차단기

차단기

 

차단기는 회로에 전류가 흐르고 있는 상태에서 그 회로를 개폐한다든지 또는 차단기 부하 측에서 단락 사고 및 지락 사고가 발생했을 때 신속히 회로를 차단할 수 있는 능력을 가지는 기기이다. 그림은 교류 차단기의 심벌을 나타낸 것이며, 심벌은 차단기 공동 심벌에 문자 기호를 기입하고 필요에 따라 정격 전압, 정격 전류, 차단 용량 등을 기입한다.

교류 차단기의 심벌

1. 진공 차단기(VCB : vacuum circuit breaker)

진공에서의 높은 절연 내력과 아크 생성물이 진공 중으로의 급속한 확산을 이용하여 소호하는 구조이며, 매우 높은 절연 내력을 가지고 있고 차단기의 형태가 소형이고 가벼우며, 기름을 사용하지 않으므로 화재의 위험이 없어 최근에 많이 채용되고 있다. 그러나 동작시 높은 서지 전압을 발생시키는 결점이 있다.

2. 가스 차단기(GCB : gas circuit breaker)

공기나 절연유 대신에 절연 능력과 소호 능력이 뛰어난 불활성 가스인 가스를 이용한 차단기로 개폐시에 발생한 아크를 가스를 분사하여 소호하는 방식이다. 가스는 무취, 무해, 무독, 불연성, 비폭발성의 성질을 가지고 있다.

가스 차단기는 차단할 때 12～15 [kg/㎠․g] 의 높은 가스통에서 약 2 [kg/㎠․g] 의 낮은 가스 계통으로 가스를 뿜어서 소호하는 밀폐 사이클의 2중 가스압식과 단일 가스압식의 2종류가 있다. 보수 점검 횟수가 적고 차단성이 좋을 뿐만 아니라 소음이 작다. 가격이 고가이며 설치 면적이 커 대부분 초고압 계통의 차단기로 많이 사용된다.

3. 기중 차단기(ACB : air circuit breaker)

자연 공기 내에서 개방할 때 접촉자가 떨어지면서 자연 소호에 의한 소호 방식을 가지는 차단기로서 교류 또는 직류 차단기로 많이 사용된다. 우측 그림은 기중 차단기를 나타낸 것이며, 직류용 차단기로 사용될 경우 단락 전류를 차단할 때 개폐 시간이 극히 짧고 한류 작용을 나타내 고속도 차단기라고도 한다. 배선용 차단기는 기구를 몰드된 절연함 속에 넣어 소형화한 것인데, NFB(no fuse breaker) 또는 MCCB(mcoded case circuit breaker)라고 한다.

4. 공기차단기(ABCB:Air Blast Circuit Breaker)

개방할 때 접촉자가 떨어지면서 발생하는 아크를 강력한 압축공기(10~30kg/㎠g)로 불어 소호하는 구조로 되어 있다. 유입차단기처럼 전류의 크기에 위해 소호 능력이 변하지 않고 일정한 소호능력을 갖추고 있다. 또한 유입차단기에 비해 화재의 위험서이 적고 차단능력이 뛰어나며 유지 보수도 용이하나 별도의 압축공기를 위한 컴프레셔 등의 부대설비가 필요하며 대용량의 차단기로서 널리 쓰이는것 외에 전기로등 개폐빈도가 심한 장소에 쓰인다.

 

5. 자기차단기(MBB: Magnetic Blast Circuit Breaker)

아크과 직각으로 자계를 주어 소호실 안에 아크를 밀어넣고 아크 전압을 증대시키며, 또한 냉각하여 소호작용을 하도록 하는 것이다. 큭히 소전류에 대해서는 아크에 의한 자P가 야하여 소호능력이 저하되므로 차단기구에 연결한 부스터에 압축공기를 만들어 이것을 뿜어서 소호를 하도록 되어 있다. 3.3~6.6KV까지의 낮은 전압회로에 많이 사용되고 있다. 화재의 염려가 없고 전연유를 상ㅇ하지 않기 때문에 열화할 것이 없어 보수가 간단하지만 소호 능력면에서 고전압에 적당하지 않다.

6.유입차단기(OCB :Oil Circuit Breaker)

절연유 중에 소호실을 가진 것으로 소전류 영역에서는 피스톤에 의해 유류를 품어서 소호시키고, 대전류 영역에서는 발생한 아크에 의해 기름이 분해되어 소호실내에 높은 압력을 만들고 아크에 강력한 가스를 뿜어 소호시킨다.

유입차단기는 다른 종류의 차단기에 비해 차단성능, 보수면에서 불리한 점이 많으나 가격이 많이 저렴하고 넓은 전압 범위에서 적용할수 있다는 장점이 있어 소, 중, 용량 차다닉로서 널리 샤용되고 있으나, 기름을 사용하므로 화재의 위험과 무거운 것이 단점이다.

특히 극유소량(“T" Type Minimum oil Circuit Breaker : T.C.B) 차단기는 대지 절연을 애자에 의하고 있고 소호기구를 계량하여 유량도 적고, 소형화시켜 보수점검을 양호하게 하고 있으나 최근에는 거의 사용하지 않는다.

다음표는 교류차단기의 일반적인 종류와 특성을 비교한 것이다.

  차단기의 일반적인 특성 비교

종류 항목	유입 차단기(OCB)	진공 차단기(VCB)	가스 차단기(GCB)
전 압	고	중	고
전 류	소, 중	소, 중	소, 중, 대
단락 전류	대	소	중
화재 위험	가연성	불연성	불연성
동작 소음	대	소	소
보수 점검 사항	불편, 많다.	편리, 용이하다.	편리, 용이하다.
개폐 서지	중	대	소
수 명	중	대	대
가 격	저	고	고

7. 차단기의 선정

차단기는 회로의 사고시 고장 전류를 차단하는 능력을 주목적으로 하며, 회로를 선택하여 개폐하는 것이므로 동작 횟수 등이 한정된다.

즉, 차단기는 보통 부하 전류를 개폐함과 동시에 이상 상태 발생시 신속히 회로를 차단하고, 회로에 접속된 전기 기기, 전선류를 보호하고 안전하게 유지하는 것이다.

(1) 정격 전압 및 정격 전류

㉠ 정격 전압

차단기의 정격 전압은 규정한 조건에 따라 그 차단기에 인가할 수 있는 사용 회로 전압의 상한을 말하며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

정격 전압 = 공칭 전압 × 1.2/1.1 [V]

㉡ 정격 전류

차단기의 정격 전류는 정격 전압 및 정격 주파수에서 규정의 온도 상승 한도를 초과하지 않고 차단기에 연속적으로 흘릴 수 있는 전류의 상한값을 말한다. 정격 전류의 선정은 부하 전류에 의하여 결정되지만, 장래의 증설 계획을 고려하여 여유가 있는 차단기를 선정하여야 한다.

차단기의 정격 전류는 보통 600[A], 1200[A], 2000[A], 3000[A], 4000[A]가 있으며, 다음과 같이 계산하여 참고값으로 하고 있다.

                          P

정격 전류 = -----------[A]

                   √3Vcosθ    

여기서, P : 설비 용량 [kW], V : 정격 전압 [V], cosθ : 역률을 의미한다.

㉢ 정격 차단 전류(정격 차단 용량)

정격전압, 정격 주파수 및 규정한 회로 조건하에서 규정의 표준 동작 책무와 동작 상태에 따라 차단할 수 있는 늦은 역률의 차단 전류의 한도를 말하며, 교류분(실효값)으로 표시한다. 또한 차단 전류는 장래의 전력 계통을 고려하여 선정하며, 다음의 값으로 한다. 1[kA], 1.25[kA], 1.6[kA], 2[kA], 3.15[kA], 4[kA], 5[kA], 6.3[kA], 8[kA], 2 이상의 경우에는 × 10배로 정한다. JEC181에는 비대칭전류를 대칭전류의 1.19배로 하고 있으나 일반적으로 1.25배로 보고 있으므로 필요한 대칭 차단 전류를 구할 뿐 일반적으로는 문제가 없고 계산으로 구하는 단락 전류보다 큰 차단 전류를 선정하면 된다. 종래에는 차단 능력을 정격 차단 용량으로 표시하였지만, 지금은 다음 식으로 구하여 참고값으로 하고 있다.

3상인 경우 다음과 같이 계산한다.

치딘용량[MVA] = √3 × 정격전압[KV] × 정격차단전류[KA]

                                    기준용량

또는 차단용량[MVA] = ---------- × 100

                                       %Z       

 

㉣ 정격 투입 전류

정격 전압, 정격 주파수 및 규정한 회로 조건에서 규정한 표준 동작 책무와 동작 상태에 따라 투입할 수 있는 투입 전류의 한도를 말하며, 투입 전류의 최초 주파수의 순시값의 최대값으로 표시한다. 정격 투입 전류는 정격 차단 전류의 2.5배를 표준으로 하고 있다.

㉤ 정격 단시간 전류

정격 단시간 전류는 그 전류를 규정한 회로 조건에서 규정시간 동안 차단기를 통하여도 이상이 없는 전류를 말한다.

㉥ 정격 차단 시간

정격 차단 전류를 정격 전압, 정격 주파수 및 규정한 회로 조건에서 규정한 표준 동작 책무 및 동작 상태에 따라 차단할 경우 차단 시간의 한도를 말한다.

정격 차단 시간은 정격 주파수를 기준으로하여 사이클 수로 나타낸다.

(2) 차단기의 트립 방식

차단기의 트립 방식은 에너지원에 따라 다음과 같이 분류된다. 그림은 차단기 트립 방식의 개념도를 나타낸 것이다.

차단기 트립 방식의 종류

㉠ 직류 전압 트립 방식

별도로 설치된 축전지 등의 제어용 직류 전원의 에너지에 의하여 트립되는 방식이다.

㉡ 과전류 트립 방식

차단기의 주회로에 접속된 변류기의 2차 전류에 의하여 차단기가 트립되는 방식을 말하며, 변류기의 2차 전류로 트립 코일(trip coil)을 상시 여자하여 두는 것을 상시 여자 방식이라 하며, 보호 계전기를 통하여 동작시에만 순시 여자되는 것을 순시 여자 방식이라 한다.

㉢ 콘덴서 트립 방식

충전된 콘덴서의 에너지에 의하여 트립되는 방식인데, 콘덴서 트립 전원 장치를 일반적으로 콘덴서 트립 디바이스(condenser trip device)라고도 하며, 이것은 정류기, 콘덴서 등으로 구성되어 있다.
㉣ 부족 전압 트립 방식
부족 전압 트립 장치에 인가되어 있는 전압의 저하에 의하여 차단기가 트립되는 방식을 말하며, 트립 코일이 직접 제어 전원에 접속되는 것을 직접식이라 하고, 보호 계전기를 통하여 제어 전원에 접속되는 것을 간접식이라 한다. 또, 간접식에는 개방식과 단락식이 있다.

차단기 트립 방식의 종류

(3) 차단기 선정 방법

㉠ 공칭 전압에 대한 정격 전압을 결정한다.

㉡ 일반 회로에서 연속 사용 전류는 차단기의 정격 전류의 80 [%] 이하, 콘덴서 회로에서는 60 [%] 이하로 선정한다.

㉢ 정격 차단 시간은 전력 회사의 공급 변전소와 협의하여 결정한다.

㉣ 차단 용량 계산값 이상의 정격 차단 용량을 가지는 것을 사용한다.