파워퓨즈(Power Fuse)의 정격 / 파워퓨즈의 특성 등

1. 퓨즈의 정격

1) 정격전압(kv)

전력퓨즈의 정격전압의 결정은 계통의 접지여부에 상관없이 최대 선간 전압에 의해 선정한다.

2) 정격차단전류(kA)

Fuse가 차단할 수 있는 단락전류의 최대치로서 교류분만의 대칭 실효치를 나타낸다.

3) 정격전류

퓨즈가 온도상승 한도를 넘지 않고 연속으로 흘릴 수 있는 전류 값이며 (A)로 표시한다.

3-1) 정격연속전류 및 특성 선정시 일반적 고려사항

· 예상되는 부하전류에 동작하지 아니하는 것일 것

· 과도적 서어지 전류에 동작하지 아니하는 것일 것

- 주 변압기의 여자돌입전류(일반적으로 0.1 초의 특성으로 하면 무리가 없다)

- 모터 및 축전기의 기동돌입전류(일반적으로 10 초의 특성으로 하면 무리가 없다)

· 타 보호기기와의 협조

[표] 주변압기에 대한 전력퓨즈의 정격선정 참고치

2. 퓨즈의 특징

1) 다른 개폐기기와 비교한 장점과 단점

2) 전력퓨즈의 단점을 보완하기 위한 대책

a. 용도의 한정

- 퓨즈 동작은 단락사고에만 하도록 정격전류를 선정한다.

- 상시,과전류를 차단하던가, 퓨즈 동작직후의 재투입이 필요한 곳은 사용하지 않는다.

b. 과도전류가 안전통전특성내에 들어가도록 큰 정격전류를 선정한다.

c. 사용계획시 용도, 회로특성, 퓨즈의 전류-시간 특성을 비교하여 적절한 정격전류를 정하도록 한다.

d. 過小정격의 배제

- 최소용단전류 이하에서 퓨즈가 동작하지 않도록 큰 정격전류를 사용한다.

- 최소 용단전류이하는 다른 기기로 보호한다.

e. 동작시에는 전체상의 교체한다.

- 퓨즈는 단락보호만 하며, 비보호영역에서 동작 또는 열화하지 않도록 충분히 여유를 가진 정격전류로 한다.

- 퓨즈 동작시에는 전체상의 퓨즈를 신품으로 교체한다(예비는 3상회로에는 3본 1조, 단상에서는 2본을 1조로 준비한다)

- 과부하는 가능한 한 다른 기기로 보호 차단하여, 퓨즈를 손상치 않도록 한다.

f. 절연강도의 협조

회로의 절연강도가 퓨즈의 과전압치보다 높은 것을 확인한다.

g. 전원측 차단기에 지락계전기를 설치하여 검출 제거한다.

지락전류가 아주 작으므로 퓨즈는 일반적으로 동작하지 않는 것으로 본다.

3. 파워퓨즈(P.F)의 특성

퓨즈가 동작하는 전류와 시간과의 관계에는 전류가 커질수록 시간이 짧아지는 성능이 있어 1/2 Cycle 이하에서 동작될 수 있는 전류영역에서는 한류작용이 크게 나타난다. 50㎐ Base에서 1/2 Cycle에 상당하는 시간은 약 0.01초로 되어, 한류작용이 없는 0.01초 이상의 영역과 한류작용을 가진 0.01초 이하의 영역을 구분한다.

동작시간 0.01초 이상의 동작특성(안전 통전영역, 보호영역, 비보호영역)과 동작시간 0.01초 이하의 동작특성(단시간 허용 I2t 특성, 차단 I2t 특성)이 있다.

1) 열적인특성

시간- 전류의 상관관계를 나타내는 특성으로 FUSE의 성능을 규정하는 것으로서 보통 그래프로 표시된다.

1 : 단시간 허용특성

2 : 용단특성(최소, 평균, 최대)

3 : 전차단 특성

A. 동작시간 0.01초 이상의 동작특성

이 영역은 그림에 나타낸 것처럼 안전통전영역, 보호영역, 비호호영역으로 나누어 생각하는 것이 이해가 쉽다.

a. 안전보호영역

이 영역은 퓨즈에 연속해서 통전되는 최대안전부하전류 이하의 안전부하전류통전영역과 최대안전부하전류와 단시간 허용특성과의 사이의 안전과부하통전영역으로 된다. 여기서 최대안전부하전류는 정격전류를 Base로 해서 결정되고 있으나 정격전류는 퓨즈의 용단특성을 규정하는 Base로 되어있어 그 용단특성의 결정방법에 따라서 이 값까지 안전영역이 되는 경우와 되지 않는 경우가 있으므로 주의를 요한다.

일반적으로 KS의 G종의 용단특성을 가진 것은 정격전류의 1/1.3~1.5 이하를 최대안전부하전류로 하는 것이 안전하다. 이것에 대해 M형 퓨즈는 전동기회로용으로서 특수한 용단특성을가지고 있으므로 정격부하를 최대안전부하전류로 하는 것이 가능하다.

또한, 단시간허용특성은 퓨즈엘리멘트에 사용되고 있는 재료의 내열특성으로부터 결정된다. 고압퓨즈에는 銀이 다른 재료에 비해 고온열화가 아주 적으므로 이 안전과부하통전영역이 넓게 되므로 일반적으로 사용되고 있다.

b. 보호영역

퓨즈에는 그 값에 의해 차단되는 전류치의 상,하에 어떤 한계가 있을 수 있다. 그 최대는 정격차단전류이고 최소는 최소차단전류이다. 이 上,下의 한계와 차단특성에 의해 구분된 右上측의 영역(b)이 보호영역으로 이 영역의 사고전류를 차단해 기기 또는 회로를 보호한다.

퓨즈는 열동적으로 동작하므로 대전류영역에서는 아주 빨리 동작해 그 散布도 작으며, 또한 앞에서 서술한 것처럼 우수한 한류작용(차단 I²·t 및 한류파고치가 아주 작다)을 발휘하나 소전류영역에서는 장시간동작해 통과전류의 변화에 대해 용단시간의 변화가 크며 따라서 그 散布도 크게되어 신뢰성이 낮다. 이런 특성에서 일반적으로 퓨즈는 단락보호에는 죄적이나 과부하보호에는 적용하지 않는 편이 좋다.

c. 비보호영역

이것은 안전통전영역과 보호영역과의 사이에 들어가는 영역(c)으로 이 영역내의 사고전류는 퓨즈로는 보호되지 않고 또, 용단하지 않아도 손상, 열화할 우려가 있다. 이 영역을 가진 것이 퓨즈 단점의 하나이며, 퓨즈 본질상 이 영역을 없애는 것이 불가능하므로 퓨즈를 사용할 때에는 이점에 염두를 두고 이 영역의 전류를 흘리지 않도록 주의하는 것이 중요하다.

이 영역의 전류는 다음의 방법으로 피할 수 있다.

- 큰 정격전류를 써 안전통전시킨다.

- 다른 차단장치(차단기, 배선용차단기 또는 전압퓨즈 등)로 안전통전영역내를 차단 보호한다.

B. 동작시간 0.01초 이하의 동작특성

이 영역에서는 차단기는 동작하지 않으나 퓨즈는 동작하므로 주의해둘 필요가 있다. 한류형 퓨즈에서는 한류작용이 나타나 가장 특징적인 기능을 발휘하는 영역이다. 이 영역의 특성은 전류의 2승의 시간적분치

으로 열적용량지표로 나타내어 진다.

a. 단시간 전류 I²·t (= 안전통전 I²·t )

단시간전류 허용특성은 전류가 크게되면 얼마든지 허용시간이 짧게되며, 특히 투입전류처럼 시간이 수 Cycle 이하로 미소하게 되면, 퓨즈 엘레멘트의 열의 방산이 없게되어 허용 열에너지=단시간허용 I²·t 는 일정하게 되어 단시간전류(실효치) Is와 허용시간 ts와의 관계는 다음 식으로 나타내어 진다.

Is²·ts = 일정

이 관계는 대수-대수 그래프로 나타내면 2 : 1의 경사직선이다. 따라서 이것 이하의 시간(또는 이것 이상의 대전류)영역에서의 단시간특성은 이 특성을 2 : 1로 전개하면 다음식으로 추정할 수 있다.

또는

이 단시간허용 I²·t가 일정한 것은 퓨즈의 하나의 단점으로 차단기에 있어서는 퓨즈의 단시간허용 I²·t 에 대응하는 "계전기의 동작시간+개극시간"이 전류치에 관계없이 일정(이것은 I²·t 는 전류와 함께 2승으로 증대)하므로 과도전류가 어느정도 커도 거의 동작하지 않으나, 과도전류가 크게되면 I²·t 가 증대해 단시간허용 I²·t 보다 크게 되면, 단시간에 소멸하는 영역에서도 퓨즈는 용단 또는 열화하므로 주의가 필요하다.

b. 차단 I²·t

최소동작시간의 보호영역은 차단 I²·t 특성으로 나타내어 진다. 이것은, 퓨즈가 차단완료할 때까지 회로에 유입하는 열에너지로 이 값이 피보호기기의 耐 I²·t 보다도 작은 퓨즈를 사용하면 완전한 보호가 된다. 퓨즈는 고속동작을 하므로 이 차단 I²·t 는 적고, 특히 한류퓨즈를 사용하면 그 한류작용에 따라 어 적게 제한되어 전술한 것처럼 차단기에 비하면 굉장히 적어 큰 보호특성을 가지고 있다.

c. 통과전류 파고치

한류퓨즈는 전술한 것처럼 한류작용에 따라서 사고전류를 크게 한류차단하는 특성을 가지고 있다.

1-1) 용단특성(용단시간 - 전류특성)

Fuse에 전류가 흐르기 시작하여 용단할 때까지의 전류와 시간과의 관계를 나타낸 특성으로 시간은 규약시간, 전류는 규약전류로 나타낸다.

[표] 용단특성의 구분

1-2) 단 시간 허용특성(허용시간 - 전류특성)

· Fuse를 정해진 조건으로 사용하는 경우 열화되는 일이 없이 그 Fuse에 흐를 수 있는 전류와 시간과의 관계를 나타내는 특성.

· Fuse의 정격전류 선정에 필요.

2) 전 차단 특성(작동시간 - 전류특성)

· 정격전압이 인가된 상태에서 Fuse가 용단,발호하고 아크가 완전히 소호할 때까지의 전류와 시간과의 관계를 나타낸다.

· 전차단시간

- 한류형의 경우 : 용단시간(0.1㎐) + 아크시간(0.4㎐) = 0.5㎐

- 비 한류형의 경우 : 용단시간(0.1㎐) + 아크시간(0.55㎐) = 0.65㎐

· 다른 차단기와 조합해서 사용할 경우 보호협조를 검토할 때 사용.

3) 한류특성

한류특성은 Fuse가 사고전류를 차단할 때 처음 반파에서 파고치에 이르기 전에 한류 차단하는 P.F의 귀중한 특성으로

그림은 고압차단기,비한류퓨즈,한류퓨즈에 대해 같은 단락전류를 차단한 경우의 차단전류파형의 비교를 나타낸 것이다.

차단기에서는 릴레이 시간을 포함한 전차단시간이 10 cycle 정도로 길어 차단완료까지는 단락전류가 계속흐르나 전력퓨즈에서는 최초의 반파로 차단하여 그 전류파고치를 낮게(한류형은 특히 낮게) 억제한다. 이 단락 전류파고치에 달하지 않도록 억제하는 작용을 한류작용이라고 말하며, 이것은 고압차단기 등에서는 나타나지 않는 한류퓨즈 특유의 중요한 특성으로서 이것에 의해 회로나 회로에 접속되어 있는 기기가 받는 기계적,열적 손상을 경감할 수 있다. 이 한류작용은 퓨즈의 정격전류나 단락전류의 크기에 따라 변해 최대통과전류와 차단 I2·t로 표시된다.

3-1) 최대통과전류

단락전류와 최대통과전류와의 관계는 한류특성으로 불려지며 단락전류에 의한 전자력 등 피보호기기와의 협조를 검토하는 것에 사용된다.

그림에 차단기,비한류퓨즈 및 한류퓨즈의 한류특성의 비교를 나타낸다. [1]의 45도의 대칭은 차단기의 경우로 회로고유의 전류파고치, 다시말해 최대 단락전류실효치의 2√2배로 된다. 이 선의 도중에서 빗겨나온 선 [2],[3]이 퓨즈의 경우 한류특성이다.

단락전류 I 일 때의 최대통과전류파고치를 차단기 : Ip, 비한류형퓨즈 : ip2, 한류퓨즈 : ip1으로 하면 이 比 ip2/Ip 또는 ip1/Ip가 한류효과의 정도를 나타내며, 전력퓨즈는 단락전류에서는 한류효과가 크게되어 정격차단전류에서 비한류 퓨즈는 80% 정도로 작으나 한류퓨즈는 10%정도로 크게 한류한다.

3-2) 차단 I²·t

이것은 단락전류의 차단완료 할 때까지의 통과전류의 2승의 시간적분치를 그림에 나타낸

로,회로에 유입하는 열에너지의 크기를 나타내는 것이다. 피보호기기와의 열적인 협조를 검토하는 것에 사용한다. 이 차단

는 파고치로 차단시간이 같아도 파형에 따라 변해 그림 4에 나타낸 것과 같이 정현파, 梯形波, 삼각파 가운데 삼각파가 가장 적으며, 정현파의 2/3로 된다.

한류 퓨즈의 차단 I²·t가 그림 5에 나타낸 것처럼 극히 작은 것은 통과전류파형이 한류작용에 의해 삼각파에 가깝게 되기 때문이다. 그림5에 차단기, 비한류퓨즈 및 한류퓨즈의 차단 I²·t의 비교를 나타낸다. 차단기 및 비한류 퓨즈는 단락전류와 같이 증대하나, 한류퓨즈는 단락전류가 증대해도 그다지 크지 않으며, 어느값 이상이 되면 거의 일정하게 되어 경우에 따라서는 역으로 감소하는 것도 있다. 이와같이 전력퓨즈 특히, 한류퓨즈를 사용하면, 회로나 피보호기기의 과전류강도를 아주 낮게 할 수 있어 계통을 경제적으로 설계할 수 있다.

3-3) 소전류 차단성능

차단기나 비한류 퓨즈는 정격차단전류 이하에서는 동작하면 반드시 차단되나 한류퓨즈는 소호원리상 큰 사고전류의 한류차단은 쉬워도 용단시간이 긴 소전류영역이 차단하기 어려워 최소용단전류 가까이에서는 용단해도 차단되지 않고(용단은 해도 아크가 끊어지지 않음) 어느 정도 전류치가 크게되어야만 차단할 수 있는 영역이 있다. 그 때문에 과전류 영역의 보호를 한류퓨즈에 기대하는 것은 일반적으로 무리한 점에 주의를 요한다.

(예를들면 G종 퓨즈에서는 그 정격전류치의 5배 이하 정도의 전류영역은 용단은 해도 용단한 후에 발생하는 아크의 차단은 특히 배려를 하지 않는 한, 일반적으로는 곤란하다. 그 때문에 KSC-4612에서는 이 소전류 차단성능을 최소차단전류치로 해서 제조업체가 보증하도록 요구하고 있다.