저압회로의 과전류 보호협조

저압회로의 과전류 보호협조

 

 

1. 개요

1) 관련 기술기준

전기설비기술기준 제42조(과전류차단기용 퓨즈등의 시설) 제⑥항 저압전로에 시설하는 과전류차단기는 이를 시설하는 곳을 통과하는 단락전류를 차단하는 능력을 가지는 것이어야 한다. 다만 그곳을 통과하는 최대단락전류가 10,000A를 넘는 경우에 과전류차단기로서 10,000A이상의 단락전류를 차단하는 능력을 가지는 배선용차단기를 시설하고 그곳으로부터 전원측의 전로에 그 배선용차단기의 단락전류를 그 배선용차단기보다 빨리 또는 동시에 차단하는 능력을 가지는 과전류차단기를 시설하는 때에는 그러하지 아니하다.

 

 

2) 해설

전기설비기술기준 제42조 제⑥항의 단서 조항은 저압회로중의 부하측 차단기의 차단용량 부족을 전원측 차단기가 직렬로 차단하는 것에 의해 부하측 차단기를 Back Up 보호하는 캐스케이드(Cascade) 보호방식에 대하여 규정하고 있다.

 

여기서, 전원측 차단기는 퓨즈 또는 배선용차단기중 어느 것이나 좋지만 부하측 차단기를 배선용차단기로 제한하는 것은 캐스케이드 차단방식에서 동작협조를 유지하기 위해서이다. 부하측 차단기의 부하말단에서 단락이 발생했을때 전원측 차단기와 부하측 차단기는 함께 동작하는 경우가 많고 보수 측면을 고려할때 부하측 차단기의 차단특성이 변화하지 않는 것이 좋기 때문이다.

 

또 부하측 차단기 설치장소의 최대 단락전류가 10,000A를 넘는 경우로 한정한 것은 저압회로의 부하측 전로에서 최대 단락전류가 10,000A를 넘으면 부하측 차단기의 차단용량은 발생한 최대 단락전류 이상의 차단용량을 가지는 것이 원칙이지만 경제상의 이유로 다소 급전 신뢰성을 저하시켜도 기술상 지장이 없는 계통에 있어서는 캐스케이드 차단방식을 적용한다.

 

따라서, 저압 배선용차단기 차단용량 적용방법은 부하측차단기 설치장소의 단락전류가 10,000A이상 넘는 경우에 있어서는 캐스케이드차단방식을 적용하여 전원측 차단기에 의한 차단으로 부하측 차단기를 보호하는 것이 인정되고 있다. 이때 부하측 차단기는 캐스케이드 차단협조조건을 만족하는 것이어야 한다.

< Fig01. 캐스케이드(Back up) 차단협조 >

 

 

3) Cascade(Back up) 차단협조 조건

캐스케이드 보호는 전원측 차단기의 차단용량이 충분하고 단락시에는 빨리 차단하여 부하측 차단기를 통과하는 에너지를 억제함으로서 가능하지만 그 조건으로는 다음과 같은 것이 있다.

① 통과전류 파고치가 부하측 차단기의 허용치(기계적강도)이하로 억제될 것.

조건 1)은 Back up하는 차단기의 직류억제효과, 즉 한류효과가 높을수록 협조를 얻기 쉽다는 것을 나타낸다.

 

② 통과전류에 의한 열적에너지(I2t)가 부하측 차단기의 허용치(열적강도)이하로 억제될 것.

조건 2)는 전류치와 함께 그 통과시간이 짧을수록 협조가 얻기 쉽다는 것을 나타내고 전원측 차단기는 고속차단이 요구된다.

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③ 부하측 차단기에 발생하는 아크에너지는 부하측 차단기 허용치 이하일 것

조건 3)은 부하측 차단기가 분담하는 아크에너지가 적을수록 협조를 얻기 쉬움을 나타낸다.

 

이는 전원측 차단기로서 개극시간이 빠르고 아크전압을 높게하는 차단방식이 바람직한 것을 나타내고 특히 한류차단방식이 Back up 협조에는 적절함을 나타낸다.

 

 

2. 저압회로의 과전류 보호

1) 보호협조

저압회로 보호 목적은 저압회로와 이에 접속되는 기기의 고장에 대해서 고장회로를 신속히 차단하여 고장구간을 최소화 하는데 있다. 이 목적을 위해서 사용되는 보호기기로서 ACB(기중차단기), MCCB(배선용차단기), 퓨즈, 전자개폐기가 있다. 이들 보호기기 적용시 보호기기 설치점에서의 추정단락전류를 안전하게 차단할 수 있는 것을 설치하여야 하나, 부하가 요구하는 급전조건의 정도, 보호기기의 배열상태, 경제성의 고려등 여러 조건에 따라 다음과 같은 보호방식이 취해진다.

< Fig02. 저압계통의 과전류 보호협조 관계 예 >

 

① 보호기와 보호대상과의 협조방식

과전류에 의한 전로, 부하기기의 파손, 소손을 방지하는 특성을 가진 보호기에 의해 보호대상을 보호하는 방식이다.

 

② 선택차단방식

고장회로에 직접 관계하는 보호기기만이 동작하고 다른 건전한 회로는 그대로 급전이 계속되는 것을 목적으로 한 회로의 보호방식이다.

 

③ 후비차단방식(캐스케이드 차단방식)

주배전반 모선에 접속되는 보호기기만이 설치점에서의 추정단락용량이상의 차단용량을 가지며 이것에 직렬로 이어지는 급전회로의 보호기기는 그 점의 추정단락전류 보다 작은 차단용량으로 구성하는 보호방식이다.

 

④ 전용량보호방식

모든 보호기기는 이것을 설치하는 점에 흐르는 추정단락전류 이상의 차단

 

용량을 지닌 보호장치로 구성되는 방식이며, 단락전류 차단에 대한 보호는 충분하여 가장 신뢰할 수 있는 방식이지만 경제적으로 값이 비싸지는 수가 많다.

전기회로 및 설비에 사고가 발생시 보호기를 사용하여 보호를 행하는 경우 협조종류에 따른 보호협조 적용방법은 표 1과 같으며, 개개의 보호기가 설치된 지점을 통과하는 단락전류 이상의 차단용량을 가지고 있는 보호 구성방식인 전용량 보호방식과 소전류정격의 과전류 보호기를 채용함으로서 차단용량이 작아 전원측 전로에 별도의 고차단용량 보호기(한류형퓨즈, 한류형 배선용차단기 등)를 시설하여 단락전류를 차단할 수 있는 캐스케이드 보호방식과의 비교는 표 2와 같다.

 

< 표01. 저압회로의 보호협조 >

협조의 종류		협조의 목적	협조의 적용
			과전류사고	지락사고
보호기와 보호대상물간의 협조		보호대상을 보호	○	○
보호기기간의 협조	선택차단협조	계통의 급전신뢰성 향상	○	○
	캐스케이드차단협조	경제적 보호구성	○	-

 

< 표02. 전용량 보호방식과 캐스케이드 보호방식 비교 >

방 식		전용량보호방식	캐스케이드방식
회 로 예
설 비 가 격		고 가	저 가
MCCB 차 단 용 량		고	저
전 원 측 보 호 기		무	유
보 호	과 부 하	MCCB	MCCB
	단 락	MCCB	FUSE
외 형		대	소

여기서는 전기설비기술기준 제42조에서 규정하고 있는 캐스케이드 보호협조 방식에 대하여 보호기기(ACB, MCCB, FUSE)를 대상으로 검토한다.

 

2) 저압회로 보호기기의 특징

저압회로에 사용되는 보호장치는 단락전류의 차단까지 할 수 있는 기중차단기(ACB) 배선용차단기(MCCB) 및 퓨즈 등의 차단장치와 기기의 과부하만을 보호하는 전자개폐기로 구분 할 수 있다. 계통의 말단에서는 단락용량이 작기 때문에 과부하 보호개폐기로 단락보호가 가능한 경우도 있지만 통상 단락보호에는 차단장치가 적용된다.

 

① 기중차단기(ACB)

기중차단기 정격차단전류는 단락발생후 ½사이클 동안의 단락전류를 기준으로 한 정격차단전류(대칭전류)로 표시된다. 기중차단기의 과부하 트립장치에는 순시, 단한시, 장한시 3가지 특성이 있으며 보호대상에 따라 이것을 조합해서 사용한다.

순시트립장치는 주회로에 직렬로 접속된 직렬 과전류 트립코일에 의해 전자식 트립장치로 되어 있는데 그 순시 전차단시간은 정격차단용량에 따라 상이하지만 30㎳～50㎳정도로 배선용차단기보다 긴 것이 보통이다.

 

② 배선용차단기(MCCB)

배선용차단기(Molded Case Circuit Breakers)는 전로보호를 목적으로 한 차단기로서 소호장치, 트립기구 등이 전부 절연물 용기내에 수납되어 있는 것이 특징이다. 그 차단용량은 KSC 8321에 각극마다 O-2분-CO의 동작책무로 1회 또는 3상교류에서 1회 차단 가능한 값으로 규정되어 있다. 트립기구는 과부하 보호용으로서 열동식 또는 전자식 시연트립장치가 단락보호용으로서 전자식 트립장치가 사용된다.

그 트립특성은 기중차단기의 단한시 특성을 제외한 것과 비슷하다. 또 차단기가 컴팩트하게 되어있어 순시 전차단시간은 정격차단용량에 따라 상이하지만 20㎳정도로 기중차단기보다 빠르며, 온도특성은 기중차단기와 동일하게 주위온도가 25℃이므로 주위조건에 알맞게 설계해야 한다.

원래 배선용차단기는 전로보호를 목적으로 하고있기 때문에 전동기 보호에는 적당하지가 않다. 전동기 보호에 대해서는 전동기용으로서의 배선용차단기(유도전동기 보호 겸용)는 개발되어 있지만 일반적으로 배선용차단기는 다빈도 개폐에 적합하지 않고 보호특성이 전동기의 과부하 보호에 적합하지 않기 때문에 전동기 회로에는 전자개폐기와 직렬로 사용하는 것이 바람직하다. 종래의 배선용차단기는 차단용량이 작았지만 최근에는 단락전류에 의한 전자 반발력을 이용한 한류차단형이 개발되어 차단전류가 200kA를 초과하는 것도 제작되고 있다.

[한류형차단기] 한류형 배선용차단기는 전자반발력을 응용한 한류차단기구에 의해 큰 차단용량을 갖는 차단기이다. 이것은 사고전류 차단시의 한류효과가 크기 때문에 전류나 기타 기기에 대한 기계적, 열적 보호 효과가 크며 대용량 계통의 차단기로서 적당하다. 또 한류차단기를 채용하면 통과전류의 파고값이 억제되기 때문에 전로에 대한 기계적 충격도 경감된다. 단락전류가 발생시 전자 반발력으로서 가동접촉자와 고정접촉자가 떨어진 반발개구 동작시간은 1㎳이내의 극히 빠른 시간에 이루어지는 한류효과를 발휘한다.

 

③ 한류형퓨즈

퓨즈는 금속의 용융 특성을 이용한 사고검출과 차단기능을 겸한 보호장치이다. 퓨즈를 적용하는데 기준이 되는 것은 용단특성이며 퓨즈의 정격전류에 가까운 곳에서 용단시간이 대단히 길다. 그러나 전류가 대단히 커지고 발생한 주울열이 전부 퓨즈 소자의 온도 상승에만 소비되는 단시간 현상에서는 그 퓨즈의 재질, 크기 등에 따라 전체 차단에너지 I2t가 결정되고 적용하는 회로의 단락전류가 아무리 크더라도 실제로 차단하는 전류는 일정해지고 그림과 같은 한류작용을 나타내게 된다.