차영광
(Young-Kwang Cha)
†iD
전기범
(Ki-Beom Jeon)
1iD
이일회
(IL-Hoi Lee)
1iD
구치욱
(Chi-Wok Gu)
1iD
주흥진
(Heung-Jin Ju)
1iD
-
(Vacuum Inerrupter R&D part manager of VITZROEM Co., Ltd., Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Dielectric performance, Vacuum Interrupter, AC conditioning, Electrode, Shield, Shield conditioning
1. 서 론
국내 최초로 제작된 동력분산식 준고속차량인 KTX-이음의 지붕에는 차량내부의 전기장치 및 전선류를 단락사고로부터 보호하기 위해 주회로차단기(Main
Circuit Breaker : MCB)가 설치되어 있으며, 진공차단방식을 이용하여 부하전류 개폐 및 사고전류를 차단하고 있다. 진공인터럽터(Vacuum
Interrupter : VI)는 고진공의 높은 절연내력과 아크소호 성능으로 인해 7.2kV 중저압부터 72.5kV 초고압까지 사용이 확대되고 있으며,
특히 국내⦁외 철도차량에 적용되는 주회로차단기의 차단부에는 전량 진공인터럽터가 적용되고 있다. 주회로차단기의 정격전압은 29kV이나, 요구되는 절연레벨은
정격전압 36/38kV 정도의 높은 내전압성능 요구하고 있으며, 이러한 성능을 확보하기 위해서는 진공인터럽터에 컨디셔닝이 필수로 선행되어야 한다.
일반적으로 진공인터럽터 제조사에서는 전류 컨디셔닝, 전압 컨디셔닝, 임펄스 컨디셔닝 등을 사용하여 진공인터럽터의 절연성능을 확보하고 있다 (1-7). 특히 전압 컨디셔닝은 짧은 개극 조건에서 전극간에 높은 AC 전압을 인가하여 미소방전을 발생시킴으로써 전극표면의 미세한 돌출부 및 불순물을 제거하는
것으로써, 방법의 편리성 또는 그 효과로 인해 가장 많이 사용되고 있으며, 특별한 경우 또는 높은 절연레벨을 요구하는 경우에는 여러 컨디셔닝 방법을
겸용해서 사용하고 있다.
컨디셔닝을 적절하게 수행할 경우 내전압 성능이 향상되는 효과가 있으나, 과도한 컨디셔닝은 진공인터럽터 내부의 도체나 세라믹에 스트레스를 주어 오히려
역효과(De-conditioning)가 발생할 수 있다 (8). 또한 위에서 언급한 컨디셔닝의 방식들은 전극 표면에 부착된 불순물, 산화물 또는 미세돌기 제거를 통한 전극간의 내전압성능의 향상과 안정화에 기여하지만,
진공인터럽터 내부에서의 방전은 전극간에서만 일어나지 않고, 전기적으로 부유(floating) 상태인 실드(Shield)나 세라믹의 연면을 경유하는
등의 여러 경로로 방전이 발생할 수도 있으며, 정격전압이 높아질수록 이러한 현상이 더욱 심해진다 (9-10). 따라서 진공인터럽터의 내전압 성능의 안정화를 위해서는 실드의 컨디셔닝도 매우 중요하다. 보통 실드 컨디셔닝을 위해 진공인터럽터 제조사에서는 진공인터럽터가
제작 완료된 상태에서 실드에 고전압을 직접 인가(통전부는 접지)하여 컨디셔닝 하는 방식을 채택하고 있다. 그러나 절연성능 확보를 위해 실드와 전극
간에 거리는 가능한 멀게 설계하고 있으므로 진공의 높은 절연내력으로 인해 매우 높은 전압을 실드에 인가해야만 컨디셔닝의 효과를 얻을 수 있고, 이
경우 자칫 컨디셔닝의 역효과를 유발할 수 있다. 따라서 높은 정격사양을 가진 진공인터럽터의 내전압 성능을 확보하기 위해서는 제품단계에서의 컨디셔닝보다는
부품단계에서의 컨디셔닝의 효과를 검토할 필요가 있다.
본 연구에서는 29kV 20kA 사양의 주회로차단기용 진공인터럽터를 설계하고, 제작하였다. AC 컨디셔닝의 효과, 특히 실드 컨디셔닝 효과를 확인하기
위해 제작 전 부품상태에서 실드 컨디셔닝을 진행한 후 제작한 제품과 제품단계에서의 실드 컨디셔닝을 진행한 결과를 비교하여 절연성능의 개선효과를 확인하였다.
2. 시험시료 설계 및 제작
2.1 진공인터럽터 설계 및 구조
본 연구에서 사용된 주회로차단기용 진공인터럽터의 사양은 표 1과 같으며, 그림 1과 같은 구조로 설계되었다. 일반 진공인 터럽터와 동일한 구조로, 통전 및 차단 역할을 하는 로드(Rod) 및 전극(Electrode)부, 기밀 및
절연을 담당하는 절연통 세라믹, 플렌지, 진공인터럽터의 개폐, 기밀을 유지하는 벨로우즈 등으로 구성되어 있다. 특히 주회로차단기용 진공인터럽터는 정격전압이
29kV이나 요구되는 절연레벨이 36/38kV급으로 높기 때문에, 유사 정격의 진공인터럽터에 비해 최종 사이즈와 실드간 거리 등이 더 크게 설계되었다.
표 1. 진공인터럽터 사양
Table 1. Specification of vacuum interrupter
|
Classification
|
Unit
|
Value
|
|
Rated volatge
|
kV
|
29
|
|
Rated short circuit breaking current
|
kA
|
20
|
|
Rated normal current
|
A
|
1,000
|
|
Lightning impulse voltage
|
BIL
|
175
|
그림. 1. 29kV 20kA 진공인터럽터의 내부구조
Fig. 1. An inside view of 29kV 20kA Vacuum Interrupter
그림. 2. 진공인터럽터 내부에서의 방전 패턴
Fig. 2. Discharge pattern in vaccum interrupter
2.2 진공인터럽터 내부 방전경로
진공인터럽터 내부에서 발생할 수 있는 방전의 경로는 여러 패턴으로 일어나는데, 그 패턴은 그림 2와 같다. 일반적인 사이즈가 작은 중저압용 진공인터럽터의 경우, 그림 2(a)와 같이 전극간에서 주로 방전이 발생되므로 극간 컨디셔닝을 진행하는 AC 컨디셔닝의 방식이 효과적이나, 그림 2(b)~(f)와 같이 내부 메인실드를 경유하는 방전이 발생되는 경우 기존 방식만으로는 효과가 줄어들 수 있다. 또한 보통 극간 컨디셔닝은 정격전압에 따라 3~10mm
정도의 작은 갭에서 진행하게 되는데, 전극간 거리에 비해 실드-전극, 실드-실드 거리가 더 멀기 때문에, 진공인터럽터 제품 상태에서의 실드에 직접
고전압을 인가하는 실드 컨디셔닝 효과는 크지 않을 수 있으며, 세라믹의 금속화나 실드 등 도체에 스트레스를 줄 수 있어 전압을 높여서 진행하는데 한계가
있다. 따라서 부품 단계에서의 컨디셔닝으로 그 효과에 대한 확인이 요구된다.
2.3 실드 컨디셔닝 설비 제작 및 시험
본 연구에서는 실드 컨디셔닝의 효과를 검증하기 위해 동일한 형상의 메인실드가 적용된 진공인터럽터를 이용하여 부품단계에서 실드 컨디셔닝을 진행한 경우와
제품단계에서 실드 컨디셔닝을 진행한 경우를 임펄스 내전압 시험을 통해 비교하였다.
먼저 완성된 진공인터럽터가 아닌 메인실드 부품의 개별적인 컨디셔닝을 진행하기 위해 고압력의 진공, 절연가스 환경에서 AC 200kV 정도의 절연내력을
갖는 시험용 탱크를 제작하였다. 그림 3은 29kV 진공인터럽터에 사용되는 메인실드를 컨디셔닝하기 위한 탱크 내부의 개략도이다.
그림. 3. 실드 컨디셔닝용 설비의 내부 구성
Fig. 3. Inner configuration of shield conditioning facility
그림. 4. 실드 부품 전압 컨디셔닝 설비 및 시험전경
Fig. 4. Shield part AC conditioning facility and test photograph
그림. 5. 실드 부품 컨디셔닝 결과
Fig. 5. Test result of shield conditioning
그림 4(a) 및
(b)는 실드 컨디셔닝을 위한 회로도 및 실드 컨디셔닝용 탱크를 컨디셔닝 설비에 설치한 모습이다. 내부는
그림 3및
그림 4(c)와 같이 고전압을 인가할 수 있는 부분과 실드를 설치할 수 있는 부분으로 구성되어 있으며, 실드와 고전압 도체와의 거리는 약 5mm 정도로 균일하게
떨어져 있을 수 있게 설계, 제작하였다.
실드 부품의 컨디셔닝을 위해 미리 표면처리를 진행한 실드를 장치에 설치한 후, 탱크내부에 가스주입 및 진공배기를 실시하였다. 부싱 절연부의 압력은
SF6가스 0.2MPa로 충진했으며, 탱크하부 시험부는 10-3 torr의 압력을 유지하였다. 시험전압으로는 전압상승률을 조정해가며 AC 90kV까지
인가하였으며, 1분간 유지 후 중지하였다. 그림 5는 실드부품 컨디셔닝 결과로써, 인가전압 상승하면서 방전에 의한 누설전류가 많이 발생되고 있는 것을 볼 수 있으며, 이는 실제로 컨디셔닝이 잘 진행되고
있음을 의미한다. 특히 70kV 이상부터 많은 방전이 발생되고 있는 점을 미루어 적절한 컨디셔닝 인가전압은 70kV 이상으로 진행할 필요가 있다.
2.4 진공인터럽터 제작 및 컨디셔닝
실드 컨디셔닝 효과를 확인하기 위해 개별 컨디셔닝을 진행한 부품과 하지 않은 부품을 구분하여 진공인터럽터를 제작하였고, 완성된 제품은 그럼 6과 같다.
그림. 6. 29kV 20kA 주회로차단기용 진공인터럽터
Fig. 6. Vacuum interrupter for 29kV 20kA MCB
표 2. 각 시료별 실드 컨디셔닝 유무
Table 2. Presence or absence of shield conditioning of test samples
|
Test sample
|
Shield part conditioning
|
Shield conditioning
in vacuum interrupter
|
|
V.I #1, 2
|
O
|
O
|
|
V.I #3, 4
|
O
|
X
|
|
V.I #5, 6
|
X
|
O
|
|
V.I #7, 8
|
X
|
X
|
표 3. 전압 컨디셔닝 조건
Table 3. AC conditioning condition
|
Applied condition
|
Shield part conditioning
|
Shield conditioning
in vacuum interrupter
|
Electrode conditioning
in vacuum interrupter
|
|
Applied voltage [kV]
|
90
|
90
|
120
|
|
Distance [mm]
|
5
|
14
|
6
|
그림. 7. 진공인터럽터의 AC 컨디셔닝 파형
Fig. 7. AC conditioning waveform of Vacuum interrupter
시험 시료로 총 8ea의 진공인터럽터를 제작하였고, 컨디셔닝 조건은
표 2와 같이 총 4가지 조건으로 구분하였다. 제품 상태에서의 전극간 전압 컨디셔닝은 일반적으로 진행하므로 모든 시료에 대해 실시하였고, 실드 부품상태에서
컨디셔닝(Shield part conditioning)과 완제품 상태에서의 실드 컨디셔닝(Shield conditioning in VI)으로 구분하였다.
완제품의 전극간 컨디셔닝은 표 3와 나와있는 것처럼 극간 거리를 6mm로 하여 120kV의 전압을 인가하였고, 120kV 전압 유지 시간 동안 1mA 이상의 누설전류가 60초 동안
발생하지 않으면 종료하는 조건으로 컨디셔닝 하였다. 완제품 상태에서의 실드 컨디셔닝은 실드 부품 컨디셔닝과 동일한 조건으로 수행하였으며, 종료조건도
제품 극간 컨디셔닝과 동일하게 하였다. 컨디셔닝별로 인가전압을 다르게 하는 이유는 극간 컨디셔닝시에는 상부/하부의 2개 세라믹에 각각 전압이 분배되어
인가전압을 견디면 되지만, 실드 컨디셔닝을 진행할 때에는 상부/하부 각각의 세라믹이 인가전압을 견뎌야 하기 때문에 전압을 낮추어 진행할 수 밖에 없다.
극간, 실드의 인가전압값은 진공인터럽터의 제조사별, 정격별로 다르며, 대부분 실험을 통해 적정한 인가전압 값을 결정하여 사용한다.
컨디셔닝 결과, 그림 7에 나타낸 것처럼 극간 컨디셔닝은 90kV 이상에서 누설전류가 나타나면 컨디셔닝이 잘 진행것으로 보이나, 실드 컨디셔닝의 경우 실드-전극 또는 실드-실드
간 거리에 비해 인가전압이 낮으므로 컨디셔닝이 제대로 진행되지 않은 것으로 보인다.
표 4. 뇌임펄스 시험 결과
Table 4. Lightning impulse test results
|
Test sample
|
Polarity
|
Number of Tests
[N]
|
Number of failures
[N]
|
Initial Failure Voltage
[kV]
|
Last Voltage
[kV]
|
|
#1
|
(+)
|
34
|
4
|
180
|
220
|
|
(-)
|
31
|
7
|
-170
|
-220
|
|
#2
|
(+)
|
31
|
2
|
190
|
220
|
|
(-)
|
27
|
3
|
-190
|
-220
|
|
#3
|
(+)
|
37
|
7
|
170
|
220
|
|
(-)
|
31
|
5
|
-160
|
-220
|
|
#4
|
(+)
|
44
|
10
|
180
|
220
|
|
(-)
|
46
|
14
|
-170
|
-220
|
|
#5
|
(+)
|
61
|
18
|
160
|
220
|
|
(-)
|
56
|
23
|
-160
|
-220
|
|
#6
|
(+)
|
68
|
21
|
160
|
220
|
|
(-)
|
51
|
19
|
-170
|
-220
|
|
#7
|
(+)
|
83
|
38
|
150
|
190
|
|
(-)
|
78
|
31
|
-140
|
-220
|
|
#8
|
(+)
|
76
|
26
|
150
|
220
|
|
(-)
|
59
|
21
|
-160
|
-220
|
3. 절연시험 및 결과고찰
3.1 뇌충격내전압 시험 결과
컨디셔닝 완료 후 절연성능을 확인하기 위해 뇌충격내전압시험을 진행하였다. 제작된 진공인터럽터의 갭 길이는 14mm이고, 외부 섬락을 방지하기 위해
외부 절연매질은 SF6 gas를 사용하였다. 사용된 시료의 정격 뇌충격내전압 값은 175BIL이지만, 임펄스 시험을 진행하는 과정에서 임펄스 컨디셔닝이
되는 효과도 고려함과 동시에 절연파괴가 발생하는 하한값도 관찰하기 위해 130kV부터 10kV 단위로 상승시키며 설비 최대치인 220kV까지 시험을
진행하였다. 또한 2회 연속 절연파괴가 발생하지 않으면 전압 상승, 2회 연속 절연파괴가 발생하면 전압을 하강시켜가며 시험했으며, 시료별로 정극성
시험 종료 이후, 부극성 시험을 진행하였다. 최대한 220kV의 전압까지 시험을 하고자 하였으나, 7번 시료 정극성 시험은 시간관계상 시험 횟수가
많아지고, 동일한 전압에서 파괴가 많아 190kV(83회 인가)에서 종료하였다.
그림. 8. 정극성 뇌임펄스 시험 결과
Fig. 8. Positive lightning impulse test curve
각 시험 시료의 뇌충격내전압시험 결과를
표 3 및
그림 8에 나타내었다. 3가지 조건의 컨디셔닝을 모두 진행(실드 부품 컨디셔닝, VI 극간 컨디셔닝, VI 실드 컨디셔닝)한 시료 #1 및 #2는 인가횟수와
실패 횟수의 경우 모두 우수한 결과를 보였고, 극간 컨디셔닝만 진행한 시료 #7 및 #8은 가장 안 좋은 결과를 나타내었다. 또한 실드 부품 컨디셔닝을
개별적으로 진행한 시료 #3 및 #4와 완제품 상태에서 실드 컨디셔닝을 진행한 시료 #5 및 #6의 경우 개별적으로 실드 부품 컨디셔닝을 진행한 시험의
결과가 인가횟수, 실패 횟수 면에서 더 우수한 결과를 보였다. 결과적으로 실드 부품 컨디셔닝을 진행한 시료가 완제품 상태에서의 실드 컨디셔닝을 진행한
시료에 비해 높은 내전압 성능을 보이는 것을 확인하였다.
3.2 전계분포 분석
뇌충격내전압시험 결과 3가지 조건의 컨디셔닝을 모두 진행한 경우와 극간 컨디셔닝만 진행한 경우는 컨디셔닝 횟수에서도 차이가 있기 때문에 시료별 절연성능
차이가 발생할 수는 있지만, 실드 부품 컨디셔닝(#3 및 #4)과 제품 상태에서의 실드 컨디셔닝(#5 및 #6)은 동일한 전압을 인가해주었음에도 불구하고
종료시까지의 시험 인가횟수나 실패횟수에서도 많은 차이가 발생하였다. 이는 제품 내에서의 실드-전극, 실드-실드의 거리가 실드 부품 컨디셔닝시의 거리
조건과 비교하였을 때보다 더 멀기 때문이므로 적정한 컨디셔닝 전압 조건을 확인하기 위해 각 컨디셔닝 조건에서 전계분포를 확인해보았다.
전계해석은 진공인터럽터의 극간 컨디셔닝 조건에서는 고전압 측에 120kV를 인가하였으며, 실드 컨디셔닝 조건에서는 각각 90kV를 인가하였다. 보통
전계해석은 뇌충격내전압값으로 시행하나, 본 해석은 최대전계가 발생되는 지점 확인이 목적이므로 AC 컨디셔닝 전압값으로 비교하였다. 전계분포 해석 결과,
그림 9와 같이 극간 컨디셔닝 조건에서는 전극부에 20kV/mm 정도의 최대전계가, 실드부는 30% 수준인 6.3kV 정도의 전계가 발생되었다. 이 결과를
토대로 극간 컨디셔닝시에는 주로 전극부에서만 컨디셔닝 효과를 얻을 수 있을 것으로 보인다. 이에 비해 실드 컨디셔닝 조건에서는 그림 10과 같이 최대전계가 10.3kV/mm이며, 극간 컨디셔닝에 비해 50% 수준이므로 컨디셔닝 효과를 얻기 위해서는 인가전압을 높여야 효과를 볼 수 있을
것으로 보인다. 마지막으로 실드 부품 컨디셔닝 조건의 해석 결과, 최대전계는 24.7kV/mm이며 이는 극간 컨디셔닝 조건의 120% 정도이다. 따라서
시험시 인가한 90kV의 전압의 83% 수준인 75kV 정도만 인가되어도 충분한 컨디셔닝 효과를 볼 수 있을 것으로 판단한다.
4. 결 론
진공인터럽터의 내전압 성능 향상을 위한 전압 컨디셔닝 조건을 확인하였다. 일반적으로 많이하는 극간 컨디셔닝을 기본으로 진행하였고, 고압 진공인터럽터의
경우에 수행하는 실드 컨디셔닝을 부품 개별로 진행한 것과 완제품 상태에서 진행한 결과를 비교하였다.
실드 부품을 개별로 컨디셔닝 한 시험의 결과가 완제품 컨디셔닝과 비교하여 더 절연성능이 우수한 것을 확인할 수 있었고, 전계분포 해석 결과와 진공인터럽터
구조의 한계점을 고려하여 생각해보면 완제품의 실드 컨디셔닝의 전압이 부족할 수 있다고 사료된다.
다만 시험에 사용된 시료가 많지 않아 동일한 조건의 시료에서도 약간의 차이가 발생했다. 이는 컨디셔닝 조건과 관계 없이, 진공인터럽터 제조시에 부품들의
가공, 취급 상태와 완성된 진공도 등이 어느 정도 영향이 있었다고 생각된다. 또한 연구의 목적과 그 응용을 고려하였을 때, 개별 실드 컨디셔닝을 위한
준비 시간과 설비 등을 고려하면 제품 생산에 적용할 수 있을지에 대해서는 방법과 설비 측면에서 더 연구가 필요하다고 생각된다.
그림. 9. 진공인터럽터의 AC 컨디셔닝 조건에서의 전계해석. (a) 극간 컨디셔닝, (b) 실드 컨디셔닝
Fig. 9. Electric field analysis of vacuum interrupter in AC conditioning condition.
(a) Electrode conditioning, (b) Shield conditioning.
그림. 10. 실드 부품 컨디셔닝 조건에서의 전계해석
Fig. 10. Electric field analysis in shield part conditioning condition
Acknowledgements
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 철도차량부품개발사업의 지원으로 수행되었음 (과제번호 : RS-2020-KA156008)
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Lightning Impulse Voltage in Vacuum, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation,
Vol. 23, No. 2, pp. 813-818
저자소개
He received M.S degree in electrical engineering from ChungBuk national university,
Chungcheongbuk- do, Korea in 2014.
His research interests are insulation design, vacuum technology.
He is researching and developing medium/high voltage vacuum interrupters, vacuum
capacitors at VIZTROEM R&D Center.
He received B.S degree in electrical engineering from Soongsil university, Seoul,
Korea in 2014.
He is researching and developing medium/high voltage vacuum interrupters at VIZTROEM
R&D Center.
He received M.S degree in electronic meaterials engineering from Suwon university,
Gyeonggi- do, Korea in 2011.
He is researching and developing surge protected device and medium/ high voltage
vacuum interrupters, vacuum x-ray tube at VIZTROEM R&D Center.
He received the M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Hanyang University,
Seoul, Korea in 2000 and 2015, respectively.
He currently works in a R&D center in Vitzroem Co., LTD..
His present work focuses on power eqiupment using vacuum.
He received the M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Hanyang University,
Seoul, Korea in 1998 and 2007, respectively.
He worked as a BK21 assistant professor at the department of electrical engineering
in Hanyang University from 2009 to 2013.
He currently works in a R&D center in Vitzroem Co., LTD..
His present work focuses on vacuum application.