2.1 차단기의 아크소호 과정

기중차단기의 아크소호를 위해서는 차단동작 시 기구부의 신속한 동작을 통해 접점의 개리속도를 높이고 접점 사이에 발생하는 아크를 빠르게 아크소호부로 이동시켜 아크전압을 급격하게 상승시키는 것이 가장 중요하다. 그러나 스프링에너지 구동방식의 기중차단기 구조에서 접점의 개리속도를 높이기 위해서는 높은 스프링에너지를 충전시켜야만하기 때문에 기구부에서 발생하는 부하가 증가하여 동작에 무리가 발생하거나 기계적 수명이 감소하는 단점이 있어 제약이 따른다. 따라서 발생한 아크의 효과적인 제어를 위해서는 기중차단기의 차단과정을 이해하고 최적의 소호구조를 구성하는 것이 필요할 것이다.

사고전류 발생 시 차단기의 가동자 개리 동작이 시작되며, 두 접점사이에서 아크가 생성된다. 개리동작이 진행되면서 생성된 아크의 길이가 신장하게 되고 이에 따라 아크전압이 서서히 상승하게 된다. 이후 아크의 냉각을 위해 구성된 아크슈트(Arc chutes)로 전이되면서 아크분할이 이루어지고 아크의 지속적인 확산을 통해 최종 소멸하는 과정을 가진다. 기중차단기의 아크소호 과정은 그림 3과 같다.

아크생성 단계부터 확산 그리고 소멸에 이르기까지의 시간이 길어질수록 아크의 누적에너지가 증가하여 아크주변 접점과 주요부품의 소모량이 커지게 되어 차단에 실패할 확률이 높아지게 된다. 따라서 다양한 아크소호 기술들을 활용하여 최대한 짧은 시간 내에 차단동작이 완료될 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.

2.2 아크소호 기술

차단 과정에서 생성된 아크를 효과적으로 제어하는 기술이 차단기의 차단 성능을 좌우하는 핵심 요소이며, 아크전압 상승을 효율적으로 이루어지도록하기 위해 다양한 아크소호 기술들이 활용되고 있다. 효과적인 소호구조 설계를 위해서는 아크소호 기술들에 대한 전반적인 이해가 기반이 되어야 할 것이며, 이 중 가장 기본적이고 핵심이 되는 몇 가지 방법에 대해 살펴보고자 한다.

2.2.1 아크길이의 신장(Elongation)

그림 4는 사고전류 발생 시 차단기 가동자의 개리가 진행됨에 따라 두 접점 사이의 거리가 증가하며, 아크의 길이도 함께 늘어나게 됨을 보여주고 있다. 아크길이의 신장이 지속됨에 따라 그림 5와 같이 아크의 직경은 감소하고 아크 저항이 증가하게 되므로 아크전압도 서서히 상승하는 차단동작 초기구간의 파형을 나타내게 된다. 이처럼 두 접점 사이의 아크 길이를 얼마나 크게 신장시킬 수 있느냐에 따라 아크전압 상승 수준이 결정된다. 그러나 제한된 공간 내에서 접점사이의 개리거리를 무한정 크게 확보하는 것은 매우 어렵고 아크전압 상승 기울기가 작아 효과적인 방법이라 할 수 없다. 따라서 일반적으로 차단 초기동작에서 아크러너와 같은 형상을 활용하여 아크슈트로 아크를 이동시키는 방법으로 많이 활용하고 있다.

2.2.2 아크의 냉각(Cooling)

아크는 섭씨 수천, 수만도에 이르는 매우 높은 온도를 가지는 플라즈마형태의 도체라고 말할 수 있다. 따라서 발생한 아크의 온도를 낮추기 위한 냉각기술이 아크저항을 상승시켜 아크전압 상승을 유도할 수 있기 때문에 효과적인 차단기술로 널리 사용되고 있다. 아크의 냉각을 위해 일반적으로 스틸계열의 얇은 플레이트를 일정한 간격으로 배열하여 냉각효과를 높이는 형태로 구성된다. 아크슈트의 형상은 발생한 아크가 전자기력에 의해 효과적으로 제어될 수 있도록 아크를 감싸는 V형태로 설계되는 것이 일반적이며, 가동자 또는 고정자의 구조 및 적용기술에 따라 다양한 형태로 구성된다.

직류방식 차단기의 사고전류 차단 시 아크분할 과정을 직접 관찰하기 위해 시험용 챔버를 구성하여 아크촬영을 진행하였다. 그림 7은 직류방식 기중차단기의 차단과정을 그림 6의 설비를 이용하여 초고속 촬영한 것으로, 차단 전류의 크기에 따라 차이가 있으나 대략 수십 ms 내외의 짧은 시간에 진행되므로 정확한 현상분석에 많은 어려움이 따른다. 따라서 대부분의 경우, 실험 후의 주요부품 소손상태를 비교 분석하여 적용기술의 효과를 판단하게 된다.

2.2.3 영구자석을 이용한 아크제어

기중차단기의 차단과정에서 발생하는 아크를 아크슈트로 이동시키기 위한 방법은 앞서 기술한 내용 외에도 소호부 내에서 발생하는 압력을 활용하는 것이 가능하다. 특히 높은 사고전류에서는 발생하는 아크의 열에너지가 매우 크기 때문에 내부에서 발생하는 압력의 상승도 급격하게 이루어진다. 이 때 발생한 압력이 가스배기구로 배출되는 과정에서 자연스럽게 아크를 아크슈트가 위치한 배기구로 유도하는 가장 중요한 힘으로 작용하게 된다. 그러나 차단해야 하는 전류의 크기가 작은 소전류 영역에서는 상대적으로 발생하는 압력이 매우 작기 때문에 발생한 아크를 아크슈트로 이동시키는 물리적 힘이 거의 존재하지 않는 상태가 되어 접점의 개리거리 확보가 중요한 요소로 작용한다. 교류계통 소전류 차단의 경우에는 차단과정에서 전류 영점이 오게 되므로 차단이 용이하지만, 직류방식 소전류 차단에서는 전류 영점이 없어 그림 8과 같이 아크의 정체시간이 길어지는 문제가 있다. 이를 보완하기 위해 별도의 아크제어 동력을 확보하는 것이 필요하며, 직류방식 소전류 차단기술로 영구자석을 활용하는 것이 가능하다. 영구자석의 자력세기, 사용위치, 크기 등에 따라 그 효과는 다양하게 나타날 수 있으며, 최적의 설계안을 도출하는 것이 중요하다.^[6] 그림 9는 영구자석 적용에 따른 아크 자계구동력을 확인하기 위해 CAE를 이용하여 해석한 결과를 나타내고 있으며, 아크에 작용하는 영구자석의 자계구동력이 아크배기구 방향을 향하고 있음을 확인할 수 있다.

초고속 촬영과 차단시간 측정시험을 통해 그림 10과 같이 영구자석 적용 시 아크의 정체시간이 감소함을 확인함으로써 해석결과의 타당성을 입증하였다. 차단시간은 적용된 영구자석의 종류, 사용위치 등의 적용 조건과 차단전류의 크기에 따라 차이가 있으나 약 30\% 이상의 차단시간 감소효과가 관측되었으며, 아크 통전부에 발생하는 소손량도 함께 감소됨을 확인하였다.

2.3 신재생분야 직류계통의 차단특성

최근 직류방식 차단기/개폐기가 가장 많이 사용되는 분야는 직류발전이 이루어지는 태양광(PV)분야 와 직류방식 배터리를 사용하는 에너지저장장치(ESS)분야라 할 수 있다. 신재생에너지를 활용한 분산전원의 경우, 대부분 마이크로그리드(Micro- Grid)형태로 독립 운전되는 경우가 많으므로 구성되는 계통선로가 매우 짧은 것이 일반적이다. 따라서 계통선로가 상대적으로 길게 구성되는 기존 교류방식 배전계통과 비교하여 차단 시에 어떠한 차이가 있는 지 이해하는 것이 필요하다. 그림 1의 R-L직렬회로에서 차단기가 정상상태 투입되거나 차단할 때 직류 전류의 상승과 감소의 과도구간 형태는 회로가 가지는 시정수($\tau$, Time constant)에 따라 그 기울기가 다르게 되며, 이 때 시정수는 다음과 같이 정의할 수 있다.

계통선로가 길수록 선로가 가지는 인덕턴스(Inductance, L)가 증가하여 시정수($\tau$)가 커지게 됨을 알 수 있다.

전류의 과도구간 파형은 그림 11과 같이 표현할 수 있으며, 직류 계통에서 시정수의 크기는 기중차단기의 차단성능에 매우 큰 영향을 가져온다. 특히 전류의 차단 시 하강(Decay) 초기구간에서는 전류의 감소율이 크지만 감소가 진행될수록 감소율이 작아짐을 알 수 있다. 따라서 시정수가 클 경우, 지속적으로 유입되는 소전류의 영향으로 전류 영점을 쉽게 구성하기 어렵게 된다. 즉 시정수가 클수록 차단성능은 상대적으로 감소함을 알 수 있다. 그림 12는 시정수가 작은 경우, 아크전압 상승이 정격전압의 약 2배 수준으로 높게 형성이 되면서 차단이 정상적으로 이루어진 시험결과 파형을 보여주고 있다. 반면, 그림 13은 시정수가 상대적으로 증가했을 때 동일 제품 시험의 차단파형을 나타내고 있으며, 아크전압 상승이 정격전압보다 크게 상승하지 못하면서 차단 완료 시점에서 완전한 절연회복을 하지 못하고 차단시간이 크게 늘어나는 후미전류(Tail Current)현상을 확인할 수 있다. 이처럼 시정수가 클수록 후미전류현상이 빈번하게 발생할 수 있으므로 차단기의 차단성능 저하가 동반될 수 있고 경우에 따라서는 차단 실패로 이어지는 경우가 있다. 따라서 시정수에 따른 후미전류 현상을 감소시키기 위한 차단기술연구가 직류방식 차단기의 신뢰성 확보에 도움이 될 것이다.

국제전기기술위원회(IEC)에서는 배전계통 직류방식 차단기/개폐기의 단락 차단시험 조건으로 15ms의 시정수를 정의하고 있다. 이것은 최근 직류방식 차단기가 많이 요구되고 있는 신재생 에너지 분야의 계통이 대부분 1~2ms 수준의 작은 시정수를 가지고 있음을 감안하면 매우 가혹한 시험조건이라 할 수 있다. 따라서 기존 배전용 직류방식 차단기의 시험규격이 존재함에도 불구하고 신재생 에너지분야(태양광 또는 배터리시스템)로 제한된 직류계통 신규격이 시정수 조건을 1~2ms 내외로 새롭게 정의된 것은 규격인증 시험 조건을 실제 제품이 사용되는 조건과 부합할 수 있도록 고려하여 보완된 것이라 할 수 있다. 이처럼 직류방식 차단기 제품의 성능을 올바르게 이해하기 위해서는 차단기가 사용되는 계통의 시정수를 파악하고 시정수에 따른 차단성능의 차이를 고려하는 것이 필요할 것이다.