1. 서 론

전기에너지를 수송하는 전력 계통에는 낙뢰나 사고 발생 및 개폐기류의 동작 등 다양한 내·외부 요인들로 인해 정격 이상의 과전류(Over-current)가 계통으로 유입되며, 이러한 과전류는 전력 설비와 기기들의 오작동 및 소손의 원인이 된다. 따라서, 피해를 방지하고 최소화하기 위해 전력 계통에는 예상되는 고장전류의 크기를 계산하여 적절한 용량의 차단기를 설치하고 있다.

전력 계통에서 차단기는 유입되는 과전류를 부하로부터 분리하여 오작동과 손상을 막기 위한 보호기기이다. 전력 설비와 기기의 피해를 최소화하기 위해서는 차단기의 높은 신뢰도가 요구되며, 설치 후 사용 연한 내에서도 반복적인 과전류 유입 시 정상적인 동작이 보장되어야 한다. 이러한 특징은 배전계통에서 수용가에 가장 밀접하고 많은 수량이 설치되는 배선용차단기(Molded Case Circuit Breaker, MCCB)에도 동일하게 요구된다. MCCB는 초기 제품 설계 및 개발 과정에서부터 제품 표준에서 요구하는 성능을 만족하도록 제작되고, 성능을 검증하기 위해 내환경 및 전자기적합성 등 다양한 시험을 통해 신뢰성을 검증받고 있다 ^[1]. 하지만, 제품 표준에서 다뤄지는 요구사항들은 차단기가 사용되기 이전의 정상적인 상태에서 개극 시간 및 과전류 감지 능력 등의 동작에 관한 내용과 주변 기기 및 환경 조건에서 성능을 검증하는 것에 주요 목적으로 제시되고 있다. 실제 차단기의 운용 환경에서는 표준에서 요구하는 범위 이상의 과전류가 유입되거나, 유입 횟수 및 주기 등의 다양한 조건으로 인해 차단기의 내부 구성 요소들에 누적되는 손상과 성능의 변화가 발생할 수 있다. 특히, MCCB 내부에 구성된 고정전극과 가동전극 및 Splitter plate 등 구성요소들에는 과전류가 반복적으로 유입될 경우, 열적/기계적 스트레스의 누적이 발생할 수 있으며 이는 차단 성능을 비롯한 MCCB 동작 특성에 변화를 일으키게 된다. 또한 차단 동작이 수행되는 과정 중 고정전극과 가동전극 사이에서 발생한 고온/고압의 아크는 아크 소호부 내에 열가스(Heat-gas)를 형성하고, MCCB 내부의 절연체 및 Splitter plate와 접촉하여 물리/화학적 반응을 일으킴과 함께 표면에 흡착된다. 결국, 아크 소호부 내부에 잔류하는 열가스는 전극간의 절연회복성능을 감소시키고 차단 동작에도 영향을 끼치게 된다.

기존 연구에서 유입 과전류에 의한 차단기의 동작 특성 및 열가스에 의한 절연회복성능을 다룬 다양한 연구가 진행되었다 ^{[2- 14]}. 두 전극구조 사이 절연회복전압을 측정하고 영향과 특성을 분석하는 연구가 각각의 실험 회로에 따라 수행되었고 ^{[2- 4]}, 이를 저압차단기에 적용하여 내부구조와 대상 차단기의 종류별로 분석하는 연구가 수행되었다 ^[5]. 또한, 아크 소호부의 매질 및 내부 기체의 종류와 분포에 따라 차단기의 동작 특성에 대한 연구가 수행되었으며 ^[6], Splitter plate의 재질과 형상에 따른 절연회복특성 측정을 통하여 영향을 미치는 요인에 대한 분석이 수행되었다 ^[7]. 이후, 분산 전원 및 신재생에너지의 수요 증가에 따라 직류 계통의 차단기가 소전류 영역에서의 차단 성능을 개선하기 위한 구조개선안이 제시되었으며 ^[8], 고속도 차단기에서 두 접점 간의 아크 소호력 향상을 위한 형상과 재질의 최적화도 수행되었다 ^[9]. 이 외에도 전기철도 시스템에서 반복 유입되는 과전류에 의한 차단 동작의 변화를 유입되는 과전류 크기에 따라 분석하는 연구가 수행되었다 ^{[10- 11]}. 이러한 연구들과 같이 저압차단기는 수용가에 밀접하고 설치되는 환경이 다양하기에, 기기 자체의 동작 특성뿐만이 아니라 외부 환경에 의한 영향을 고려하여 다양한 연구가 진행되고 있다.

본 논문에서는 정격 이상의 과전류가 MCCB로 반복 유입 시 아크 소호부 내 형성되는 열가스가 Splitter plate에 흡착될 경우, 차단 동작에 미치는 영향을 분석하기 위해 과전류 인가 시스템을 활용하여 반복적으로 MCCB를 동작시키는 실험을 수행하고 차단 동작의 각 구간에서의 전압과 시간을 측정하였다. 반복 실험을 통해 과전류 유입에 의한 Splitter plate의 열가스 흡착이 누적됨에 따라 구간별 측정 결과를 바탕으로 MCCB의 차단 동작 특성 변화에 미치는 영향을 분석하였다.

2. Operation Characteristics of Molded Case Circuit Breaker

MCCB는 사고나 계통 내 조작 등으로 발생하는 과전류가 유입될 경우, 이를 부하로부터 신속히 분리함으로써 소손과 손실 및 오작동을 막기 위한 기기이다. 따라서 정상적으로 흐르는 정격전류는 차질 없이 흐르도록 접점의 접촉을 유지하여야 하고, 고장전류와 같은 과전류가 유입될 경우에는 짧은 시간 내에 이를 감지하고 접점을 분리하여야 한다.

이러한 차단 동작을 위해, 차단기에는 3종류의 내부 구성요소를 가지고 있다. 우선, 과전류가 유입될 경우 이를 감지하기 위한 감지부(Trip unit)가 있으며, 일반적으로 전류의 크기에 따라 단자에 연결된 바이메탈을 이용한 열동트립(Thermal–magnetic Trip)과 형식에 따라 정격전류(In)의 약 3~10배 이상의 과전류 유입에서 동작하는 순시트립(Instantaneous Trip), 그리고 순시트립 전류 범위 이상의 과전류에서 흐르는 전류의 전자반발력을 이용하여 동작하는 단락트립(Short-circuit Trip)이 사용된다 ^[11]. 감지부에서 과전류를 감지하면 트립 바를 구동시킴으로써 가동전극을 고정전극으로부터 분리하도록 동작하는 구동부(Operation Mechanism)가 있으며, 마지막으로 분리된 접점 사이에서 발생한 아크(Arc)를 제거하기 위한 아크 소호부(Arc Distinguishing unit)로 구성된다 ^[7]. 그림 1(a)는 MCCB의 각 구성요소를 나타내며, 그림 1(b)는 아크 소호부의 내부구조이다. 차단기의 과전류 차단 동작은 전류 영점(Current-zero Point) 이전에 발생하며, 전류 영점 이후에는 아크 소호부 내 고정전극과 가동전극 간 발생한 아크에 의해 형성되는 열가스로 인한 절연회복특성을 나타내게 된다.

그림 1. MCCB의 구성요소 및 아크 소호부 내부구조

Fig. 1. Components of MCCB and internal structure of arc distinguishing unit

그림 2. MCCB 차단 동작의 개략도

Fig. 2. Schematics of interruption process in MCCB

2.1 Before Current-zero Point

MCCB의 전체 차단 동작은 유입되는 과전류를 감지하여 고정전극과 가동전극의 접점이 분리되는 시점에서부터 시작하여, 차단이 발생하는 전류 영점까지의 과정 동안 이루어진다. 감지부에서 유입되는 과전류를 감지하면, 트립 바를 구동시켜 고정전극으로부터 가동전극을 분리하게 되고 이후 두 전극 사이에는 고온·고압의 아크를 형성한다.

두 전극 사이에서 발생된 아크에 의해서 아크 소호부의 내부에는 열가스의 형성이 동반된다. 이후에 아크는 아크 소호부 내에 작용하는 로렌츠 힘, 열가스의 압력 및 내부에 설치된 아크 러너를 통해서 Splitter plate 쪽으로 이동하게 되며, Splitter plate에 도달하는 순간 냉각, 신장 및 분할의 과정을 통해 소호된다. 또한, 아크가 접촉한 Splitter plate에서는 과전류의 에너지를 소모함으로써, 과전류의 크기를 제한하고, 차단 시점을 앞당기는 한류 효과(Current-limitation Effect)를 나타낸다. 그림 2는 전류 영점 이전에 차단기의 차단 동작이 진행되는 개략도를 나타낸다.

앞서 언급한 차단기의 차단 동작의 진행을 전압 파형을 통해 살펴보면 그림 3과 같이 나타난다. 차단 동작이 시작되는 과전류 감지 시점을 t0, 전극의 접점 분리를 t1이라고 하면 두 구간 사이를 t10으로 나타낼 수 있다. 마찬가지로 접점 분리 이후 Splitter plate로 아크가 이동하는 구간을 t21, Splitter plate에 도달하여 에너지를 소모하는 구간을 t32로 나타낼 수 있다 ^[12]. 특히, Splitter plate에 도달하는 t2시점은 아크가 이동 및 신장되며 서서히 증가하던 파형의 기울기가 크게 증가하는 형태로 나타난다.

그림 3. MCCB 차단 동작 중 전압 파형

Fig. 3. Voltage waveform during interruption process of MCCB

2.2 After Current-zero Point

MCCB의 차단 동작 과정에서 접점 분리 시 두 전극 간에 형성된 고온·고압의 아크는 아크 소호부 내 열가스를 형성하게 된다. 이때 형성된 열가스는 Splitter plate에서 유입 과전류의 에너지를 소모하여 전류 영점에서 아크를 소호함으로써 과전류를 성공적으로 차단한 이후에도 아크 소호부 내부에 잔류하게 되며, 이는 가동전극과 고정전극 사이의 절연내력을 낮추는 요인으로 작용한다.

잔류 열가스(Residual Hot-gas)에 의해 아크 소호부 내부의 두 전극 간의 절연회복전압(Dielectric Recovery Voltage, DRV)이 계통의 회복전압(Recovery Voltage, RV)보다 낮아지게 될 경우, MCCB의 차단 동작이 성공적으로 이루어져 유입 과전류를 제거하더라도 전극 사이의 아크가 다시 형성되는 재발호(Re-ignition)의 원인이 된다.

즉, 과전류 유입 시 MCCB의 차단 동작이 정상적으로 이루어졌음에도 불구하고 재발호로 인하여 차단이 실패하는 결과로 이어진다 ^[5].

그림 4는 MCCB에서 전류 영점 이후에 회복전압이 절연회복전압보다 높아짐에 따라 소호된 아크가 다시 형성되는 재발호 발생 과정을 전압 파형으로 나타낸다. 따라서 MCCB 동작 신뢰도 제고를 위해서는 차단 동작 특성 개선뿐만이 아니라 전류 영점 이후 절연회복특성에 대한 고려도 함께 요구된다.

그림 4. 재점호 발생 시점의 전압 파형

Fig. 4. Voltage waveform at re-ignition point

3. Experiment Set-up

반복적인 과전류의 유입에 따른 아크 소호부 내 Splitter plate의 열가스 흡착이 MCCB의 동작 특성에 미치는 영향을 실험적으로 분석하기 위해, 정격 이상의 과전류를 모의할 수 있는 전원을 구성하였다. 차단기의 감지부와 구동부의 원활한 동작 및 열가스 형성을 위해 정격전류를 초과하는 단락트립 영역의 과전류를 흘릴 수 있도록 시스템으로 구성하였다.

기존 연구에서는 커패시터 뱅크와 인덕터를 활용한 방전 회로 ^[2]와 전압 및 전류를 각각 별도로 실험 시료에 인가하는 시스템 ^[3]이 주로 사용되었으나, 본 논문에서는 회로 구조가 간단하고 용량의 변경이 용이한 방전 회로를 사용하였다.

3.1 Over-current Inflow System

그림 5(a)는 과전류 발생시스템의 실험 구성을 나타내고, 그림 5(b)는 방전회로의 회로도를 나타낸다. 상용전원 220 [V], 60 [Hz]를 변압기를 통해 승압한 뒤, 다이오드 브리지 정류기를 통해 커패시터 뱅크 C를 충전하고 출력 과전류의 주파수를 조정하기 위해 인덕터 L이 사용된다.

이후 순방향에서는 사이리스터 Thyr.에 게이트 신호 인가 시 체결된 MCCB로 과전류가 인가되며, 역방향에서는 과전류의 흐름과 크기 제어를 위해 다이오드 D와 저항 R로 구성된다. 실험 회로의 싸이리스터는 역전압이 큰 MCC312-16io1 모델을, 다이오드도 MPKC2SA200U60 모델을 병렬로 구성하였으며 저항은 2.5 [Ω]이다.

커패시터 뱅크의 충전 전압은 640 [V]이고 용량은 27266.27 [µF]이다. 인덕터는 0.258 [mH]이며, 이는 유입 가능한 최대 주파수인 60 [Hz]가 되도록 선정하였다. 해당 시스템에서 출력되는 과전류의 크기는 약 4 [kA]로 실험에 사용된 차단기 정격전류의 약 100배이며, 따라서 차단기는 전자 반발력을 사용하는 단락트립 동작을 수행하게 된다.

그림 5. 실험 구성과 회로도

Fig. 5. Experiment set-up and circuit diagram

3.2 Equipment Under Test and Test conditions

실험에 사용된 MCCB는 Schneider 사의 EZC100H3040 모델이며, 정격전류는 40 [A]이고 3극 100 [AF]의 사양을 가진다.

실험은 해당 차단기에 정격의 약 100배의 과전류가 반복적으로 유입되었을 때, 차단 동작이 수행되는 과정에서 전압 파형을 반복 횟수 당 각각 측정하여 Splitter plate에서 에너지를 소모하는 구간의 변화를 분석하였다. 매 실험 간 휴지기간을 10분 두고, 개폐조작을 통해 충분한 전극 표면 정비와 열가스 배출을 수행하였다.

그림 6(a)는 실험에 사용된 MCCB를 나타내고, 그림 6(b)는 해당 차단기의 아크 소호부 내 Splitter plate이다.

그림 6. 실험시료 (EZC100H3040)

Fig. 6. Equipment under test (EZC100H3040)

4. Results

그림 7은 과전류 반복 유입 시, MCCB의 차단 동작 기간 중 전압 파형의 변화를 나타낸다. 동일 차단기에 총 3회의 과전류를 유입하고 매번 유입 시마다, 차단 동작 중 전압 파형을 측정하였다. 아크 소호부 내에 형성되는 열가스의 양은 입력 과전류의 크기에 비례하고 반복적인 차단 동작의 수행은 열가스 외에 구동부 및 내부 구성요소에서의 소손을 발생하기 때문에, 정격의 100배인 과전류를 인가함으로써 열가스에 의한 뚜렷한 성능 변화를 집중적으로 관측하기 위한 실험 조건이다.

그림 7(a)의 Subject 1은 정상상태의 MCCB에 처음 과전압을 인가하였을 때 전압 파형이며, 이때 Splitter plate에서 과전류의 에너지를 소모하는데 소요되는 시간인 t32는 2.59 [ms]이다. 그림 7(b)의 Subject 2은 1회 과전류 유입으로 차단 동작을 수행한 MCCB이며, 과전류에 의해 발생한 열가스가 Splitter plate에 흡착이 된 상태로 t32는 2.60 [ms]이다. Subject 1과 Subject 2를 비교하면 아직까지 열가스 흡착에 의해 과전류 소모 시간의 변화는 없는 것으로 보인다. 하지만, 그림 7(c)의 Subject 3에서는 과전류 유입에 따른 차단 동작이 2회 수행되고, 그에 따라 열가스의 흡착이 지속적으로 발생한 상태에서 에너지 소모 소요시간 t32는 2.20 [ms]로 줄어든 것을 확인할 수 있다.

그림 8은 세 가지 실험 결과를 함께 나타내고, 각 결과의 t32 구간 동안 전압 파형의 면적을 보여준다. 한류 효과가 발생하는 Splitter plate 도달 시점부터 전류 영점까지의 t32 구간에서 전류의 파형이 동일하다고 보면 ^[5], 전압 파형의 면적은 Splitter plate에서 소모되는 과전류의 에너지를 의미한다.

그림 8(b)에서 과전류에 의해 발생한 열가스가 Splitter plate에서 흡착이 누적될수록 소모하는 에너지의 양은 Subject 1을 100 [%]로 할 때, Subject 2에서 96.89 [%], Subject 3에서 85.41 [%]로 점차적으로 감소함을 알 수 있다.

그림 7. 과전류 반복 유입에 따른 차단 과정의 전압 파형

Fig. 7. Voltage waveform of interruption process according to Over-current repeated inflows

그림 8. 전체 파형과 Splitter plate에서의 에너지 소모 구간 비교

Fig. 8. Total waveform and comparison of energy consumption period at splitter plate

이러한 결과는 과전류가 반복적으로 유입되면 차단 동작 수행 중 전극 간에 발생하는 아크에 의해 형성된 열가스가 차단기의 아크 소호부 내 위치한 Splitter plate에 누적 흡착되어 과전류의 에너지를 소모하는 시간을 감소시키고 소모하는 에너지의 양도 감소시켜 차단 성능이 저하되는 것을 나타낸다.

5. Conclusion

배전계통에서 MCCB는 내·외부 요인으로 발생하여 유입되는 과전류를 감지 후 부하로부터 분리하여 오작동과 소손 및 손실을 막는 보호기기로, 수용가에 가장 밀접하고 많은 수량이 설치되는 특징을 가지고 있다. 이러한 MCCB는 개발 및 완제품 단계에서 관련 제품군의 표준에서 요구하는 요구사항을 충족하도록 검증되고 있으나, 사용 중 성능 변화 및 교체 주기에 대한 기준은 명확하지 않다.

본 논문에서는 과전류가 반복적으로 유입됨에 따라, 차단 동작을 수행한 차단기의 성능 변화를 분석하기 위해 실험적 방법을 통해 연구를 수행하였다. 특히, 과전류 차단 과정 중 아크 소호부 내에 형성되는 열가스가 Splitter plate에 누적 흡착되는 경우, 과전류의 에너지를 소모하는 구간에서 소요 시간과 에너지양의 변화를 비교 분석하였다.

실험 결과, 과전류가 반복 유입됨에 따라 MCCB의 아크 소호부 내의 Splitter plate에 열가스가 누적 흡착될 경우, 전체 차단 동작 중 과전류의 에너지를 소모하는 구간인 t32에서 시간 감소가 발생하였다. 또한 측정된 전압 파형에서 해당 구간의 면적을 비교하면 Splitter plate에서 소모하는 에너지의 양도 지속적으로 감소하는 결과를 나타낸다. 이는 MCCB가 설치된 이후 지속적으로 차단 동작을 수행할 경우, 과전류의 크기를 제한하고 전류 영점에서 차단을 돕는 한류 효과가 감소하는 것을 나타내며 그에 따라 차단 성능이 매 동작마다 변화하여 점차 저하되는 것을 의미한다.

이러한 결과를 바탕으로 향후 연구에서 과전류 반복 유입 시 전류 영점에서 과전류의 차단이 실패하는 지점에 대한 분석을 통하여, 설치 환경 및 동작 빈도에 따른 유지보수와 교체 시점에 대한 정량적인 기준 정립에 도움이 될 것으로 판단된다. 또한, Splitter plate의 열가스 흡착 외에도 차단 동작이 반복됨에 따라 발생할 수 있는 성능 변화의 요인을 추가로 고려해 볼 수 있으며, 전류 영점 이후 극간의 절연회복 특성의 변화에 미치는 영향 분석 등을 통해 사용 중 차단기의 유지보수 및 진단 방법 연구에 도움이 될 것으로 생각한다.