2.1 축자계 전극 설계

기존 고속차량에 적용된 진공인터럽터의 접점은 그림 1과 같이 KTX-1은 평판전극의 자연확산 방식을 적용하였고, KTX-산천은 나선형 전극의 횡자계(Radial Magnetic Field : RMF) 방식을 적용하였다 ⁽¹⁾.

보통 8[kA] 이하의 낮은 전류에서는 아크가 접점표면에서 자연확산되므로 평행 평판형 전극이 사용되고 있으며, 그 이상의 높은 전류에서는 전극간에 발생하는 아크와 수평 또는 수직 방향의 자계를 형성시킬 수 있도록 별도의 전극형상을 적용하여 아크를 제어하고 있다. 특히 정격용량이 40[kV] 이하 및 31.5[kA] 이하에서는 주로 횡자계 방식을 적용되며, 그 이상의 정격차단용량을 갖는 경우 축자계 방식의 전극을 사용하고 있으며, 최근 횡자계와 축자계를 병행하는 하이브리드 방식도 연구되고 있다 ⁽⁷⁾.

본 연구에서는 KTX-이음 철도차량에 적용되는 VI의 전극부 설계를 위해 그림 3과 같이 축자계 방식 중, Cup-type 전극을 적용하였다. 전극부는 접점(Contact), 전극컵(Electrode cup) 및 보강판(Support plate)으로 구성된다. 접점은 VI에서 가장 많이 사용되는 동-크롬 합금소재(Cr : 25[wt%]), 전극컵은 무산소동(Copper, 산소함유량 10[ppm] 이하)소재, 보강판은 투입시 발생되는 충격으로부터 전극의 변형을 방지하기 위해 것으로 스테인리스-스틸 소재를 사용하였다. 특히 전극컵이 접점을 감싸는 형식으로 설계하여 전극 가장자리에서의 전계집중을 완화하였다. 전극컵은 외경 Φ64, 접점은 Φ62로 하였으며, 전류 분기를 늘려 아크제어 효과를 높이기 위해 6개의 슬릿을 갖는 구조로 설계하였다.

2.2 자계해석조건

자계해석은 Maxwell 18.0 S/W를 사용하였다. KTX-이음 철도차량용 VI는 스트로크 15[mm] 및 차단속도 1.5[m/s]를 목표로 하고 있으며, 일반적으로 아킹타임이 5[ms] 정도이다. 따라서 교류 사고전류가 발생하여 접점 개극이 시작되고 전류영점에 도달하여 사고전류를 차단할 때까지의 아킹타임에서 전극 간 갭은 7.5[mm] 정도가 개극될 것으로 예상하고 있다. 이러한 조건을 바탕으로 전극 간 갭 길이가 각각 5[mm], 10[mm], 15[mm]에서 자계해석을 수행하였고, 갭 길이 7.5[mm]에서 시간에 따른 자속밀도 변화를 확인하였다. 사고전류는 KTX-이음의 차단전류 정격값인 20[kArms]를 인가하였다. 또한 자계해석을 위한 아크를 모의하기 위해 아크주(Arc column)를 그림 3과 같이 전극컵과 동일한 사이즈로 설정하였다.

2.3 해석결과

먼저 갭 5[mm]에서 해석을 진행하였고 그 결과를 그림 4에 나타내었다. 인가전류는 20[kArms]이며 전류피크(Current peak)일 때, 전극 중심부 및 접점 표면에서 축방향 최대 자속밀도(Bz.max)가 모두 200[mT]를 초과하였으며, 1[kA]당 축방향 최대 자속밀도 역시 8[mT/kA]를 초과하였다. 특히 전류피크에서는 접점 슬릿의 끝단에서 자속밀도가 가장 크게 형성됨을 확인할 수 있다.

전류 차단시에 발생하는 아크를 접점표면에 고르게 확산시키기 위해서는 일정 수준의 자속밀도가 요구되며, 전류피크에서 실험적으로 계산된 임계자속밀도는 다음과 같다 ⁽⁸⁾.

여기서 $B_{cr}$는 집중아크(constricted arc)에서 확산아크(diffused arc) 모드로 전환되는 임계자속밀도(단위 : mT)이며, $I_{p}$는 최대전류로써 사고전류의 피크값이다. 식 (1)에서 3.9 및 9의 값은 실험적으로 계산되었다. 특히 접점표면에서 임계자속밀도 이상의 값을 갖는 영역을 유효면적(effective area)이라고 하며, 이 유효면적이 클수록 전극부의 설계가 효과적이며 사고전류 차단성능이 높다고 할 수 있다. 이와는 반대로 전류영점에서는 아크에 공급되는 에너지가 소멸되어 아크가 즉시 소호되어야 하나, 접점표면에서 와전류 등의 영향으로 잔류자속밀도가 존재하며, 특히 잔류자속밀도가 크게 되면 아크는 소멸되지 못하고 재발호(reignition)가 발생할 수 있다. 그림 4의 (c)및 (d)에 나타낸 것과 같이 전류영점에서 접점표면에서의 Bz 및 와전류밀도($I_{eddy}$)를 살펴보면, 접점표면의 중심부에서 큰 자속밀도가 형성되며, 와전류는 접점 슬릿을 따라 흐르게 됨을 확인할 수 있다. 보통 진공인터럽터 제조사에서는 전류영점에서 발생되는 와전류를 작게하기 위해 접점에 슬릿을 만들게 되며 이에 대한 설계도 차단성능에 큰 영향을 미치게 된다.

그림 5는 갭 길이 10[mm]에서의 해석결과이다. 갭 길이 5[mm]에서의 결과와 비교하면, 전체적으로 모든 값들이 더 작아졌으며, 최대값을 갖는 영역도 거의 동일하다. 단, 전류피크에서 갭 중심부에서의 축방향 자속밀도 최대값은 접점 슬릿의 끝단부에서 점차 접점의 중심부로 이동하게 된다.

그림 6은 갭 길이 15[mm]에서의 해석결과이다. 갭 길이가 커짐에 따라 모든 값들은 약간씩 감소하는 경향을 보인다. 특히 전류피크일 때 갭 중심부에서의 축방향 자속밀도 최대값은 접점의 중심부에서 발생하게 된다.

그림 7은 전류피크일 때 접점표면에서의 축방향 자속밀도 분포를 비교한 것으로써, 접점표면의 중심부에서 방사방향의 라인에서 긋고, 해석된 자속밀도값을 갭 길이에 따라 나타내었다. 임계자속밀도는 식 (1)로 주어지나, 일반적으로 진공인터럽터 제조사에서는 확실한 성능보증을 위해 기준값보다 150[%] 정도 상회하는 4[mT/kA]로 선정하고 있다. 이를 기준으로 할 때 유효면적은 갭 길이 5[mm], 10[mm], 15[mm] 일 때 각각 61.2[%], 56.6[%], 52.3[%]이다. 보통 아킹타임 5~10[ms] 정도 및 차단속도 1.5[m/s]를 감안할 때, 전류피크 순간에 전극은 1~8[mm] 정도가 개극되므로 유효면적은 60[%]를 초과할 것으로 예상되며 효과적으로 아크를 확산시켜 아크에너지에 의한 전극의 손상을 최소화 할 수 있을 것으로 판단한다.

다음으로 축방향 자속밀도의 최대값을 시간변화에 따라 해석하였다. 갭 길이는 7.5[mm]로 선정하였으며 전류는 60[Hz], 1/2[cycle]만 인가하였으며, 그 값은 다음과 같다.

해석결과, 그림 8에서 보는 바와 같이 전류피크와 축방향 자속밀도 최대값과는 약 0.3[ms] 정도의 위상차(phase shift)가 발생하였다. 특히 전류영점에서 잔류자속밀도는 약 20[mT] 정도 존재하며, 이 잔류자속은 주로 전극표면의 와전류에 의해 발생된 것이다. 해석결과, 잔류자속밀도는 약 0.7[mT/kA] 정도로 매우 작으므로 전류영점에서 사고전류를 차단하는데 큰 문제가 없을 것으로 판단한다.

3.1 시험환경

전극부 설계 및 해석의 타당성을 검증하기 위해 실제 전극부를 제작하여 자속밀도를 측정한 후, 해석결과와 비교하였다. 먼저 측정을 위한 시료는 전극부와 통전부로 구성되며, 종자계 전극 타입의 경우 진공인터럽터의 고정부와 가동부의 전극형상이 동일하므로 그림 9와 같이 같은 형상으로 2세트를 제작하였다. 갭 길이는 10[mm]에서만 측정하였으며, 아크주(Arc column)를 모의하기 위해 외경 10[mm], 높이 10[mm]인 원통형 무산소동을 준비하여 두 전극의 중심부에 위치시킨 후 통전이 되도록 고정시켰다. 전류는 600[A] 허부하시험기를 사용하여 AC 100[A]를 인가하였으며, 1[kA]당 발생하는 자속밀도를 계산하였다. 자속밀도의 측정은 Lakeshore사의 425 Gauss meter를 사용하였다.

자속밀도의 측정지점은 그림 10에서 나타낸 것처럼, 축방향 자속밀도가 가장 큰 지점인 접점 슬릿의 끝단이 있는 방향 (㉮)이며, 전극 갭의 중심부(ⓐ)와 접점표면(ⓑ)에서 각각 측정하였다. 또한 전극의 반경방향에 따라 각각 중심부에서 6[mm] 지점(①), 11[mm] 지점(②), 16[mm] 지점(③), 21[mm] 지점(④), 26[mm] 지점(⑤), 32[mm] 지점(⑥)으로 6개 지점에서 측정하였다.

3.2 자속밀도 실측결과

Lakeshore사의 가우스메터의 프로브는 평판형 타입으로 축방향 자속밀도에 대한 측정이 가능하나, 프로브와 접점의 각도가 수평을 이루지 못하면, 그 각도에 의해 자계 측정값에서의 오차가 매우 클 수 있다. 동일 지점에서 각 3회씩 자속밀도를 측정한 후, 그 평균값을 표 2에 나타내었다. 또한, 그림 11과 같이 해석값과 측정값을 비교한 결과 대체적으로 측정값이 해석값보다 높게 나타났으며, 오차는 최대 150[%] 정도까지 나타났으나, 주로 전극의 중심부 및 가장자리에서 측정시에 오차가 크게 나타났다. 그 외 영역에서는 해석과 측정값이 거의 일치하고 있으며, 이를 근거로 진공인터럽터 전극부의 설계는 문제가 없을 것으로 보이며, 향후 사고전류 차단과 관련된 시험도 무난히 성공할 것으로 판단한다.