KR20210052210A

KR20210052210A - 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기

Info

Publication number: KR20210052210A
Application number: KR1020200118729A
Authority: KR
Inventors: 이율재; 김태윤; 김태진; 나성민
Original assignee: 대호전기 주식회사
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2021-05-10

Abstract

저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기가 개시된다. 본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기는 부스바를 적용한 통상의 가스 절연 부하개폐기에서, 압축 가스 방식의 부스바를 초소형으로 설계하고 상기 부스바에 채워지는 절연 가스의 조성 비율이 질소 70%, 이산화탄소 22 ~ 25%, 아르곤 3 ~ 5 %, 네온 1 ~ 3%으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기는 많은 비용을 들이지 않고서도 절연 내력은 고전압에서 요구되는 수준에는 미달하지만 저압직류의 특성에 요구되는 수준은 크게 상회하는 절연내력을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 종래의 구조를 가진 가스절연 부하개폐기에서 SF6 가스를 친환경 가스로 대체하더라도, 내부의 부스바의 구조를 절연물로 커버할 수 있도록 대체한다.

Description

저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기{Arc cancelation system for LVDC system}

본 발명은 저전압 직류(LVDC: low voltage direct current) 시스템의 아크 소호 차단기에 관한 것으로 더 상세하게는 절연 내력은 고전압에서 요구되는 수준에는 미달하지만 저압직류의 특성에 요구되는 수준은 크게 상회하고 기존 진공밸브를 내장한 고체절연 부하개폐기 모듈을 친환경 가스 압력탱크내에 배치하는 형태를 유지할 수 있는 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기에 관한 것이다.

전력의 수요는 꾸준히 증가하고 있다. 저전압 직류(LVDC: low voltage direct current) 시스템은 이러한 전기 수요중의 하나이다. 일반적으로 LVDC 설치 시스템은 10A 미만의 전류 용량을 가지는 몇 개의 100 V DC 파워서플라이로 이루어진다.

직류 배전은 송전 중의 전압강하 문제를 해결할 적절한 전압승압 기술 수단이 없는 기술적 문제뿐 아니라, 송전 거리가 짧아서 도시 규모의 전력 공급이 어려웠기 때문에 일찌감치 교류 배전에 자리를 빼앗겼지만, 전력 전자 기술의 발전에 따라 DC/DC 컨버터를 통해 전압 변경이 가능해지고, 최근에 컴퓨터나 네트워크 장치 또는 디지털 장치들이 폭발적으로 사용됨에 따라 다시 주목받고 있다.

도 1에는 일반적인 직류 배전 시스템의 구조를 블록도로써 나타내었다. LVDC 배전기술은 직류 부하에 전원을 공급하기 위해 교류 수전에 따른 부하단에서의 변환손실 (AC/DC)를 줄여 계통의 효율을 높이는 기술로 송전급 뿐만 아니라 배전급에서도 새롭게 조명 받고 있다.

직류배전 시스템에서 발생하는 치명적인 위험성중의 하나는 아크 결함(arc fault)이다. 심각한 아크 결함은 케이블들 사이의 느슨한 결합 및 설치상의 불량한 결합에 의하여 유발되는 빈번한 아크 위험성이 된다. 아크 결함은 일반적으로 드물게 발생하고 비정상적인 전류 파형과 함께 나타나는데 전류 진폭을 저하시키는 경향이 있다. 이러한 희귀성으로 인하여 종래의 전류 보호 시스템은 아크 결함을 감지하지 못한다.

아크 결합을 방지하기 위한 차단기들 중의 하나는 ABB (Air blast circuit breaker :공기차단기) 차단기이다. 이는 공기밀도 높여 절연 개방할 때 접촉자가 떨어지면서 발생하는 아크를 10~30 ㎏/㎠ ·g의 강력한 압축공기를 불어 소호하는 차단기로 주로 고압회로에 적용된다. ABB 차단기는 유입차단기처럼 전류의 크기에 의해 소호능력이 변하지 않고 일정한 소호능력을 갖고 있으며, 화재의 위험성이 적고 차단능력이 뛰어나며 유지보수도 용이하나 별도의 압축공기를 위한 컴프레서 등의 부대설비가 필요하며 수천V에서 초고압의 것까지 만들어 진다.

정격전압 72.5kV 차단기는 주로 고속철도·지하철·경전철 변전소에 들어가서 철도계통을 보호 및 유지시켜주는 전력기기로 절연성능이 좋은 SF6(육불화황) 가스를 사용해 왔다. SF6 가스는 전기가 통하지 않게 하는 절연성능과 계통에 고장이 발생할 경우 이를 차단하는 아크소호 성능이 다른 어떤 가스와 비교해 월등하게 뛰어나 각종 전력기기 산업에 주로 사용되어 왔다. 하지만, SF6는 지구온난화 계수가 CO₂(이산화탄소)의 23,900배(CO₂가 지구를 데우는 효과를 1이라고 하면 SF6는 23,900)에 이르고 한번 대기 중에 누출될 경우 3,200년을 존재하면서 지구 대기환경에 악영향을 미친다. 이러한 이유로 1997년 교토의정서에서 지정한 ‘6대 온실가스’에 선정되기도 했으며, IPCC(기후변화에 관한 정부간 패널)이 지정한 지구환경에 가장 악영향을 미치는 가스로 선정되기도 하였다.

진공밸브(Vacuum Interrupter)를 사용하지 않는 기존의 가스절연 고압(1000V-38kV) 부하개폐기의 아크 소호방식은 크게 기계적으로 생성한 압축가스를 이용하는 가스퍼퍼 소호방식과 전자계원리를 이용한 아크슈트 소호방식으로 나뉜다. 가스퍼퍼방식은 도 1과 같이 퍼퍼로 압축가스를 생성하고 개폐기 투입/개방시 고정접점과 가동접점 사이 형성된 아크사이로 압축가스를 고속으로 흘려보내면서 아크를 소호하는 원리이다. 아크슈트방식은 도 2와 같이 개폐기 투입/개방시 고정 및 가동접점 사이의 아크 및 아크슈트에 의해 유도된 전자력과 아크를 분할하는 아크슈트의 원리로 아크를 소호하는 방식이다. 도 2와 같이 전자력에 의해 아크를 아크슈트로 이동시켜고 아크슈트로 진입한 아크는 분할되면서 냉각되고 아크길이가 늘어진다. 분할된 아크의 전압이 시스템 전압보다 커지면서 전류가 영점에 도달하면 아크는 소호되는 원리이다.

가스퍼퍼 아크소호 방식은 가스압력탱크 내에서 절연과 소호매질이 우수한 SF6 가스를 사용하는 가스절연 부하 개폐기에 적용되어 왔고, 아크슈트는 1000V 이하의 저압 교류 차단기 및 가스퍼퍼 아크 소호 방식를 적용할 없는 고속도 직류 차단기에 사용되어오고 있다. 아크슈트의 고압 교류 개폐기적용은 절연내력이 높은 SF6 가스절연 부하개폐기에 한정되어 왔고 기중절연 적용시 고정 및 가동접점 극간 절연거리가 충분히 확보된 기중 차단기에 적용되고 있다.

최근에는 SF6 가스를 사용하지 않고 친환경의 압축가스를 사용하는 기술이 개발되고 있다. 친환경 가스절연 다회로 개폐기 및 차단기에는 접지스위치가 부착되는데, SF6 가스대비 친환경 가스는 절연내력이 낮고 기존 SF6 가스절연 다회로 개폐기 및 차단기와 동일한 탱크 크기를 유지해야 하기 때문에, 건조공기, 질소가스, 혼합 이산화탄소 가스와 같은 친환경 가스가 충전된 탱크 내에서 부스바를 사용하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 이러한 친환경 가스절연 부하개폐기는 40℃를 초과하는 고온에서 절연 내력이 급격히 저하되는 문제가 있다.

본 발명에 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로 고전압 분야에 주로 사용되는 압축 가스 방식의 부스바를 초소형으로 설계하고 LVDC 급 전압에 적용할 때 친환경 가스의 조성을 변경하여 절연 내력은 고전압에서 요구되는 수준에는 미달하지만 저압직류의 특성에 요구되는 수준은 크게 상회하고 기존 진공밸브를 내장한 고체절연 부하개폐기 모듈을 친환경 가스 압력탱크내에 배치하는 형태를 유지하면서 40℃를 초과하는 고온에서 절연 내력이 급격히 저하되는 문제점을 해결하는 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기는 부스바를 적용한 통상의 가스 절연 부하개폐기에서, 절연 가스의 조성 비율이 질소 70%, 이산화탄소 22 ~ 25%, 아르곤 3 ~ 5 %, 네온 1 ~ 3%으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기는 질소, 이산화탄소, 아르곤, 및 네온을 포함하는 가스 조성을 100% 이라 할 때, 헬륨 0.01 ~ 1%을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기는 고전압 분야에 주로 사용되는 압축 가스 방식의 부스바를 초소형으로 설계하고 LVDC 급 전압에 적용할 때 친환경 가스의 조성을 변경하여 종래와 초소형의 사이즈를 가지는 가스절연 부하개폐기의 탱크 내에서도 일정 수준 미만으로 절연성능은 저하되지만 종래의 구조를 가진 가스절연 부하개폐기에서 SF6 가스를 친환경 가스로 대체하더라도, 내부의 부스바의 구조를 절연물로 커버할 수 있도록 대체함으로써, 많은 비용을 들이지 않고서도 절연 내력은 고전압에서 요구되는 수준에는 미달하지만 저압직류의 특성에 요구되는 수준은 크게 상회하는 절연내력을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 직류 배전 시스템의 구조를 나타낸 블록도,
도 2는 종래의 가스퍼퍼방식을 적용한 아크 소호의 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래의 아크 슈트 방식으로 아크 소호하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기에 적용되는 가스절연 부하개폐기의 부스바 구조를 도시한 사시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2에 도시한 바와 같은 종래의 가스퍼퍼방식을 적용한 아크 소호는 소호성가스를 포함하는 접지탱크와, 접지탱크에 결합 및 분리가능하게 설치된 한 쌍의 가동 및 고정주 접촉자와; 상기 가동주접촉자를 운반하는 퍼퍼실린더, 퍼퍼실린더에 의해 운반되는 절연노즐을 포함하여 이루어진다. 도 3에 도시한 바와 같은 종래의 아크 슈트 방식을 적용한 배선용 차단기는 크게 전원측과 부하측과의 연결을 이룰 수 있는 단자부와, 고정단자와, 가동단자가 기구적으로 접촉할 수 있도록 개폐를 시켜주는 기구부, 및 전원측에서 과전류 또는 단락전류를 감지하여 기구부의 트립 동작을 유도하는 트립부 및 접점 개리시에 발생하는 아크가 접점 근처에 뿜어지는 것을 방지하기 위해 아크를 가두어 넣고, 그 에너지를 소산시키도록 내열, 내아크성 재료로 만들어지는 아크슈트가 구비된다. 본 발명에서는 도 2에 도시한 바와 같은 압축 가스 기반의 가스퍼퍼 방식과 관련되며 초고압이 아닌 LVDC 배전급 전압을 지원하는 소형의 가스 퍼퍼 방식을 적용한 기술과 관련된다.

본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기는 부스바를 적용한 가스 절연 부하개폐기에서 압축 가스 방식의 부스바를 초소형으로 설계하고 상기 부스바에 채워지는 가스는 기존의 SF6 가스를 질소 70%, 이산화탄소 22 ~ 25%, 아르곤 3 ~ 5 %, 네온 1 ~ 3%으로 이루어진 가스로 대체한다. 본 명세서에 기재된 조성 비율은 부피 비율이다. 또한, 본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기에 적용되는 가스절연 부하개폐기의 부스바 구조는 도 3에 도시한 바와 같고 그 크기는 고전압용에 비하여 적어도 50분의 1 내지 100분의 1 정도의 초소형으로 제작한다.

공기중에는 질소 78%, 이산화탄소 21% 기타 가스(알곤,헬륨 등등 1% 내외)가 존재하는데 본 발명에서는 공기중에 존재하는 질소의 조성 비율보다 낮은 70%로 줄이고 이산화탄소는 22 ~ 25% 범위를 유지하면서 불활성 가스 중에서 아르곤을 3 ~ 5 %, 네온을 1 ~ 3%으로 이루어진 가스로 대체한다.

[실시예 1]

가스절연 부하개폐기, 3상의 개폐기 연결 부스바, 가스절연 부하개폐기의 하단 고정접점에 연결되는 3상의 부싱 연결 부스바, 접지접점 부스바, 및 접지부싱 부스바를 포함하여 이루어지는 통상의 가스절연 부하개폐기에서 그 가스 조성은,

질소 70%, 이산화탄소 25%, 아르곤 3%, 네온 2%

[실시예 2]

질소 70%, 이산화탄소 22%, 아르곤 5%, 네온 3%

[실시예 3]

질소 70%, 이산화탄소 25%, 아르곤 3%, 네온 1%, 헬륨 1%

[실시예 4]

질소 70%, 이산화탄소 22%, 아르곤 3%, 네온 2%, 헬륨 1%

[비교예 1]

질소 70%, 이산화탄소 30%

[비교예 2]

질소 70%, 이산화탄소 20%, 아르곤 10%

[비교예 3]

질소 70%, 이산화탄소 20%, 아르곤 5%, 네온 3%, 헬륨 2%

[비교예 4]

질소 70%, 이산화탄소 20%, 네온 5%, 헬륨 5%

상기와 같이 대체된 절연 가스로 이루어진 가스절연 부하개폐기에서 25℃의 상온에서 가스 조성별 절연 내력을 비교 평가하였다. 절연체의 절연내력을 측정하는 방법은 일정한 규격의 측정 시편을 제조하고 복수개의 전극 사이의 매입 금구에 상기 측정 시편을 장착하고 상기 전극에서 상기 측정 시편으로 전압을 인가하여 상기 측정 시편에서 절연파괴가 일어나는 전압을 측정하였다. LVDC 배전 전압은 DC 1500 [V] (mono-popar, 단극성)을 적용하였다. SF6 가스를 적용한 경우의 절연 내력을 100 이라 할 때, 실시예들 및 비교예들에서의 절연 내력을 평가하였다.

먼저, 상온인 25℃에서의 절연 내력을 비교 평가한 결과는 아래의 표 1과 같다.

	실시예	비교예
온도	25℃	25℃
절연내력	실시예 1 : 98% 실시예 2 : 98% 실시예 3 : 98% 실시예 4 : 98%	비교예 1 : 94% 비교예 2 : 95% 비교예 3 : 92% 비교예 4 : 88%

표 1을 참조하면, 상온에서의 절연 내력 비교 평가 결과는, 질소와 이산화탄소를 각각 질소 70%, 이산화탄소 30%의 비율로 혼합한 비교예 1과, 질소 70%, 이산화탄소 20%, 및 아르곤 10%의 비율로 혼합한 비교예 2의 경우에는 절연 내력이 각각 94%와 95%로 나타났으나 실시예 1 및 실시예 2의 경우에는 98%를 유지함으로써 상대적으로 높은 절연 내력을 나타내었다. 따라서, 아르곤과 네온이 일정 비율을 유지하는 범위내에서 절연 내력이 우수하게 나타나며 아르온과 네온이 전혀 혼합되지 않은 비교예 1의 경우에 비해서 상당한 차이를 나타내었고, 아르곤이 10%로 과다 혼합되고 네온이 혼합되지 않은 비교예 2의 경우도 실시예와는 상당한 차이를 나타내고 있다.

다음으로, 고온인 60℃에서의 절연 내력을 비교 평가한 결과는 아래의 표 2와 같다.

	실시예	비교예
온도	60℃	60℃
절연내력	실시예 1 : 96% 실시예 2 : 96% 실시예 3 : 98% 실시예 4 : 98%	비교예 1 : 94% 비교예 2 : 95% 비교예 3 : 92% 비교예 4 : 88%

표 2를 참조하면, 고온에서의 절연 내력 비교 평가 결과는 헬륨이 혼합되지 않은 실시예 1 및 실시예 2의 경우에 96% 정도로 유의차 있게 감소하였으나, 질소, 이산화탄소, 아르곤, 및 네온을 포함하는 가스 조성을 100% 이라 할 때, 헬륨 1%을 더 포함시킨 실시예 3 및 실시예 4의 경우에는 98%를 유지하였다. 하지만, 헬륨을 2%와 5%로 과다하게 혼합한 비교예 3 및 4의 경우에는 상온 및 고온에서 각각 92%와 88%로 급격하게 저하되는 것으로 나타냈다.

위의 실시예에서와 같이 질소가 70%인 상태에서 이산화탄소는 20%는 초과하되 25%는 초과하지 않는 범위, 바람직하게는 22 ~ 25%를 유지하고, 아르곤을 3 ~ 5 %, 네온 1 ~ 3%로 설정하면 절연 내력이 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한, 질소, 이산화탄소, 아르곤, 및 네온을 포함하는 가스 조성을 100% 이라 할 때, 헬륨 1%을 더 포함시킨 실시예 3 및 실시예 4의 경우에는 98%를 유지한 것으로 나타남으로써 헬륨 추가에 의한 고온에서의 절연 내력이 저하 방지 효과가 있음을 알 수 있다.

이상의 비교 평가 결과로부터 본 발명에 따른 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기는 고전압 분야에 주로 사용되는 압축 가스 방식의 부스바를 초소형으로 설계하고 상기 부스바에 채워지는 절연 가스의 조성 비율이 질소 70%, 이산화탄소 22 ~ 25%, 아르곤 3 ~ 5 %, 네온 1 ~ 3%으로 이루어지도록 하여 LVDC 급 전압에 적용할 때 친환경 가스의 조성을 변경하여 절연 내력은 고전압에서 요구되는 수준에는 미달하지만 저압직류의 특성에 요구되는 수준은 크게 상회하고 LVDC 배전급의 전압 범위에서 질소와 이산화탄소만을 적용한 것에 비하여 SF6 가스 대비 미소한 정도의 절연 내력 저하만 있는 것으로 나타남으로써 초소형의 사이즈를 가지는 가스절연 부하개폐기의 탱크 내에서도 미소한 수준으로 절연성능은 저하되지만 종래의 구조를 가진 가스절연 부하개폐기에서 SF6 가스를 친환경 가스로 대체하더라도, 내부의 부스바의 구조를 절연물로 커버할 수 있도록 대체함으로써, 많은 비용을 들이지 않고서도 절연 내력은 일정 부분 감소되지만 저압직류의 특성에 요구되는 수준을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고온에서의 절연 내력 저하도 개선된다.

Claims

부스바를 적용한 통상의 가스 절연 부하개폐기에서,
압축 가스 방식의 부스바를 초소형으로 설계하고 상기 부스바에 채워지는 절연 가스의 조성 비율이 질소 70%, 이산화탄소 22 ~ 25%, 아르곤 3 ~ 5 %, 네온 1 ~ 3%으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기.
제1항에 있어서, 질소, 이산화탄소, 아르곤, 및 네온을 포함하는 가스 조성을 100% 이라 할 때, 헬륨 0.5 ~ 1%을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 직류 시스템의 아크 소호 차단기.