1. 서론

진공차단기(VCB)는 다른 차단기에 비해 소형, 경량 및 유지보수가 간편하여 고압 유도성 부하의 전류차단에 가장 널리 사용되고 있다. 이 진공차단기는 차단시 발생하는 높은 아크 소호력에 의해 강제적으로 전류 영점을 만들어 내기 때문에 부하측에 높은 서지전압을 발생하는 것이 가장 큰 문제이다^(1-4). 진공차단기에 의한 투입 및 차단시에 발생하는 서지는 부하의 종류와 차단 조건에 따라 앞선 점호, 재점호, 재발호 및 다중 재발호 등 다양한 현상을 일으킬 수 있다^(1-6).

유도성 부하에서는 주로 재발호(re-ignition)에 이은 다중 재발호(multi re-ignition)가 문제이고, 용량성 부하의 경우는 재점호(re-strike)에 의한 서지전압이 부하측 기기에 영향을 주게 된다. 유도성 부하의 경우 투입시보다 개방시에 그리고 용량성 부하의 경우 개방시 보다 투입시 급준도의 서지전압으로 더 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다^(3-7).

진공차단기 개방시 발생하는 과도회복전압이 극간의 절연회복전압보다 높은 경우 아크소호가 완성되지 않는 상태의 재발호로 이어질 수 있다. 이 동작은 일시적이지만, 반복될 경우 부하측에 급준도 서지전압을 부하측에 전달하게 되어 권선절연을 열화시키는 주요 원인이 될 수 있다.

유도전동기와 같은 유도성 부하에 3상중 어느 한상에서 발생한 재발호가 다른 2개의 위상과 결합하여 고주파 전류를 흐르게 할 수 있다^(2,3,6). 이 현상이 나타날 경우 재발호시에 비해 아주 높은 급준도의 서지전압을 발생시키므로 유도전동기와 같은 유도성 부하의 권선에 전기적인 스트레스로 작용할 수 있으므로 크기를 분석하여 이를 줄일 수 있는 방법을 찾아내는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 재발호에 의한 고주파 전류가 인접된 상에 강제적으로 연계되어 3상이 동시에 차단될 때 발생하는 고주파 전류와 서지전압의 크기를 해석하여 서지전압의 크기를 줄이고, 파형의 급준도를 완화시킬 수 있는 방법에 대해 해석하였다.

2. 전류 재단과 서지전압

3. 해석 및 결과 분석

본 연구에서는 고압 3상 유도전동기에 진공차단기를 적용할 때 재발호에 의해 발생할 수 있는 3상 동시 차단시의 절연내력과 과도회복전압 그리고 각상의 전류차단과 부하측 단자에서의 서지전압의 크기를 모의하였다. 서지전압과 고주파 전류의 크기를 분석하기 위해 전자계과도전압해석 프로그램(EMTP)을 사용하였다⁽⁹⁾.

그림. 4는 대표적인 3.3㎸급 고압 유도전동기가 전원, 케이블 및 진공차단기에 연결된 회로를 나타낸 것이다. 차단기 개방시 과도전압의 크기를 분석하기 위해서는 전원측, 케이블, 차단기 및 유도성 부하인 전동기 부분으로 크게 분류할 수 있다. 전원측 및 케이블의 파라미터는 각각의 용량과 규격 그리고 설치 조건에 따라 구할 수 있다^(5,6).

그림. 4에서 전원측 파라미터는 변압기를 포함시켜 해석해야 하므로 단락용량으로부터 인덕턴스와 커패시턴스를 다음과 같이 구할 수 있다.

식(2)

여기서 P_s는 단락용량이고 f_s는 공진주파수이다. 모선에서 부하까지 케이블의 파라미터에 대해서는 집중정수 또는 분포정수를 적용할 수 있다. 유도전동기는 운전조건에 따라 파라미터가 달라지는데 정격속도로 운전하는 조건에서의 역률은 일반적으로 높은 편이지만, 기동시나 무부하로 운전하는 경우의 역률은 정격속도로 운전하는 경우에 비해 매우 낮은 편이다^(2,4,5,6). 또한 전압의 크기와 전동기의 용량에 따라 임피던스가 달라진다^(2,5,6). 같은 전압에서도 부하용량이 클수록 서지임피던스는 낮고, 같은 용량에서도 전압이 높을수록 서지임피던스는 높다. 이와 같이 운전조건, 전압 및 전동기의 용량 등을 고려하여 부하측에 표시한 저항과 인덕턴스를 구하면 된다. 그림. 4에서 전원측 커패시턴스(C_s) 및 부하측의 커패시턴스(C_p)는 상별 대지에 해당되는 것으로서 부하측의 커패시턴스는 부하의 서지임피던스로부터 운전조건 등을 고려하여 계산해야 한다.

그림. 5는 진공차단기의 개방시 다중 재발호가 발생한 것으로서 그림에서 극간절연내력(U[□], UN[△])과 과도회복전압(TRV[○])의 관계를 나타낸 것이다. 전류 차단 후 일정 시간 동안 아킹이 진행되는 동안에 과도회복전압은 절연내력보다 높아 다중 재발호를 일으킬 가능성이 있음을 알 수 있다. 차단 후 일정 시간이 지남에 따라 절연회복 특성이 과도전압의 크기를 상회할 경우 차단이 성공하게 되어 완전한 차단이 이루어지게 된다. 여기서 문제가 되는 것은 아주 짧은 기간 동안(8.0~8.5㎳사이) 재발호시에 다른 두상에 고주파 전류를 유입시켜 강제적으로 전류를 차단하는 경우이다.

그림. 5에서 과도회복전압이 극간절연내력보다 높은 경우 그림. 2,그림. 3에서와 같이 어느 한상의 고주파 전류에 의해 다른 두상을 강제적으로 동시에 차단하게 하는 경우가 존재할 수 있다. 3상 동시차단을 모의하기 위해 3상의 개방시간을 동일 조건으로 입력하였다. 그림. 6은 3상 동시 차단시 각 상의 전류재단현상을 나타낸 것이다. 이 상황은 그림. 1에서 나타낸 것과 같이 과도회복전압이 극간 절연내력보다 높을 경우 짧은 시간동안 고주파 전류가 차단기에 존재하게 되는 것이다. 이것이 나머지 상에 영향을 주어 동시차단의 원인이 될 수 있기 때문이다. 그림 6에서 A상에서 발생한 고주파 전류가 B, C상과 결합하여 더 큰 고주파 유도전류를 발생시킬 수 있다.

그림. 6(a)와 같이 차단기 개방시 발생한 고주파 전류는 첫 단계에서 여러 번의 재발호로 인해 다른 두 상에 영향을 주게 된다. 그림. 6(b), 그림. 6(c)는 첫 번째 상의 재발호에 의한 영향으로 전원 주파수 전류와 고주파 전류를 강제적으로 0으로 만드는 성분이 다른 두상에 나타나게 된다. 이와 같이 재발호에 의해 한상의 고주파 전류가 다른 두상에 결합되어 더 많은 고주파 전류를 일으킬 경우 급준파 서지전압을 발생시킬 수 있다.

전류 차단 이후에 발생한 다중 재발호 시점에 다른 두 상에 고주파 전류가 유도 될 수 있습니다. 세 개의 극이 모두 동시에 열렸으므로 다른 두 극은 여전히 아크를 통해 전류가 흐르게 된다. 이런 다음 회로의 위상 간에 용량성 및 유도성 결합이 일어나는 특수한 경우에 유도된 고주파 전류가 전원 주파수 전류의 진폭을 초과하는 진폭에 도달하면, 전류 제로가 만들어진다. 이런 경우 자연적으로 0보다 몇 ㎳ 앞서 전류를 차단시킬 경우 이 영향의 단점을 보완할 수 있습니다. 그러한 경우 재단 전류는 수십 또는 수백 암페어가 될 수 있으며, 전압은 매우 높아진다. 물론 진공 차단기에서 매우 빠른 절연파괴의 발생으로 인해 아주 높은 과도 과전압이 발생하는 것은 당연하다.

그림. 7은 3상 동시 차단이 발생할 때 부하측에서 급준도 서지전압을 나타낸 것이다.

그림. 7(a)에서의 급준파 과도전압은 그림. 6(a)에서 고주파전류에 의해 부하측에서 나타난 것으로 전동기 정격의 5[pu]에 해당되는 전압의 크기를 부하측에 나타내고 있다. 그림. 7(b), 그림. 7(c)는 첫 번째 상의 고주파 전류가 나머지 두상에 결합되어 강제적으로 전류차단이 일어난 경우 부하측에서의 급준파 서지전압의 크기를 나타낸 것으로서 그 크기는 약 10[pu]로서 매우 높은 전압크기를 나타내고 있으며, 파형의 준도는 IEEE에서 권고하는 허용범위를 훨씬 초과하고 있다⁽¹⁰⁾. 그림. 8은 IEEE에서 권고하고 있는 임펄스전압의 크기를 나타낸 것이다.

이와 같이 높은 크기의 급준파 서지전압의 크기 저감과 파형의 준도를 완화시킬 수 있는 대책이 필요하다. 본 연구에서는 큐비클 내부의 차단기 2차측에 ZnO(Metal-Oxide type) 고압용 서지흡수기(SA)를 설치하여 서지 전압의 크기완화와 파형의 준도를 낮출 수 있는 효과에 대해 분석하였다.

그림. 9는 SA 부착시 진공차단기의 개방시 각 상에서의 전류재단현상을 나타낸 것이다. 3상 동시차단의 조건에서도 재발호와 같은 조건이 성립하지 않아 고주파 전류가 나타나지 않으므로 재발호에 의한 3상 동시차단의 조건이 발생할 수 없게 된다. 그러나 한상의 전류재단에 의한 영향이 다른 두상에 일정시간이 지난다음 동시에 차단하게 한다. 따라서 단순한 재단전류에 의한 서지전압의 크기만 존재하게 된다.

그림. 10은 SA를 설치한 경우 과도회복전압과 극간절연내력을 나타낸 것이다. SA를 부착한 결과 과도회복전압(TRV)이 극간 절연내력보다 높지 않아 재발호가 발생하지 않음을 알 수 있다. 따라서 재발호에 의해 고주파 전류를 강제적으로 차단하여 다른 상에 영향을 주는 그림. 5와 같은 조건이 나타날 확률을 줄일 수 있음을 알 수 있다.

그림. 11은 재발호에 의해 고주파 전류가 발생하는 조건하에서 급준파 서지전압의 크기와 파형의 준도를 완화시키기 위해 차단기 2차측에 SA를 부착한 후 부하측 각상에 나타나는 전압의 크기를 계산한 결과이다. 서지 흡수장치를 사용하지 않은 그림. 7과 비교해서 서지 보호장치를 부착한 결과 전압의 크기를 줄이는 동시에 파형의 준도를 완화시키는데 아주 우수한 결과를 얻을 수 있다. 전압파형의 크기는 2[pu] 정도 이하로 유지할 수 있으므로 IEEE에서 권고하는 전압허용범위 이내로 유지 가능함을 알 수 있다.

그림. 11에서 첫 번째 상(A상)에 한번만 과도현상이 나타나지만, 두 번째(B상)와 세 번째 상(C상)에서 두 번의 과도전압이 나타났다. 이는 그림 9에서 알 수 있듯이 A상은 개방 후 바로 재단이 이루어지지만, 나머지 두 상에서 A상에 의해 일시적으로 영향을 받은 후 일정시간이 지난 다음 재단이 이루어지기 때문이다.

4. 결 론

본 연구에서는 유도성 부하인 진공차단기의 전류를 차단하기 사용할 때 다중 재발호와 같은 현상으로 인해 고주파 전류가 인접 상과 결합하여 3상이 동시에 차단할 때 발생하는 고주파전류의 변화와 서지전압의 크기를 분석한 것이다. 전류 차단 후 첫 번째 상에서 발생한 다중 재발호의 영향으로 다른 두상에 영향을 주어 동시 차단이 일어날 경우 전압의 크기는 매우 높아 급준파에 발생시에 허용하는 전압의 크기를 크게 벗어나게 된다. 따라서 이들 서지전압의 크기와 급준파를 허용할 수 있는 범위 이내로 완화시키기 위해 서지흡수장치를 부착한 결과 전압의 크기 저감과 파형의 준도를 완화시킬 수 있음을 확인하였다.