2.1 차단기 접점 구조

차단기, 개폐기 및 접지 스위치의 전로 개폐를 담당하는 접점은 가동전극과 고정전극으로 이루어져 있다. 가동전극은 차단기를 움직이게 하는 기계가동부와 연동되어 있어 차단기가 close 상태일 때는 고정전극과 접촉되어 있고, 접촉저항을 최소화시켜 전류에 의한 손실이 발생하지 않도록 유압이나 압축공기 등을 통해 충분한 기계적 스트레스를 걸어 압력을 가하고 있다. 또한 Trip 시에는 가동전극을 적절한 속도로 이동시켜 극간의 절연거리를 신속히 확보함으로써 아크 발생에 따른 접점의 용삭을 최소화시킬 수 있도록 해야 한다.

상기 가동접점과 고정접점은 각각 아크의 발생과 소호가 이루어지는 아크 접점과, 아크 접점의 지지 및 통전을 담당하는 주 접점을 포함하고 있는 구조로 그림 1과 같이 설계된다.

아크 접점의 경우 차단 시 아크를 유도하기 위해 극도의 불평등 전극 구조로 설계되어 있어 아크의 지속적인 발생에 따른 전극 용삭이 주로 발생하는 지점이나, 주접점이나 접촉자의 경우 실제 접점 전반에 가해지는 기계적인 스트레스를 감당하는 요소 부품들임에도 불구하고 아크의 영향이 상대적으로 적은 것으로 알려져 있다. 따라서 기존까지의 연구는 아크 발생에 따른 아크 접점의 용삭 및 마모에만 국한되어 있으며, 주접점이나 접촉자의 기계적 마모에 따른 영향 분석과 관련된 연구는 부족한 실정이다.

2.2 차단기 접점 동작특성 분석

접점 동작특성 분석 기법은 GIS 내 차단기, 단로기 및 접지개폐기의 전기적인 동작시간 및 Trip/Close 신호와 전류를 취득하고, 데이터를 이용하여 GIS의 운전 상태를 감시하여 접점 이상 유무를 진단하는 분석 방식이다.

부하가 존재할 경우 접점이 움직이는 동안 극간에서는 과도전압이 발생하며, 극간 절연내력을 상회하는 과도전압이 인가되고 아크가 발생하여 절연이 회복될 때 전류 영점에 도달하여 소호가 이루어진다. 투입의 경우 차단과 반대 메커니즘으로, 극간 거리가 짧아지는 동안 순간적인 아크가 발생하며 양 전극이 기계적으로 접촉할 경우 아크가 소호된다. GIS 접점의 동작은 다음과 같다. GIS 내 접점 제어회로는 설비 조작 방식에 따라 A접점과 B접점으로 이루어진 제어 장치로 구성되며, 접점의 조합에 의해 시퀀스 제어가 이루어진다. A접점은 평상시에는 접점이 Off 상태이며 동작 상태에서 On 되는 접점을 의미하고, B 접점은 평상시에는 접점이 On 상태이며 기계적 동작 시 Off 되는 접점을 의미한다.

접점을 개방할 경우, 보호계전기에서 Trip 동작 신호가 주어지고 접점을 동작시키기 위한 내부의 압축공기 또는 유압 조건이 만족될 때, 제어 회로의 A 접점이 On 상태로 변화하면 Trip coil이 여자되어 접점이 개방된다. 반대로, 접점을 투입하고자 할 경우 보호계전기에서 Close 신호가 주어지고 접점 동작 조건이 만족될 때, 제어 회로의 A 접점이 Off 상태로 변화하게 되어 Close 코일이 여자되어 차단기를 투입하게 된다. 이때 Trip/Close 코일에 흐르는 전류를 측정할 경우 접점의 현 상태를 진단할 수 있다. 그림 2는 Trip 동작이 발생할 경우의 코일전류를 나타낸 그래프이며, 이를 활용한 접점 동작 특성은 다음과 같이 이루어진다. Trip 지령 이후, 코일로 여자전류가 공급되어 자기력을 형성한다(1-2). 여자전류가 공급되어 철심을 동작시킬 만한 충분한 자기력을 형성할 경우 철심이 이동하며(2-3), 래치(Latch)와 충돌하여 동작시킨다(3-4). 이후 철심은 다시 제자리로 복귀하게 되며, 접점 동작이 시작된다(4-5). 접점이 이동하는 동안코일이 포화될 때까지 지속적으로 여자전류가 공급되며(5-7), 개방이 완료될 때까지 여자전류를 유지한다(7-8). 이후 A 접점이 동작하며 여자전류를 차단하면서 Trip 동작을 완수하게 된다(8-9). 상기 프로세스 중, 본 연구에서 중점적으로 다루고자 하는, 접점 마모에 따른 영향을 직접적으로 받는 구간은 개방/투입이 이루어지는 5-8 구간이며, 접점 마모실험 이후 코일전류 취득을 통한 접점 동작특성 분석을 수행하여 접점의 기계적 마모의 영향을 분석하고자 한다.

또한 차단 접점 Trip 동작 시 부하가 존재할 경우 접점이 움직이는 동안 극간에서는 과도전압이 발생하며, 극간 절연내력을 상회하는 과도전압이 인가되고 아크가 발생하여 절연이 회복될 때 전류 영점에 도달하여 소호가 이루어진다. 투입의 경우 차단과 반대 메커니즘으로, 극간 거리가 짧아지는 동안 순간적인 아크가 발생하며 양 전극이 기계적으로 접촉할 경우 아크가 소호된다. 이와 관련하여 한전 규격에서는 코일이 여자되는 시점부터 아크가 소호되는 시점까지를 Trip 시간으로 명시하고 있으며, Trip 동작에 대한 정의를 그림 3과 같이 나타내었다. 실제 차단시간은 코일이 여자되어 접점이 동작하는 시점부터 아크가 발생하기 이전인 개리 시점까지의 개극 시간과 아크 시간의 합으로 표현하고 있다. 즉, 아크가 발생하지 않는 개극 시간에도 접점 동작은 이루어져 접점 마모가 순간적으로 발생하며, 이는 접점 수명특성에 영향을 주는 주요한 인자가 될 수 있다. 따라서 일반적으로 통용되는 아크에 의한 영향에 대한 분석뿐만 아니라, 기계적 스트레스에 의한 접점 마모 특성에 대한 분석이 필요하며, 이와 관련하여 본 연구에서는 코일 여자 이후부터 접점이 개리될 때까지의 기계적 마모가 접점에 가하는 영향에 대한 분석을 수행하였다.

3.1 실험 구성

무부하 접점 마모실험 구성은 그림 4와 같이 구성하였다. 기계적 마모에 따른 접점 동작특성 분석을 위해 가속열화 실험장치를 제작하였으며, 접점 동작은 압축공기 발생장치를 통해 실제 GIS 내부의 접점 동작 형태와 유사하게 구성하였다. 10초당 2~3회 이상 반복 조작이 가능하도록 카운터를 내장한 개폐 제어기를 설치하였고, 반복 개폐동작 시 Trip/Closing 코일전류를 취득할 수 있도록 관통형 CT를 취부하여 차단기 동작특성 분석을 동시에 수행함으로써 접점 마모에 따른 동작특성 변화를 측정할 수 있게 하였다. 접점 시료의 재질은 주접점, 보조접점, 아크 접점 모두 통전 성능 향상을 위해 구리 전극에 은도금을 한 형태로 설계하였으며, 고정전극과 가동전극의 아크 접점 접촉부는 텅스텐으로 추가 도금되어 실제 차단기 접점과 동일하게 제작되었다.

실험은 다음과 같이 이루어졌다. 접점 마모실험을 위해 접점의 동작을 연속적으로 수행할 수 있는 접점 개폐 제어기를 활용하여 투입/개방 동작을 반복시켰다. 마찰열에 의한 접점 마모의 최소화를 위해 충분한 냉각 시간을 가질 수 있도록 동작속도를 조정하였으며, 모의실험을 통해 5m/sec로 분당 3~4회 동작을 수행하도록 설정하였다. 접점의 한계수명인 20,000회까지 1일당 10시간씩 운전하는 조건으로 총 4개 접점 시료에 대한 마모실험을 진행하였으며, 실험을 통해 접점의 마모상태 및 접점 저항의 변화를 측정하였다. 접점 마모상태 분석은 중량 측정을 통해 이루어졌으며, 전자 질량계를 통해 측정하였다. 측정 시 고정 접점과 가동 접점의 주접점, 접촉자, 아크접점을 각각 분해하여 무부하 마모 시 기계적 스트레스가 집중되는 부품을 선정하기 위해 개별 부품에 대한 중량 변화를 측정하였으며, 정상 대비 질량의 변화율을 계산하여 부품의 마모율을 산출하였다.

3.2 마모실험에 따른 접점 접촉저항 및 질량 변화 분석

접점 마모시험 수행 시, 4개 시료에 대해 20,000회 무부하 개폐시험을 수행하면서 3,000회 내외의 동작횟수마다 고정접점과 가동접점 사이 접촉저항의 변화 및 주요 구성 부품인 주접점, 보조접점, 접촉자의 질량 변화를 측정하여 마모에 따른 영향을 분석하였다.

동작 횟수에 따른 접점 접촉저항 측정결과를 표 1과 그림 5에 각각 정리 및 도시하였다. 4개 시료 모두에서 10,000회 동작 이전까지는 접촉저항의 선형적인 상승이 확인되었으나, 13,000회 이후부터 급증하는 추세를 보여주었다. 접촉저항이 선형적으로 상승하는 마모 초기는 반복적인 상대운동과 가동전극이 고정전극으로 가하는 하중으로 접촉면에 크랙이 형성되는 표면피로 마모구간으로 분석되며, 크랙이 성장한 이후부터는 접촉표면에서의 진동과 절삭으로 인해 추가적인 절삭마모와 진동마모의 복합적인 작용으로 마모가 가속화되어 접촉저항이 급증한 것으로 사료된다⁽¹³⁾.

그림 6은 가동전극과 고정전극을 구성하는 부품을 해체하여 나타낸 사진이다. 마모시험 도중 일정 동작횟수마다 접점을 해체하여 부품 별로 질량을 측정하였고, 4개 접점 시료에서 측정한 질량은 표 2에 나타내었다. 또한 측정된 질량의 중간값을 계산하여 질량 감소율, 즉 마모율을 산출하였으며 이를 그림 7의 그래프로 나타내었다. 분석 결과, 가동전극의 마모율이 고정전극에 비해 전반적으로 높게 나타났으며 구성 부품 별 마모율은 아크 접점 > 접촉자 > 주접점 순으로 나타났다. 그림 8은 각 부품별로 표면 크랙 및 절삭면 발생 확인을 나타낸 사진이다. 사진으로부터 아크 접점의 손상이 가시적으로도 가장 크게 나타났음을 확인할 수 있다. 이는 주접점과 접촉자는 동일한 재질로 이루어져 있기 때문에 마모가 지속되더라도 표면 경도의 차이가 없는 반면, 접촉면이 은과 텅스텐으로 도금되어있는 아크 접점의 경우 마모가 발생함에 따라 내부의 구리층이 드러나 서로 다른 경도를 갖는 금속 간의 마모로 인한 질량 손실이 가속화된 것으로 분석된다. 이는 그림 7에서 확인할 수 있는 바와 같다. 가동전극의 아크 접점은 튤립(Tulip)형태로 구성되어 있어, 투입시 양 접점의 접촉면에서는 진동이 발생하게 되어, 표면피로 마모로 인한 크랙 발생 이외에도 충돌로 인한 절삭 마모가 발생하게 된 것을 절단면으로부터 확인할 수 있다. 이러한 마찰형태로 인해 아크 접점의 마모율이 높게 나타난 것으로 분석된다.

3.2 접점 마모 영향 분석

무부하 접점 마모시험 결과, 접점의 마모율은 전반적으로 0.03% 내외로 산출되었으며 실제 질량으로 환산할 경우 3.62g 로, 마모에 따른 질량 손실은 적은 것으로 보여질 수 있으나, 접점 표면에 형성되는 크랙과 접촉 저항의 급증을 확인하였기 때문에 접점 동작특성에 영향을 주는지에 대한 분석이 필요하였다. 이를 검증하기 위하여 무부하 마모시험장치 안에 장착된 Trip/Close코일에 전류 취득용 CT센서를 취부하여 시험 전후의 시료를 대상으로 Trip/Close 동작에 따른 코일전류 파형을 취득하였다. 시험은 동일한 마모시험 장치에 대해 접점 시료만 교체하여 코일전류 파형을 취득하는 방식으로 진행되었기 때문에 Trip/Close 코일의 권선비 또는 온도 등에 의한 변수를 배제하였다. 취득한 Trip/Close 코일 전류 파형은 그림 9(a)와 그림 9(b)에 각각 나타내었으며, 2.2절에서 언급한 5-8 구간에 해당하는 아크 발생 이전의 기계적 마모가 발생하는 개방/투입시간과 코일을 여자시키기 위해 요구되는 최대여자전류를 측정하여 표 3에 나타내었다.

실험 결과, 접점의 반복 동작에 따른 물리적 마모량은 소량임에도 불구하고 실제 접점 동작 특성에는 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 마모된 시료의 경우 접촉저항의 증가에 따른 접촉면에서의 마찰성분의 증가로 접점 가동을 위해 요구되는 에너지 총량이 증가되었기 때문에, 정상시료 대비 Trip/Close 코일 여자전류가 증가하였음을 확인하였다. 그로 인해 코일 동작에 추가적인 지연이 발생하게 되어 개방/투입 시간에도 영향을 주었으며, 개방/투입시간이 각각 3.16ms, 2.34ms 씩 증가한 것을 확인할 수 있었다. 수 ms에 불과한 지연이지만, 아크가 발생하는 전기적인 접점 개폐가 이루어지기 전에 이미 지연 차단의 발생 가능성을 확인하였다. 실제 차단기 개폐 상황에서는 아크의 지속 시간을 늘려 접점의 용삭 및 소손 확률을 높여줄 수 있어, 접점의 수명 열화를 가속화시킬 수 있는 요인이 될 수 있다. 또한 최근 접점 동작 시 아크 발생을 최소화시키기 위해 도입된 위상 개폐 제어기를 적용한다고 가정할 경우, 상기한 수 ms의 위상차는 정밀 개폐 제어에 악영향을 줄 수 있어, 개폐 제어 적용 시 기계적 마모에 의한 접점 손상분에 대한 추가적인 고려가 필요할 것으로 사료된다.

본 연구에서는 무부하 접점 마모시험과 접점 동작특성 분석을 통해 접점 동작 시 발생하는 기계적 마모에 의한 영향을 중점적으로 다루었다. 향후에는 본 기관에서 도입 중인 간이 합성시험설비 구축을 통해 아크 발생에 따른 추가적인 접점 소손 특성 및 그에 따른 전기적, 기계적인 마모의 영향에 대한 분석을 추가적으로 진행하고자 한다.