차단기의 종류 / 사용전압별 차단기선정방법

차단기의 종류 / 사용전압별 차단기선정방법

 

1. 개요

1) 차단기의 기본원리

모든 전기회로는 전원 ☞ 차단기 ☞ 부하장치의 기본요소로 구성된다.

전원의 역할은 부하장치에 전기에너지를 공급함에 있고 이 전기에너지는 부하장치로부터 다른 에너지로 변환시킨다. 차단기의 성능은 전기회로를 개폐하는 것으로 전력을 전원으로부터 부하장치에 전달하기도 하고 저지하기도 하여 임의로 선택할 수 있다. 이상으로부터 차단기에는 2가지의 동작상태가 있는 것을 알 수 있다. 즉, close 상태에서는 공급전압과 회로 전 임피던스로부터 정해지는 전류가 차단기를 통하여 흐르고 open 상태에서는 전류는 "0" 이지만 전원전압이 그대로 양 전극간에 나타나게 된다.

 

따라서 차단기에는 정격전류와 정격전압, 정격차단전류가 있다, 정격전류라 하는 것은 전류를 연속해서 흘려도 각부의 온도상승이 규정 허용최대치를 넘지 않는 최대전류이고, 정격전압이라 하는 것은 지속적으로 견딜 수 있는 전압의 상한이다. 또 정격차단전류라 하는 것은 사고시의 고장전류를 차단 및 투입할 수 있는 한계전류치를 말한다.

또한, 차단기의 기능은 지속전류를 전달하기도하고 전압이 걸려있는 상태에서 open 상태를 유지할 뿐만 아니라 어느 상태로부터 다른 상태로의 변환이라는 중요한 기능을 가지고 있다. 이러한 스위치 작용은 차단기의 동작직전,동작직후의 전압에 따라서 조건이 달라진다. 즉, 접점이 닫히는 순간에 흐르는 투입전류와 그 정격전압, 접점이 열리는 순간에 생기는 회복전압과 그 순시전류에 따라 달라지게 된다.

 

2) 차단기의 설치목적

평상시 정상부하를 개폐하고, 이상상태 발생시에는 신속히 회로를 차단하여 회로에 접속된 전기기기 및 전선류를 보호하기 위한장치로서 사용장소, 사용전압, 차단용량에 따라 선정하여야 한다.

 

3) 차단기의 구성

차단기는 그 기능을 생각해 볼 때 다음의 5가지 주요부분으로 구성되어 있다.

 

2. 종 류

차단기는 구조 및 소호방식에 따라 분류할 수 있다.

1) 유입차단기(OCB : Oil Circuit Breaker) (TCB : "T" Type Minimum Oil Circuit Breaker)

유입차단기는 전로의 차단이 절연유를 매질로하여 동작하는 차단기 즉, 절연유를 소호매질로 하는 것으로서 탱크형 유입차단기는 탱크 내부의 절연유 중에서 소호를 시키는 것이며, 소유량형은 탱크 대신 자기의 애관을 사용한 것이다.

사용되는 절연유는 일반적으로는 전류차단시 발생하는 아크에 의해 주변의 절연유를 분해시켜 수소, 아세칠렌,메탄,에탄 등의 가스가 발생된다. 이들 가스의 성분비율 중 50~70%가 수소이고 이 수소가스는 4000°K 정도의 고온에서도 아주 열전도율이 높기 때문에 아크의 냉각효과가 크다. 특히 소호실을 따로 가지는 油차단기는 피스톤효과에 의해 고온 고압가스가 분출구멍으로부터 분출할 때의 단열패창한 냉각효과와 소호실의 구성에 따라 얻어질 수 있는 아크의 제어 신선한 절연유의 보급 치환작용 등에 의한 절연회복의 촉진 등 많은 효과를 기대할 수 있다.

 

2) 자기차단기(MBB : Magnetic Circuit Breaker)

자기 차단기는 아크를 Arc Shoot와 같은 Ion 장치 중에 구동시킬 자기회로를 가지고 있어 대기중에서 전로의 차단을 하는 차단기를 말한다, 대기중에서 전자력에 의해 소호장치 내에 Arc를 구동하는 것이다.

2-1) 소호원리

전압이 3KV 이상에서 전류가 수천 암페어 이상으로 되면 대기중에서 소로 시키기에는 상당히 곤란하지만 대기중의 아크를 2매의 적당한 절연파늬 사이로 유인하면 비교적 간단히 차단될 수 있다는 것이 W.H社의 J.Slepian에 의해 실험으로 확인된 것을 시발로 하여 현재의 자기차단기는 역 V자 홈을 가진 내열자기제의 소호판을 적당한 매수로 적층시켜 Blow out Coil과 자극을 설치하여 아크전류를 Blow out Coil에 흐르게 하여 자계를 만들어 이 자계와 아크에 의한 전자력에 의해(이 경우 아크를 전류가 흐르는 도체로 간주하여 플레밍의 왼손법칙을 적용하면 아크의 운동방향을 알 수 있다) 아크를 소호실 안으로 불어 넣게 된다.

대기중의 아크는 고온에서 전리상태의 기체이므로 다른 차단기와 같이 최종적으로는 냉각에 의해 전리상태로부터 절연체로 환원하게 되는 것이다. 이것을 消 ion 또는 소호라 한다.

 

자기차단기의 경우에 내열자기의 소호판 표면에 고온 아크가 닿게 되어 열전도에 의해 냉각 消 ion 이 되는 것이다. 이러한 냉각 작용을 효과적으로 하기 위해서는 소호판의 재질이나 역V자형 홈의 형상, Blow out Coil의 권수, 설치위치 등을 고려하지 않으면 안된다.

MBB의 소호원리는 상기와 같이 근본적으로는 냉각효과이지만 소호에 관련된 또하나의 장점은 한류효과이다. 이러한 한류효과는 적층시킨 소호판의 역 V자형의 홈 사이로 아크를 구동시켜 가늘고 길 게 늘어뜨림으로써 얻어질 수 있다.

 

3) 진공차단기(VCB : Vacuum Circuit Breaker)

진공차단기는 전로의 차단을 높은 진공중에서 동작하는 차단기로서 높은 진공중의 절연내력은 상당히 높고 또한 금속증기나 전하 입자의 확산에 의한 소호작용이 현저하기 때문에 이러한 특징을 살려서 진공용기 내에서 전류의 개폐, 차단을 행하도록 한 것이다.

대기압의 상태로부터 차츰 압력을 내리면 당초에는 절연내력이 저하하지만 다시 압역을 내리면 절연내력은 상승한다.

그래서 10-4 Torr 이하로 되면 압력에 관계없이 거의 일정한 절연내력(텅스텐 전극 사용시 100KV/mm)을 얻을 수 있으므로 진공차단기는 이 영역을 이용한고 있다.

이 진공차단기의 특성은 소형으로서 무게가 가볍고 불연성 무 소음으로서 수명이 길어서 차단기로서 기본적으로 필요한 고속도 고빈도 개폐기의 기능 및 차단성능이 우수하다.

 

4) 공기차단기(ABB : Air Blast Breaker)

공기차단기는 전로의 차단이 압축공기를 매질로 하여 동작하는 차단기를 말한다. 즉, 압축공기를 소호매체로 하는 것으로 그 특성은 압축공기에 의해 결정된다.

압축공기의 절연내력은 압력이 높아짐에 따라 증가하고 약 7kg/㎠ 에서는 새 절연유와 동등이상으로 된다.

 

5) 가스차단기(GCB : Gas Circuit Breaker)

가스차단기는 전로의 차단이 6불화황(SF6 : Sulfar Hexafluoride)과 같은 특수한 기체 즉, 불활성 Gas를 매질로하여 동작하는 차단기를 말한다.

SF6 차단기의 특징은 SF6 가스의 물리적, 화학적, 전기적 성질이 매우 우수하여 절연내력이 우수하고 소호능력이 뛰어나며 아크가 안정되고 회복이 빨라 고전압,대전류 차단에 적합하다.

차단시에 외부로 가스를 흡출하지 않아 공기차단기와 같은 폭발음이 없어 소음공해가 없으며, 변압기 여자전류차단과 같은 소 전류 차단에도 안정된 차단이 가능한다.

과전압의 발생이 적고, 아크소호 후 절연회복이 매우 우수하여 근거리 선로고장, 탈조차단, 이상지락 등의 가혹한 조건에서도 강하며 소형으로 축소가 되는 등의 장점을 가지고 있기 때문에 최근에 급속히 사용되고 있다.

종류로는 차단부 압력방식에 따라 이중압력형과 단일압력형으로 분류되며 구조적으로 보면 애자형(Live Tyoe)과 탱크(Dead Tank Type)형으로 분류되나 최근에는 구조가 간단하고 신뢰성이 높고 보수가 용이한 단일 압력형(Puffer Type)이 널리 사용되고 있다.

 

5-1) 가스 절연 전력용 기기에 사용되는 SF6 가스의 특성

5-1-1) 물리적 ·화학적 성질

· 열전달성이 뛰어나다(공기의 약 1.6배)

· 화학적으로 불활성이므로 매우 안정된다

· 무색,무취,무해, 불연성의 가스이다.

· 열적 안정성이 뛰어나다(용매가 없는 상태에서는 약 500℃까지 분해되지 않는다)

5-1-2) 전기적성질

· 절연내력이 높다(평등전계 중에서는 1기압에서 공기의 2.5배~3.5배, 3기압에서 기름과 같은 레벨의 절연내력을 갖고 있다. 가스차단기에는 보통 5기압의 가스를 봉입하여 사용하고 있다.)

· 소호성능이 뛰어나다.

(소호력은 공기의 100배정도, 즉 SF6 가스의 특이한 열화학적 특성 및 현저한 전기적 負性에 의하여 고유 아크시정수가 공기에 비해 1/100 이하로 되는 특히 우수한 성능을 가지는 소호실로 되어 있다. SF6 가스차단기에는 발생한 플라즈마 공간에 가능한 다량의 신선한 SF6 가스 분자를 공급할 필요가 있으므로 노즐을 통하여 아크에 가스를 불어 넣기도 하고 또는 전자적으로 아크를 회전시켜서 아크를 신선한 가스분자 영역으로 유도하는 등의 방식이 취해진다)

· 아크가 안정되어 있다.

· 절연회복이 빠르다.

 

3. 사용전압별 차단기선정

1) 차단기선정시 고려사항

차단기에 통전과 절연외에 중요하게 요구되는 주 역할은

- 전력계통의 평상시 개폐

- 고장의 신속한 선택차단으로 피해의 최소화

- 계통의 유효한 사용이며

고장회로의 조건에 따라 차단기에 요구되고 있는 차단조건은 아래와 같다.

· BTF(Bushing Terminal Fault)

차단기의 부하단자에서 일어난 단자 단락고장을 말하며, 계통의 단락고장 중 가장 가혹한 조건이 된다.

· 진상소전류차단

무부하의 송전선 충전전류나 콘덴서회로의 전류같은 진상 전류를 차단하는 조건이며 충전전류 차단이라고도 한다. 전류차단의 성공여부 보다도 차단에 따르는 이상전압의 발생이 문제가 된다.

· 지상소전류차단

무부하의 변압기 여자전류 같은 지상 소전류의 차단을 행하면, 강한 소호능력으로 인해 전류 절단을 일으키고 전류의 자연영점 이전에 전류차단을 해하며 회로 인덕턴스로 인해 높은 이상전압을 발생하는 경우가 있다.

· SLF(Short Line Fault)

단락고장중 차단기에서 비교적 근거리 선로에서 발생한 것을 말한다. 이 고장전류를 차단하면 차단기와 고장점 사이에 전위의 왕복진동이 생기고, 이석이 과도 회복전압의 초기부분에 나타나기 때문에 차단기의 동작책무를 어렵게 한다.

· 탈조차단

계통이 연계되어 대규모 계통이 되면 차단기 양측에 전원이 존재하게 되는데 양측의 전원이 같은 시기에 어긋날 때 이 차단기에서 계통을 분리할 경우에는 통상 단락 차단보다 훨씬 큰 회복전압이 된다. 그 값은 통상의 2.5배 정도로 된다.

· 이상지락차단

차단기를 사이에 두고 그 양측에 서로 다른상에서 지락이 발생하고 이것을 차단할 경우 회복전압은 상전압의 √3배(정격전압과 같다)가 된다.

 

2) 차단기 선정의 표준치

차단기의 선정은 정격전류 및 계산한 단락용량을 기준하여 전기적,열적,기계적 강도를 고려하여 여유(일반적으로 단락용량은 계산치의 120-160%)를 두어 선정한다.

[표] 차단기의 정격표준 치(ESB150)

 

[표] 전압별 차단기의 선정