1. 서 론

전력계통에서 고장 발생, 수리 또는 점검을 위하여 차단기(CB), 개폐기(SW), 단로기(DS) 등의 전기기기가 요구된다. 중․저압의 전기기기에 사용되고 있는 차단부/개폐부의 Vacuum Interrupter(VI)는 진공 절연매질이 높은 절연내력을 발휘하며, 내구성이 우수하고 유지보수가 필요 없는 등의 장점이 있다.

VI의 행정거리(stroke)는 정격에 따라 약 8~20 mm 범위이며, 이러한 짧은 행정거리를 구동하기에 적합한 조작기로서 영구자석형 전자식 조작기(PMA, permanent magnetic actuators)가 사용되고 있다. 유지보수가 용이하지 않은 복잡한 구조와 부품들이 결합되는 모터/스프링방식 조작기에 비해 전자식 조작기는 간단한 구조로 구성된다. 또한 전자식 조작기는 반복 동작에 의한 내구성과 신뢰성이 우수하기 때문에 전력계통 보호기기 조작기로서 적용이 증가되고 있는 추세이다^(1-3).

본 논문에서는 VI가 사용되는 전력계통 보호기기의 조작기로 대부분에 사용되고 있는 Two-coil 방식 조작기와 One-coil 방식 조작기의 장단점을 비교하였다. 기계적 부분과 전자계해석을 결합한 FEM 해석을 통하여, One-coil 조작기 prototype을 설계하였으며, 단락시험을 통하여 성능 검증하였다. 시험을 통한 문제점을 보완하기 위하여 plunger 중량, open spring 등을 수정하여 동작특성을 확인하였다. 결론적으로 실험 데이터를 통하여 One-coil 조작기를 전력계통 전기기기에 적용하는 데 있어 설계에 도움을 제공하고자 한다.

2. Two-coil & One-coil 전자식 조작기 비교

전자식 조작기는 코일이 본 논문에서는 Two-coil 방식과 One-coil 방식으로 구분된다. Two-coil 방식의 경우, 투입코일과 개방코일이 각각 구성되어 투입 또는 개방동작을 수행한다.

One-coil 방식의 조작기는 하나의 coil로 투입과 개방동작을 하게 된다. 그림 1은 Two-coil 방식 조작기의 영구자석과 코일에 의한 자속벡터를 나타내었다.

동작원리의 경우, 영구자석에 의한 유지력으로 투입 또는 개방상태를 유지하고 있으며, coil에 전류를 인가하면, 영구자석에 의한 자속밀도 방향과 반대의 자속이 발생되고, 유지력을 상쇄시킴과 동시에 로렌츠 힘에 의하여 plunger가 구동을 하게 된다. 투입동작과 개방동작 모두 전자력으로 동작하며, 스트로크 마지막에서 최대 힘을 발휘하는 구조이다.

그림 2는 One-coil 방식의 자속벡터를 나타내었으며, 투입동작의 경우, 영구자석의 자속벡터 방향과 코일에 의한 자속벡터 방향이 동일하므로, 투입동작에 효율적인 구조이다. 개방동작의 경우, 영구자석에 의한 자속벡터와 반대 방향의 코일 자속벡터로 인하여 유지력이 상쇄되며 스프링 힘에 의한 동작을 하게 된다. 유지력을 상쇄시키는 자속벡터 경로가 Two-coil 방식보다 짧고, 영구자석에 의한 자속벡터와 동일한 경로이므로, 적은 에너지로 유지력 상쇄가 가능하다.

3. One-coil 전자식 조작기 모델링 및 해석

그림 3은 One-coil 전자식 조작기의 3D 모델링을 나타내었다. 구조는 coil, bottom plate, magnet, core, open spring 및 spring guide로 구성되었다.

FEM 해석 설계를 위해서는 회로방정식, 운동방정식 및 자계방정식이 필요하다. 그림 4는 One-coil 방식 PMA의 등가회로를 나타낸다^(4-6).

조작기의 전압원은 커패시터 뱅크를 통하여 코일에 인가되며, 등가회로 방정식은 식 (1)과 같다. 식 (1)에서의 $C$는 커패시턴스, $R$은 저항, $L$은 인덕턴스이다.

운동방정식은 식 (2)와 같다. $F$는 plunger가 받는 힘이며, $M$은 구동부 질량, $B$는 댐핑 상수, $K$는 스프링 상수, $F_{r}$은 마찰력이다.

유한요소법을 이용한 자계방정식은 식 (3), 식 (4)와 같다. B는 자속밀도, $\mu_{0}$는 자화특성을 갖고 있는 투자율, $\chi_{m}$은 자화율, $\vec{M}$은 자기모멘트, $\vec{H}$는 자계의 세기, $\vec{J}$는 영구자석의 자화강도, $\vec{A}$는 벡터자기 포텐셜이다.

Prototype 조작기는 정격전압 27 kV, 차단전류 16 kA인 리클로저로 FEM 해석을 실시하였으며, 설계 data는 표 1과 같다.

그림 5는 FEM 해석을 사용한 동작특성 해석 결과이다. 투입시간의 경우, 약 32 ms이며, peak 전류는 약 10 A이다. 개방시간의 경우, 약 9 ms이며, peak 전류는 약 2 A이다. 이 해석 결과를 토대로 prototype 제작을 진행하였다.

4. 시험 및 분석

Prototype 제작 후, 동작특성을 오실로스코프로 확인하였으며, 행정거리 측정은 조작기 spring guide부에 가변저항을 접속하여 측정하였다. 투입과 개방 동작파형은 그림 6와 같다. 투입동작의 경우, 해석결과와 유사하였으며, 개방동작의 경우, 가압이 종료되는 지점부터 가동로드와 plunge 간에 충돌이 발생되어 차이가 발생되었다. 동작특성은 설계 spec 이내에 충족되므로, 단락시험을 통하여 차단성능 검증을 진행하였다.

IEC 62271-111에 따라 차단시험을 진행하기 위해 시퀀스 동작을 확인하였으며, 파형은 그림 7과 같다.

시퀀스는 O-(0.3s)-CO-(1s)-CO-(1s)-CO로 실시하였으며, 접점에 모의 사고전류 100 A를 통전하여 동작을 확인하였다. 순시 동작에서 투입과 개방동작 시, 인가전류가 중첩되지 않도록 전류 소멸과 개시시간 간격을 약 4 ms로 설정하였다. 개방동작은 낮은 전류로도 동작이 가능하므로, 시퀀스 동작하기에 Two-coil 방식 조작기보다 커패시터 용량을 줄일 수 있는 장점이 있다.

차단시험은 공인시험기관에서 시험전압과 전류 27 kV, 16 kA로 실시하였다. 단시간 전류시험 16 kA 3 s로 실시한 후, 차단시험을 실시하였으나, 16 kA making and breaking test를 10회까지 차단 성공한 후, 11회째 차단 실패하였다. 그림 8의 파형을 분석하면, 적색 원안은 접점이 개리되는 지점에서 차단을 성공하지 못하고, 접점이 용착되었음을 확인하였다.

차단 실패 이유를 분석하기 위해 그림 6의 동작특성을 분석한 결과, 개방파형 상에서 가압이 완료된 후, 접점이 개리되는 지점에서 기울기가 완만하게 진행되고, 진동파 형태의 행정거리 곡선을 확인하였다.

이 부분으로 인하여 VI가 차단 시, 절연이 회복되지 못하고 절연파괴로 진전되었을 가능성이 있다. 개리지점 기울기가 변화되는 이유로는 VI의 접점 접촉 지점에서의 가압스프링에 의한 힘은 140 kg정도 인데 반해 가압구간이 종료된 후, 차단스프링(35~50 kg)만으로 개방동작이 진행이 되어 힘의 차이가 급격하게 발생됨에 따라 기울기의 변화가 발생된 것으로 추정된다.

진동파 형태의 행정거리 곡선이 발생되는 이유는 조작부 가동 Ass'y 중량이 차단부 가동 Ass'y보다 가벼워 조작부측 가동자가 차단부측 가동자를 이동시키지 못하고, 연속적으로 충돌하며 동작하는 것으로 추정된다. 또한 투입 시, 접점의 채터링이 약 4 ms로 인해 making current에 의한 손상 가능성이 있다. 투입동작 채터링과 개방동작의 파형 개선이 필요함을 확인하였다.

5. 동작특성 개선시험

차단부 가동 Ass'y는 절연로드, VI 가동전극 등 VI 행정거리만큼 움직이는 Ass'y를 의미하며, 조작부 가동 Ass'y는 plunger, open spring, spring guide 등 PMA 행정거리와 동일하게 움직이는 부품을 의미한다. 차단부 가동 Ass'y는 설계변경이 어려우므로 고정으로 두고, 조작부 가동 Ass'y를 수정하여 시험을 진행하였다. open spring의 힘을 증가시켜 가압스프링 힘과 유사하게 설계하면 개방동작 시, 행정거리의 기울기는 개선이 되겠지만, 투입동작 시, 가압스프링과 개방스프링의 힘을 이기기 위한 힘이 매우 커지므로, 필요한 투입유지력은 증가하고, coil의 면적도 증가되어야 한다. 또한 VI spec의 속도 범위를 초과할 수 있으므로, 적절한 설계가 필요하다.

표 2는 조작기 설계변경에 따른 변수를 표현하였다. open spring의 힘과 조작부 가동 Ass'y 중량이 변수가 되었으며, coil은 제어부 설계에 따라 최대 소비전력이 상이하므로, 변수에서 제외하였다.

Ver. 1의 경우, open spring의 힘만 증가시켜 동작 확인을 실시하였다. 그림 9에서 보면, 투입동작의 행정거리는 가압구간에서 멈춘 뒤, 전류의 상승을 통해 행정거리가 끝까지 동작하는 것을 확인하였다. 이는 open spring의 힘과 가압스프링에 의한 힘을 plunger가 이기지 못하면서 발생되었다. 동작전압을 증가시키면 투입특성은 개선되지만, 개방파형은 prototype과 비교하여 개선되지 않았으며, 개방속도가 VI spec보다 빠르므로 open spring의 힘을 감소시켜야 할 것으로 판단하였다.

Ver. 2와 ver. 3는 open spring의 힘을 일부 감소시키고, 조작부 가동 Ass'y 중량을 증가시켜 시험을 실시하였다.

중량은 spring guide 부분을 PTFE에서 STS 재료로 변경 및 크기를 증가시켰다. Ver. 2의 경우, 개방파형에서 일부 개선되었음을 확인하였으며, 투입동작도 문제가 없었다. Ver. 3의 동작특성 파형은 그림 10에 나타내었으며, 초기 prototype에 파형인 그림 5와 비교하여 개방파형이 매끄럽게 측정되었다. 또한 투입 채터링이 4 ms에서 2 ms 이내로 감소되었다.

측정한 데이터에 대한 One-coil 조작기 설계는 차단부 가동 Ass'y와 조작부 가동 Ass'y의 중량 비율을 약 1:2 정도로 하였을 때, 채터링 또는 개방동작 파형에 양호한 결과를 얻을 수 있는 것으로 확인하였으며, open spring은 중량 증가에 따라 VI spec에 적합한 동작속도를 발휘할 수 있도록 설계될 것으로 판단된다.

5. Conclusion

본 논문에서는 One-coil 조작기를 설계 후, 단상 리클로저에 적용하여 동작특성 확인 및 차단시험을 실시하였다. 시험 데이터를 분석하여 조작부 가동 Ass'y 중량과 차단스프링 힘을 변수로 하여 동작특성 개선을 진행하였으며, 이 데이터를 토대로 VI방식의 전력계통 전기기기에 적용한 One-coil 조작기 설계에 도움이 될 것이다.