2.1. 주회로 차단기 시스템 구조 및 동작원리

주회로 차단기는 고압부(상부), 절연부(중간부) 및 전기공압 기계장치와 저압부(하부)으로 크게 3개의 부분으로 이루어진다. 그림 1은 주회로 차단기의 전기, 공압부를 보여준다. 고압부는 전동차 지붕에 설치되어 있으며 전기적 아크 및 외부 환경으로부터 보호를 위한 방수구조인 진공 스위치 튜브로 구성된다. 절연부는 수직적으로 설치된 절연체로 고압회로를 지지하며 베이스 프레임에 고정되어 접지와 고압회로 사이에 절연시키는 기능을 한다. 전기, 공압 장치 및 저압부는 이동성이 있는 접촉기를 움직이는 기능을 하며 베이스 프레임 하부에 위치한다.⁽³⁾ 표 1은 주회로 차단기의 사용환경 조건이며, 외기온도가 –25℃~ 40℃ 이내에서 정상적으로 동작해야 한다

그림. 1. MCB 구조

Fig. 1. MCB architecture

2.2. 동작 시퀀스 및 시퀀스 측정^(1,4)

그림 2는 주 컨텍터(HV)와 컨텍터 압력 장치(BR)의 시간에 대한 동작 곡선을 나타낸다. 동작에 따른 주요 특성을 파악하기 위해 Closing time, Contact pressure time, Bounce main contact time, Opening time을 측정한다. 특히 동작 시퀀스 진행 중에 MCB 동작 실패는 Closing time인 2-3 구간에서 동작값이 없는 경우이다.

2.3. MCB 동작 실패 일례

신분당선은 개통 후 2011년 11월 ~ 2012년 3월 동절기 기간 동안 MCB 동작 실패가 7회 발생하였다. MCB 동작 실패를 한 EMU 차량은 모두 전일 운행을 종료하고 유치선에 주박 후 당일 최초 기동 시 외기온도 –1℃ ~ -11℃ 일 때 발생하였다. MCB의 사용온도 요구조건은 –25℃ ~ +40℃로 MCB 동작 실패는 사용온도 요구조건이 아닌 다른 요인으로 예측되어 다양한 실험조건과 가설을 수립하였다.

그림. 2. 주 컨텍터와 컨텍터 압력장치의 시간 동작 곡선

Fig. 2. Time behavior curve of main contactor and contactor pressure device

U : BR 스트로크 (20mm)

S : New 컨텍터들 사이의 거리(16mm)

Vc : Closing 속도 (0.9m/s 이하)

Vo : Opening 속도 (1.4m/s 이하)

2.4. MCB 동작 실패 가설 및 가설검증

외기온도 저하 시 동작 실패 원인에 대한 가설을 다음과 같이 3가지를 수립하였다.

① EV를 제어하는 Control Unit(CMDE)이 온도변화에 따른 성능저하로 EV Coil에 인가되는 전압 부족으로 인한 동작 불량 발생

② MCB 벨브와 기계적으로 연결된 Limit Bouncing Mechanism(TR)의 온도저하에 따른 기계적 구조에서 간섭으로 인한 동작 불량 발생⁽³⁾

③ EV 내부에 압축공기에 포함된 수분과 미세 이물질이 동결되면서 간섭으로 EV 동작 불량 발생⁽⁵⁾

상기 가설에 대한 MCB 동작시험을 수행하였다. 가설 ①에 대한 현차 시험 그림 3(b)와 같이 –7℃~ -11℃ 환경에서 MCB Control 입력전압(Vb) 으로 DC 96V를 인가 후 MCB 투입 명령 시, EV Coil에 입력전압은 계산 값 12.84V, 측정값 13V로 정상이지만 실제 EV가 작동되지 않은 것을 확인하였다.

가설 ②에 대한 시험은 가설 ①과 ③에 대한 시험 종료후 가설 ②에 대한 시험을 시행하였으며, 10회 동작 시 절연로드의 수직운동 부분 등에서 걸림이나 이상음이 발생하지 않고 원활히 동작하였다. 가설 ③에 대한 시험은 그림 3(b)의 분해상태에서 압축공기 생성, 공기 이동 배관의 연결구조 등을 조사하여 배관 내부의 결로현상으로 인한 물 발생을 현차에서 확인하였으나, EV밸브 분해를 위한 작업에 의해 얼음의 잔여물은 미소량이 확인되었으나 직접적인 결빙 현상은 확인이 불가하였다. 그림 3(c)는 챔버 시험 결과로 –25℃ 상태에서 정상 동작을 보여주고 있다

2.5. 가설 시험 결과

가설에 대한 현차 시험과 챔버 시험에서와 다른 조건은 챔버 시험에서는 압축공기 배관내 결로가 없는 –25℃상태에서 정상 동작하였다. 가설 ①에 대한 현차 시험 시 EV 코일에는 정상적인 전압이 인가되었으나 EV 밸브는 동작하지 않았다. 가설 ③에 대한 시험결과 EV 밸브 부분의 결로가 확인되었으며, 장시간 영하의 기온에 노출되어 EV 밸브 부분이 결빙되어 투입불량이 발생한 것으로 보인다⁽⁵⁾

결빙원인은 MCB 동작용 압축공기는 주공기 압축기에서 상시 공급하여 운행 종료시 기동 정지 후 25L Reservoir에 8.5[Kgf/cm²] 압력으로 유지하고 있는 압축공기를 전동차 기동 시에 사용하게 된다. 전동차가 운행종료 후 유치선에 주박하게 되면 Key Off상태에서 각종 공기 배관, 공압 제동 장치 등에서 미세한 공기누설로 4시간 이상 경과 후 기동시에는 압력저하로 보조공기압축기가 동작하여 고온 고압의 공기를 충기하게 되어 결빙현상은 나타나지 않고 있다.

신분당선 무인시스템 전동차의 경우 무인으로 기동하는 Wake-up명령 시퀀스에 따라 1차에 기동이 성공할 수 있도록 팬터그래프 및 MCB 동작용 공기통에 역지변을 설치하였다. 전동차가 기동하고 있는 동안에 주 공기압축기에서 충기한 공기로 전동차 정지(Key Off)상태에서 4시간 정도경과후 기동 시 신속히 팬터그래프와 MCB를 동작시키도록 구성하였다. 따라서 기동 시 보조 공기압축기가 대부분 동작하지 않음에 따라 동작 시간은 단축되었다. 그러나 고온고압의 압축공기는 시간이 지남에 따라 외기온도와 같이 온도가 변하게 되며, 배관 내에서 온도가 저하되면서 결로가 발생하고, 겨울철 외기온도 저하 시 장시간 정체되어있는 압축공기에서 결로에의한 수분과 이물질이 MCB 공기탱크 및 EV 밸브 부위에 결빙되고, 이로 인해 동작 불량이 발생하였다.

2.6. 개선된 MCB 동작 방안 및 시험

시험결과 압축공기의 결로에 의한 결빙이 동작 불량 원인으로 이를 해결하기 위해서는 동절기에는 MCB 내부의 Air Tank와 Pressure regulator 내 공기를 배출시켜 수분이 남아 있지 않도록 하여야 하나, 실제 운영 상태에서는 별도의 작업시간이 필요함으로 채택이 어렵다. 따라서 기계적, 공압적으로 해결하기에는 기동 시퀀스 문제 및 비용이 증가하게 된다. 최적의 해결방안으로 전기적인 해결방법을 대책으로 제시하였다. 동작불량 원인은 EV 밸브 부위의 결빙 현상으로 결빙 시에도 원활한 동작을 할 수 있도록 EV 밸브 동작용 코일의 동작 전압 및 전류를 증가시켜 밸브 동작을 강화하였다. MCB 제어보드 내의 저항을 EV 코일의 최대 허용전압 이내에서 최대 전류량을 생성할 수 있는 값 이내에서 68Ω →58Ω→47Ω으로 10Ω 단위 변경하여 현차시험한 결과 58Ω으로 변경한 경우 –9℃에서 기동 시 동작불량이 표 3과 같이 발생하였으나, 47Ω으로 변경 후에는 발생하지 않고 있다.

그림. 4. MCB 제어보드 및 등가회로

Fig. 4. MCB control board and equivalent circuit

기존 MCB 제어전압은 기동 전 밧데리 최저전압 84V와 기동 후 밧데리 전압 100V 및 저항 68Ω 기준으로 최대허용전압을 137.5V로 하였을 때 EV 코일의 저항 Rc는 10.5Ω으로 설정되어 있다. 표 4는 최대 허용전압을 인가하였을 때 EV 코일에 흐르는 전류를 기준으로 저항 68Ω을 47Ω으로 그림 4와 같이 대체하였다. 이때 EV 코일에 인가되는 전압과 전류를 보여준다. MCB 제어전압이 100V이고 47Ω 저항인 경우, EV Coil은 MCB가 설계된 최대 전압과 이때 흐르는 전류(18.36V, 1.75A)보다 낮은 전압과 전류(18.27V, 1.74A)이므로 MCB 동작 및 전자밸브 수명에는 영향이 없을 것으로 판단된다.

한편 계산 값을 바탕으로 MCB 제어보드에서 저항 변경 후 시험을 수행하였다. 측정지점은 MCB 제어전압(Vb), EV Coil 입력 전압(Vc), EV Coil 전류(Ic), EV(Electro-valve) 코일저항(Rc)을 측정하였다. 표 5는 저항 47Ω 변경 후 계산값과 측정값을 보여준다. 시험결과 예측되는 계산 값과 실제 측정한 전압 및 전류는 오차 범위 이내에 있으며, 반복하여 투입시간(Closing Time)을 측정한 결과 6.4~8.0[ms] 이내로 사양서 기준을 만족하는 것을 확인하였다.