1. 서 론

세계적인 환경문제 개선의 일환으로 탄소저감을 위한 국제사회의 많은 노력과 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 태양광(PV-Photovoltaic), 풍력(Wind Turbine), 에너지저장장치(ESS- Energy Storage System) 등 신재생 에너지관련 기술들이 저탄소 에너지원으로 각광받으며 관련 연구 활동도 활발하게 이루어지고 있다. 태양광발전의 경우, 직류 발전방식이 사용되고 있으며, 신재생에너지관련 설비들의 효율적인 사용을 위해서는 에너지 저장을 위한 직류방식 배터리사용이 동시에 고려된다. 따라서 신재생에너지 시스템에 존재하는 직류계통의 안전과 설비보호를 위해 직류방식 기중차단기(DC Air Circuit Breaker)에 대한 요구는 필연적이라 할 수 있으며, 동시에 직류 차단기술의 신뢰성 확보는 매우 중요하다. 최근 국제전기기술위원회(IEC: International Electrotechnical Commission) 및 미국의 안전보증기관인 UL(Underwriter’s Laboratories)에서도 태양광시스템 및 배터리저장장치와 같은 신재생에너지 시스템에 적용되는 저압 직류방식 전력기기에 대하여 별도의 시험규정을 추가하여 관련 규격을 보완해가고 있다.⁽¹⁾ 특히 추가된 시험항목 중 임계전류시험(Critical load current test)항목은 정격전류 이하 소전류 영역에서의 직류차단성능을 검증하는 것으로 전류 영점이 존재하지 않는 직류에서는 소전류 영역에서도 차단신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.

신재생에너지 발전분야는 효율적인 에너지사용을 위해 배터리를 사용한 에너지 저장장치를 함께 적용하는 경우가 많으며, 배터리관련 기술이 발전함에 따라 저장할 수 있는 배터리용량도 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 사용되는 직류계통 전력기기의 정격 요구전압과 전류용량의 상승이 요구되고 있으며, 최근 태양광발전을 중심으로 한 신재생 계통 설비의 전압은 DC 1000V이상 DC 1500V까지도 요구되고 있다.

본 논문에서는 직류방식 기중차단기(Direct Current Air Circuit Breaker, DC ACB)에 대한 대전류 및 소전류 영역의 직류 차단시험과 아크거동의 고속촬영을 통해 직류의 차단 특성을 분석하였다. 또한 소전류 영역의 차단성능 향상을 위해 영구자석을 적용한 아크소호구조를 제안하고 CAE해석과 대전력 실험을 통해 성능 개선 효과를 검증하였다.

2. 직류 차단현상과 특성

일반적으로 교류방식 기중차단기는 저압배전계통 최상단에 위치하여 계통에서 발생하는 사고전류를 차단함으로써 부하계통을 보호하는 역할을 담당하며, 별도의 소호매질 없이 공기 중에서 차단 시 발생하는 아크를 소호할 수 있도록 설계되어진다. 정격전류나 과전류 뿐 아니라 단락사고와 같은 높은 고장전류 발생 시에도 안전한 차단 동작을 위해 차단 시 두 접점 사이의 아크 전압을 높게 상승시킴으로써 사고전류의 크기를 억제하고 반복해서 돌아오는 전류 영점에서 절연을 회복할 수 있도록 구성된다. 그러나 직류방식의 경우, 전류 영점이 존재하지 않기 때문에 짧은 시간 내에 더욱 높은 아크전압을 유도하여 강제로 전류를 제한하고 전류 영점까지 감소시켜 절연을 회복할 수 있어야 하므로 교류방식과 비교하여 차단성능 확보는 더욱 어려운 문제이다.⁽⁶⁾ 따라서 높은 신뢰성을 가질 수 있는 직류 차단기술 확보를 위해 다양한 소호기술 연구가 필요하다.

그림 2와 같은 R-L 직렬회로에 설치된 차단기의 차단 동작에 의해 아크가 발생할 경우, 회로의 정격전압(Vr)과 아크전압(Varc)사이의 관계는 아래와 같이 나타낼 수 있다.

위의 식(1)은 아래와 같이 다시 표현할 수 있으며,

아크전압이 정격전압보다 커질 경우, ($V_{{arc}}>V_{r}$)

식 (3)으로부터 아크전압이 정격전압보다 커지게 될 때, 시간에 따른 전류변화율(di(t)/dt)의 부호가 음수가 되므로 전류 상승이 제한되며 전류의 크기가 감소하는 한류현상(Current Limitation)이 발생하게 된다. 즉, 차단 시 발생하는 아크전압의 크기가 정격전압보다 높아지면 차단기 내에 흐르는 사고전류의 크기가 감소되면서 차단이 용이한 상태가 된다.⁽⁶⁾ 이와 같은 한류현상은 직류와 교류 모두 동일하게 나타나는 것이지만 반복적인 전류 영점을 가지는 교류의 경우에는 한류현상을 통해 전류 영점까지 아크전압을 완전히 제어하지 못하더라도 차단이 가능할 수 있다. 하지만 직류차단의 경우, 전류 영점이 존재하지 않기 때문에 한류를 통해 완전히 전류 영점까지 제어하지 못하게 되면 지속적으로 전류가 통전되어 차단시간이 길어지면서 차단에 실패할 수 있다. 직류차단 시 아크전압의 크기가 차단성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 단락사고를 모의한 대전류 차단시험을 하였다. 그림 3은 교류발전기와 정류기를 이용한 직류 대전력 시험설비를 나타낸 것이다.

그림 4와 그림 5는 기중차단기의 직류 단락전류에 대한 차단시험결과를 나타낸 것으로, 그림 4에서 단락전류(DC 1500V 25kA) 인가(t1) 후 차단기의 차단동작에 따라 아크전압 상승이 시작되고 있으며, 아크전압 상승이 정격전압 가까이 이르게 되는 지점(t2)에서부터 사고전류가 제한되어 감소하는 한류현상이 시작되는 것을 볼 수 있다. 시험 시 측정된 아크전압의 크기가 정격전압의 2배 이상 높게 상승되면서 사고전류를 전류 영점까지 완전히 감소시키며 차단이 정상 완료되었다.

반면 그림 5의 경우, 단락전류(DC 1500V 40kA) 차단을 시작하면서 아크전압이 초기에는 상승하였으나 정격전압 수준을 크게 넘어서지 못하고 다시 감소하면서 사고전류가 완전히 제어되지 못한 것을 볼 수 있다. 이로 인해 사고전류는 다시 증가하였을 뿐 아니라 차단 후반부에 소전류가 지속적으로 발생하는 후미전류(Tail Current) 현상을 볼 수 있으며, 이것은 차단시간을 크게 지연시키는 원인으로 판단된다.

직류 단락 사고전류의 차단실험을 통해 차단 시 발생하는 아크전압의 크기가 차단성능과 매우 밀접한 관계를 가지고 있음을 확인하였다. 특히 직류 차단 시 발생하는 후미전류 현상은 아크전압이 완전히 제어되지 못하여 회로 내에 흐르는 전류가 일정량 잔존하며 지속적으로 흐르게 되는 현상으로, 차단기 내에 아크에너지를 누적시켜 차단기의 주요 부품들을 손상시킬 뿐 아니라 차단실패로 이어지는 원인이 될 수 있다. 단락 차단시험의 경우 시험전류의 크기가 정격전류의 수십 배에 이르는 높은 사고전류를 차단하는 시험이므로 근본적으로 차단이 매우 어렵다. 따라서 차단기의 정격 통전전류 수준의 부하전류 차단시험을 하였으며, 대전류 차단 시의 파형과 비교하여 차단 전류의 크기 차이에 따라 직류 차단 특성 변화를 분석하였다.

그림 6은 직류계통 정격 부하전류(DC 1500V 1600A) 차단시험 파형을 나타낸다. 차단완료 부근에서 완전히 아크가 제어되지 못하고 대전류 차단시험에서 나타난 후미전류현상과 유사한 소전류의 차단 지연 현상이 나타나고 있음을 볼 수 있다. 반복된 차단시험으로부터 정격전류 이하의 소전류 영역에서도 직류차단의 특징인 후미전류 현상이 빈번하게 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 소전류 차단 시에 발생하는 아크 에너지가 대전류 차단 시에 비해 상대적으로 작기 때문에 아크의 거동을 제어할 수 있는 소호부 내부의 압력 상승이 부족하기 때문으로 생각된다. 따라서 직류 차단기의 차단 신뢰성을 높이기 위해서는 차단기 아크소호구조 설계와 차단성능 평가 시 직류차단의 특성을 고려하여 대전류 차단시험 뿐 아니라 소전류 영역에 대한 평가까지도 검증항목에 반영하는 것이 필요하다.

3. 직류방식 기중차단기의 구조와 아크소호

종래의 직류방식 차단기는 기본적으로 양극(+), 음극(-)의 2극을 가지고 있는 단상 차단기 형태의 구조가 일반적이라고 할 수 있으나, 그림 7과 같이 3상 또는 중성선(Neutral line)을 포함한 4상으로 구성되는 교류방식 차단기 구조를 기반으로 각 상을 직렬로 연결하여 직류 차단기를 구성하는 것이 가능하며, 그림 7에 표현된 방법 외에도 다양한 형태가 구성될 수 있다.

직류방식과 교류방식 모두 기중차단기의 아크소호를 위해서는 차단동작 시 기구부의 신속한 동작을 통해 접점의 개리속도를 높이고 접점 사이에 발생하는 아크를 소호부로 이동시켜 아크전압을 빠르게 상승시키는 것이 중요하다. 그러나 스프링에너지 구동방식의 기중차단기 구조에서 접점의 개리속도를 높이기 위해서는 높은 스프링에너지를 충전시켜야만하기 때문에 기구부에서 발생하는 하중 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 바람직하다.

기중차단기의 아크소호 과정을 그림 9에 도시하였다. 사고전류 발생 시 차단기의 가동자 개리 동작이 시작되며, 두 접점사이에서 아크가 생성(①Arc initiation)된다. 가동자의 개리동작이 진행되면서 생성된 아크의 길이가 신장(②Arc lengthening)하게 되고 이에 따라 아크전압이 서서히 상승하게 된다. 이후 아크는 냉각을 위해 아크챔버 내에 구성된 아크슈트(Arc chutes)로 전이되면서 아크분할(③Dividing arc)이 이루어지고 아크의 지속적인 확산을 통해 최종 소멸(④Arc extinguishing)하는 과정을 거친다.

아크생성 단계부터 확산 그리고 소멸에 이르기까지의 과정은 직류와 교류방식이 모두 유사하나 전류영점이 없는 직류의 경우 아크의 신속한 이동과 신장(②Arc lengthening)이 이루어지지 못하면, 충분한 아크 전압 상승으로 이어지지 못하게 되고 아크가 정체되는 아크정체(Arc stagnation) 현상이 나타나기 쉽다. 이러한 아크정체 현상은 단락사고전류와 같은 대전류 차단 시보다 정격전류 미만의 작은 크기의 소전류 차단 시에 발생하는 경우가 더 많다. 대전류 차단의 경우에는 아크 발생과 동시에 아크에너지가 급격하게 증가하므로 아크 소호부 내부 압력의 증가속도가 매우 빠르게 되며, 증가한 압력이 배기구로 배출되는 과정에서 아크를 신속하게 아크슈트로 이동시키기 때문으로 판단된다. 반면 정격전류 미만의 작은 전류를 차단할 경우에는 발생하는 아크에너지의 크기와 내부 압력 증가가 크지 않아 아크를 이동시키지 못하게 된다. 교류의 소전류 차단 시에는 아크의 이동이 충분하지 않더라도 접점 간의 절연거리만 확보된다면 전류 영점에서 차단이 가능하지만 직류 차단 시에는 전류 영점이 없어 충분한 아크의 이동과 제어가 필요하다. 직류차단기의 소전류 차단성능을 확인하기 위해 소전류 영역(DC 1500V 4A~64A) 차단시험을 시험전류 별로 각 5회씩 진행하였으며, 차단 시 아크발생시간(Arcing time) 측정 결과는 표 2와 같다.

소전류 영역 시험결과 중 32~64A에서도 직류 차단특성인 후미전류 현상으로 차단시간 지연이 발생하였고, 이로 인한 소호부 내부의 차단 에너지 증가는 부품 손상 정도의 증가를 동반함을 알 수 있다. 후미전류 발생 원인을 파악하기 위하여 그림 10과 같이 소호부의 외벽을 제거한 후 투명 판재로 대체 구성하고 고속카메라를 이용하여 아크거동을 촬영하였다.

아크거동의 고속촬영결과를 통해 아크가 아크슈트로 완전히 이동하지 못하고 정체되는 현상을 볼 수 있으며, 이때 차단시간도 상대적으로 증가하는 결과를 나타내었다. 확인된 아크 정체현상을 방지하고 아크의 신속한 이동을 구현하기 위해서는 소호구조의 개선이 필요하다.

아크거동 고속촬영을 통해 확인된 아크정체구간에서 아크의 자계구동력을 높이기 위하여 아크챔버 모듈의 내부에 영구자석을 적용한 두 가지 개선안을 그림 11에 나타내었다. 영구자석은 아크의 정체구간 양 측면으로 각각 설치되며, 영구자석의 자기력을 이용하여 정체구간에 있는 아크를 아크슈트 방향으로 이동시킬 수 있도록 구성하였다.

제안된 개선구조에 대해 전자계 해석을 하였으며, 소호부 내 아크에 작용하는 전자기력 해석결과는 그림 12와 같다. 설치된 영구자석의 배치 극성에 따라 아크의 자계구동력에 차이가 있으며, 아크부에 작용하는 자계구동력의 크기와 방향이 2안에 비해 1안의 경우가 더 크고 일관된 방향임을 알 수 있다. 아크의 양 측면에 설치되는 영구자석은 발생한 아크에 의해 손상되지 않도록 절연재질의 커버 내에 조립되도록 구성하였다.

제안된 구조에 대해 소전류 영역 차단시험을 진행하여 얻은 아크발생시간(Arcing time) 결과를 그림 13에 비교하여 나타내었다. 임계전류는 가장 긴 아크발생시간(Arcing time)의 변곡이 확인된 32A로 볼 수 있다. 전 시험전류 영역에서 개선 1안과 2안 모두 차단시간의 감소효과가 나타나고 있으며, 4A~16A 구간에서 개선 1안은 30~45%, 2안은 5~13% 수준, 32A~64A 구간에서는 최대 60% 이상의 차단시간 감소효과가 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 개선 1안이 2안 보다 차단시간이 최대 약 50%(64A의 경우)이상 단축되어 소전류영역의 차단성능이 개선되었다. 개선 1안이 2안에 비해 전 시험전류 영역에서 상대적으로 우수한 차단성능(차단시간, Arcing time)을 나타내고 있다. 이것은 자계구동력 해석결과와도 일치하고 있음을 알 수 있다.

4. 결 론

본 논문에서는 신재생에너지 발전확대에 따른 직류방식 기중차단기의 필요성과 국제규격 변화에 대해 알아보고, 직류 차단 시 발생하는 차단특성의 이해를 위해 대전류와 소전류 영역을 구분하여 차단시험 및 결과파형 분석을 진행하였다. 이를 통해 직류차단의 특징으로 모든 전류 영역에서 후미전류현상이 확인되었고, 이는 차단 성능을 저하시키는 원인으로 판단된다. 또한 고속카메라를 이용한 직류차단 아크촬영 실험을 통해 아크가 특정 구간에 정체되는 아크정체현상을 확인하였으며, 이 때 후미전류현상이 발생함을 알 수 있다. 직류 차단 시 일어나는 아크소호과정을 단계별로 분석하여 소전류 영역에서의 효과적인 직류차단성능 구현을 위한 영구자석 적용 개선안을 제시하였으며, 제시한 개선안에 대해 유한요소해석과 차단실험을 통해 아크의 자계 구동력의 향상과 차단시간(아크발생시간)의 감소로 차단성능이 개선되었음을 검증하였다. 개선안의 효과는 소전류 영역에서 확인되었으며, 기술의 적용을 위해서는 대전류 영역을 포함한 다른 전류영역에서도 동일한 개선효과가 검증되어야 할 것이다.

직류계통에 요구되는 직류방식 차단기의 신뢰성을 높이기 위해서는 다양한 조건에서의 전기적, 기계적 특성이 함께 고려된 기술연구가 지속되어야 하며, 직류 차단 기술이 요구되는 신재생에너지 분야의 활용 폭이 확대될수록 향 후 본 기초연구를 기반으로 직류차단기술의 최적화를 위한 추가 연구 활동이 필요할 것이다.