다.

15. 고유회복전압
전로(電路)의 1점에서 그 전로(電路)의 정현파 교류가 자연 0점에서 아크를 발생하지 않고 차단되거나, 전로(電 路)의 과도현상 특성에 영향을 주지 않고 차단되었을 경우의 회복전압을 고유회복전압이라 한다. 3상 회로일 때최초 차단된 상의 동상(同相) 단자간의 값으로 나타낸다.

16. 회복전압상승률(Rate-of-rise of recovery voltage)
회복전압의 시간적 증가율을 말한다. 회복전압 규약상 승률이란 단일주파수의 과도성분만을 가진 회복전압에 있어서의 규약된 방법에 의하여 구해지는 회복전압 상승률을 말하고 [kV/㎲] 또는 [GV/㎲]를 단위로 표시한다