차단기(CB)

1. 차단기의 역할

차단기는 평상시에도 전류를 통하고 회로에 이상이 발생했을 때에 순간적으로 동작하여 전로나 주요기기를 보호하는 일을 한다. 이상 시 사고전류를 그대로 흐르게 하면, 전류의 허용전류를 훨씬 초과하 기 때문에 전로에 존재하는 변압기 전선, 차단기, 단로기 등이 손상 이 되며, 파열되는 사고로 이어진다. 이것을 방지하기 위해 차단기가 있다.

1) 차단기가 가져야할 기본적인 역할로서 다음과 같다.

① 폐로시에는 양호한 도체이고, 평상시의 전류나 단락전류에 대해 서도 열적, 기계적으로 견딜 것.

② 개로시에는 양호한 절연성을 가지며, 이상상태에서도 대지 및 동상단자간의 전압에 견딜 것.

③ 폐로상태의 임의 시점에 있어서 정격차단 전류 이하의 전류를 이상전류 발생 없이 가능한 단시간에서 차단할 것.

④ 개로상태의 임의 시점에 있어서 단락상태에 있는 회로를 접촉자 가 용착하지 않고 단시간에 안전하게 투입할 수 있을 것.

2) 차단기는 정상상태에 있는 회로의 개폐뿐만 아니라 단락상태와 같은 이상상태의 회로도 개폐할 수 있다는 것이 최대의 특징이라 하겠다.

3) 기계적으로는 지진 등에 대해서도 충분한 강도를 가지고, 개폐 조작시에 발생하는 소음이 작고, 소형이며, 보수점검이 용이하고 더욱이 장기간에 걸쳐 특성이 변하지 않는 것도 중요한 역할이 다.

 

 

2. 차단기의 정격사항

1) 정격전압

규정 조건하에서 그 차단기에 인가할 수 있는 사용 회로 전압의 상한을 말하고 선간전압으로 표시한다.

2) 정격내전압

차단기의 동상 주회로 단자간 이상, 주회로간 및 대지간에서 보 호 되는 절연강도를 나타내는 것으로, 전압의 종류로서는 상용주 파, 뇌Impulse 및 개폐 Impulse가 있다.

3) 정격전류

정격전압, 정격주파수하에서 규정의 온도상승 한도(은접촉부 65 K, 은접속부 75K 정도)를 초과하지 않고 차단기에 계속해서 통전 할 수 있는 전류의 한도를 나타낸다.

4) 정격단시간내전압

1～3초간 통전해도 이상 없는 전류로서 정격차단 전류값과 같다.

5) 정격투입전류

정격조건하에서 규정의 동작책무와 동작상태에 따라 투입할 수 있는 투입전류 한도를 말하고, 투입전류 최초의 주파순간 값으로 표시한다. 정격차단 전류의 2.5배의 값이 된다.

6) 정격과도회복전압

차단기가 사고전류를 차단할 때 최초 Arc전압이었던 것이 전원 전압이 되려고 일으키는 현상인 과도전동전압을 말한다.

7) 정격차단시간

정격조건하에서 규정의 동작책무와 동작상태에 따라 차단할 때의 차단시간을 나타낸다. 차단시간이란 차단기의 개로제어 장치가 여 자된 순간부터 모든 극의 전류가 차단되는 순간까지의 시간을 나 타낸다.

8) 정격개극시간

무부하시에 정격제어전압 및 정격조작 조건에서 트립하는 경우의 개극시간 한도를 말한다.

 

 

3. 동작책무

차단기가 대전류를 차단하는 경우는 접촉자 주위에 이온 등 도전성 가스가 잔존하고 있어서 다음 재투입 후 재차단을 보증할 수 없기 때문에 차단기의 사용상태에 따라 C, O 및 CO(투입 즉시 차단)를 어떤 시간적으로 행하는 일련의 동작으로서 이것을 기호로

O-T- CO-T-CO로 나타내고 이 동작을 갖고서 차단 혹은 투입 성능을 약 속한다. 이와 같은 일련의 동작을 동작책무(Duty Cycle)라 한다.

 

표준동작책무

종 류	기 호	동 작 책 무
일반용	A	O-(1분)-CO-(3분)-CO
	R	CO-(15분)-CO
고속도재개용	B	O-(θ)-CO-(3분)-CO
O : 개로동작 CO : 폐로동작에 연속해서 즉시 개로동작을 행함 θ : 재폐로시간(0.3초)

 

 

4. 차단기의 트립 방식

1) 차단기의 트립 장치는 전기적으로 제어되는 것이 많고 전자솔레 로이드에 의해 트립 기구를 구동하여 트립시키는 구조도 있으며, 제어에 사용되는 전기에너지의 종류에 따라 다음과 같은 종류가 있다.

① 전압 트립 방식

직류 또는 교류 전자솔레노이드로 트립시키는 것으로, 배터리 전 원에 의한 직류전압 트립방식이 가장 많이 사용되고 있으며 개로 제어 코일의 용량은 500VA 이하가 일반적이다.

② 과전류 트립 방식

변류기의 2차 전류를 전자솔레노이드 코일에 흘려 트립시키는 방 식이며 교류기기 2차전류에서의 상시여자방식과 보호계전기에 의 한 동작시에만 여자되는 순시여자방식이다. 일반적으로 7.2KV 이 하의 소형차단기에서 채택되고 있고 개로제어 코일의 용량은 500 VA 이하가 많이 사용된다.

③ 콘덴서 트립 방식

배터리 등의 직류전원이 없는 경우, 주회로에서 보조변압기와 정 류기를 조합해서 콘덴서를 충전하고, 그 에너지로 전자솔레노이드 를 여자시켜 트립 시키는 방식이다.

④ 부족전압트립방식

트립장치의 전자솔레노이드를 여자시켜 트립 시키는 방식이다.

2) 차단기의 트립방식으로 가장 많이 사용되는 것은 전압 트립방식 이고, 그 중에서도 직류전압 트립방식이 가장 많이 사용되고 있으 며, 또한 과전류 트립 방식은 7.2KV이하의 소형차단기에 적용되 고 있다.

 

 

5. 차단기의 조작회로

1) 차단기에 부착되어 있는 폐로제어, 개로제어코일, 보조릴레이 등 으로 구성되는 전기회로를 차단기의 조작회로라 한다. 대표적인 조 작 회로로서 X-RELAY와 Y-RELAY라고 불리는 2개의 계전기를 이용한 것이다.

2) 차단기의 기본적 성능인 트립 우선기능(개로신호가 떨어진 경우 에는 예를 들어 폐로 신호중이어도 차단기를 트립할 수 있는 기 능)을 전기적으로 완료하는 회로와 PUMPING 방지회로와 같은 구성이다. 여기서 PUMPING이란 폐로동작, 개로동작이 서로 반 복 행해지는 동작으로서 X, Y RELAY방식의 조작회로에서 Y  RELAY가 없을 때에 일어난다.

3) 각 상마다 다른 조작기구를 갖춘 차단기에서는 각 조작기구를 동 시에 병렬로 동작시키는 것이 보통이나 차단기가 폐로상태일 때, 1 상이 폐로 되어 있지 않은 불평형일 때, 자동적으로 3상 차단을 행 하게 하는 결상보호 회로를 갖추는 예가 있다.

 

 

6. 진공차단기의 원리와 특징

1) VCB는 고진공으로 유지된 밀폐 용기내에서 접점을 개방시켜 발 생하는 ARC를 확산 소호하는 차단기이다.

2) 진공차단기의 특징

① 전류차단후의 극간 절연회복 특성이 우수하기 때문에 차단성능 이 좋다.

② ARC가 작기 때문에 전류차단에 의한 접점 소모량이 작고, 개폐 수명이 길기 때문에 다빈도용 차단기에 적합하다.

③ 진공중의 절연내력이 높기 때문에 접점간극이 작아서 소형 경량 이다.

④ 진공 INTERRUPTER는 완전 밀봉용기이기 때문에 차단시의 A RC나 열GAS의 방출이 없고, 안전하며 진공 INTERRUPTER의 보수점검이 불필요하다.

⑤ 진공중에서 전류를 차단하기 때문에 차단음이 발생하지 않고 저 소음이다.

⑥ 접점간극이 작기 때문에 조작기구 힘이 작아서 좋고 경량이며 견고한 차단기가 된다.

3) 진공VALVE는 자력소호형 소호실이며 AIR차단기나 GAS차단기 와 같이 차단기의 개폐에 부수적으로 ARC 발생부에 AIR나 GAS 등을 분사할 필요가 없고, 전극이 개로상태에서는 항상 소호 가능 상태가 되는 것이 최대의 특징이다.

4) VCB에는 SOLENOID조작방식과 전동SPRING 조작방식이 있다.

Solenoid 조작방식은 6.6㎸급 차단기에 많이 적용되고, 전동Spring 조작방식은 24㎸, 36㎸급에 많이 적용되고 있다. 전동Spring 조작방 식의 경우는 투입Spring을 Charge시키기 위해 전동기가 많이 사용 되고 있다. 이 외에 저압용 진공차단기에는 수동조작, 전동조작 등 이 있다.

 

고압차단기 형식별 특성 비교

구분	비교항목         항목	소형유입차단기 (MOCB)	진공차단기 (VCB)	가스절연차단기 (GIS/VCB)	가스차단기 (GCB)
전 기 적 특 성	모선절연방식	공기중	공기중	SF6가스	공기중
	소호 방식	유 중	진공 VALVE	진공 VALVE	SF6 가스
	차단기조작방법	SPRING OR MOTER	SPRING OR MOTER	SPRING OR MOTER	SPRING OR MOTER
	절연방	주위영향 있음	주위영향 있음	주위영향 있음	주위영향 있음
	SURGE 전압발생	적 다	약간있으나 서지업소바부착	약간있으나 서지업소바부착	적 다
	내전압 특성	보 통	보 통	보 통	보 통
안 전 성	도전부노출	반내노출	반내노출	완전차폐	반내노출
	방재성	절연유 사용으로나쁨	좋 음	좋 음	좋 음
	소화장치	필 요	불필요	불필요	불필요
유 지 보 수 및 관 리	외관형상	폐쇄형배전반	폐쇄형배전반	폐쇄형배전반	폐쇄형배전반
	소 음	보 통	보 통	보 통	보 통
	차단기 교환	용이함	용이함	GAS 제거후가능	용이함
	보수점검	접촉자 및 절연유 점검요	점검요	불필요	점검요
	크기및중량	크 다	크 다	아주적다 (타종의약1/3)	적 다
	설치장소	가능하면전용실	불필요	불필요	불필요
	가격비교	70%	100%	300%	120%

 

 

7. 저압용 주요 기기

(1) 저압용 차단기

저압차단기에는 기중차단기, 배선용차단기, 누전차단기, 직류차단기 등이 있다. 기중차단기(ACB)는 통전중의 회로를 개로시 발생하는 아 크를 대기중에서 소호시키는 차단기로 배선용차단기에 비하여 차단용 량이 크고, 과전류 트립장치가 부착되고 차단전류 조정이 가능하는 등의 특징이 있다. 배선용차단기(MCCB)는 저압 옥내선로 보호를 목 적으로 한 차단기로 취급자가 전문가로 제한되지 않으므로 경제성 외 에 특히 안전성에 중점을 두어 절연물 용기(몰드케이스)내에 기구부 나 소호장치 등을 수납한 것이다. 누전차단기는 저압 전선로에 사용 하여 지락시에 자동차단하여 누전에 의해서 발생할 수 있는 사람이나 동물의 감전사고나 화재사고를 방지하는 차단기로 배선용차단기와 동 일하게 지락검출장치 트립장치 등을 몰드케이스내에 수납한 것이다. 직류차단기는 3,000V 이하의 직류전선로 전용에 사용되는 차단기로 선로개폐를 대기중에서 하는 차단기로서 소호장치 내부에서 아크를 냉각하여 아크저항을 증가시켜 전류차단을 한다. 또한 대전류의 직류 차단에서는 사고전류 시작초기의 전류치가 작을 때에 고속도 한류차 단을 하는 방식으로 하고 있다.

 

(가) 기중차단기(ACB)

기중차단기(ACB)는 대기중에 있어서 전선로의 개폐를 하므로 차 단전류에 의해 만들어지는 자계에 의하여 아크를 구동하고 지르콘 분말재 등의 내아크성 절연재료로 만들어진 아크슈트내로 밀어 넣어 아크를 냉각하여 이온소멸을 행하여 전류차단을 하는 것이다. 전류 차단은 고압용 차단기의 전류차단과 다르고 회로전압에 대한 아크 전압값이 상대적으로 크기 때문에 차단전류는 아크전압에 의하여 한 류되므로 한류차단으로 된다. 기중차단기는 주로 교류 1,000V 이하 의 전압전선로 직류 3,000V 이하의 전선로에 적용된다. 저압 수배 전 설비용의 차단기로서 폐쇄배전반에 다단으로 쌓여 수납된다.

1) 기중차단기의 구조

기중차단기에는 전압 트립장치나 과전류 트립장치를 내장하고 있 다. 과전류 트립 장치에는 동작시한에 의하여 순시(INST), 단한시 (ST), 장한시(LT)로 나누어진다. 구조상 전자형, 열동형, 반도체 식의 정지형 등이 있지만 최근에는 특성에 복잡성을 가지고 조밀한 눈금정정이 가능한 정지형이 많이 사용되고 있다.

2) 기중차단기의 특징

① 차단용량이 크다.

② 현지에서 과전류 트립 장치의 정정이 가능

③ 접점, 아크슈트 등 간단히 보수, 교환이 가능

 

(나) 배선용차단기(MCCB)

배선용차단기는 상용주파수 60㎐ 교류 600V이하 또는 직류 250 V이하의 전로 보호에 사용하는 과전류차단기로서 개폐기구, 트립 장치 등을 절연물 용기 내에 일체로 결합한 것이며, 정상상태의 전 로를 수동 또는 절연물 용기 외부의 전기조작에 의하여 개폐할 수 가 있고, 또 과부하 및 단락 둥의 경우 자동적으로 전로를 차단하 는 기구를 말한다. 전기회로는 On, Off할 경우 단락전류와 같은 대 전류는 그 관성이 크기 때문에 Arc가 발생하게 되며 이러한 아크 에너지를 신속하게 흡수 소호하기 위한 소호장치 및 개폐접점기구 를 내장하고 있으며, 배선용 차단기는 일반적으로 저압수전설비 및 분기회로 등에 설치된다.

1) 배선용차단기 구조

배선용 차단기는 회로의 개폐, 차단동작을 하는 개폐기구, 과전류 나 단락전류에 의하여 트립 동작을 하는 과전류 트립장치, 전류를 차단할 때에 발생하는 아크를 소멸시키는 소호장치 및 이들을 싸고 있는 절연물의 몰드케이스 등으로 구성되어 있다.

2) 배선용차단기 트립성능

① 과전류 시연 트립 성능(열동트립)

일반적으로 사용되는 비닐전선의 경우는 계속해서 사용할 수 있는 최고 허용온도는 60℃(주위온도 제외)이므로 단시간 온도상승은

100℃가 되기 전에 과전류를 차단해야 한다.

② 과전류 순시 트립 성능(전자트립핑)

순시 트립 특성은 225A이하에서는 정격전류의 14~20배, 225A 이상에서는 정격전류의 4~10배의 과전류를 순간적으로 차단하는 것을 말한다. 순시트립전류를 조정할 수 있게 되어 있는 (400AF 이상) 차단기는 전자개폐기의 보호를 위해 MCCB의 순시트립전류 를 전자개폐기의 개폐용량보다 낮게 설정할 필요가 있다.

3) 배선용차단기의 기능

① 투입한 상태에서 핸들을 누르고 있어도 과전류 또는 단락전류가 회로에 흐르는 경우 자동적으로 회로를 차단하는 트리프리

(Trip Free)기능.

② 각극의 접촉자는 절연물로 이루어진 1개의 공통 크로스바

(Cross Bar)에 고정되어 동시투입, 동시차단이 행하여지고 결 상 등을 방지하는 공통 트립구조.

③ 토클링크(Toggle Tie) 구조에 의하여 핸들조작의 늦음에 관계 없이 일정한 속도에서 개폐하는 품질의 안정을 갖는 신속한 투 입, 차단기능.

4) 배선용차단기의 특징

① 과부하전류 차단후에도 반복하여 사용할 수 있다.

② 절연물의 몰드케이스로 싸여져 있으므로 조작상의 안전이 확보되어 있다.

③ 다극을 동시에 차단하므로 3상회로의 결상사고를 방지할 수 있다.

④ 전기조작, 전기신호 등의 부속장치를 이용하여 자동제어할 수 있다.

⑤ 상자 형태의 콤팩트(Compact)한 외관으로 되어 있다.

 

(다) 누전차단기(ELB)

누전차단기는 지락검출장치, 트립장치, 개폐기구 등을 절연물 용기 내에 하나로 조립한 것으로 정상상태의 선로를 수동 또는 원격에 의 해 개폐할 수 있고, 또한 선로나 부하기기에 지락사고가 발생하였을 때 자동적으로 선로를 차단하는 기구를 말하며, 교류 600V이하 저 압 전로에서 누전차단기는 누전으로 인한 감전사고 방지, 화재방지, 아크에 의한 기기의 손상방지를 목적으로 설치한다. 일반적으로 분 전반, 배전반에 시설하여 에어콘, 진열장, 자동판매기 등 인체의 접 촉이 빈번하여 감전사고 발생이 우려되는 곳에 사용하고 있다. 누전 차단기에는 지락검츨 방식에 따라 전류동작형과 전압동작형이 있으 며 현재는 취급이 간단하고 보호정도가 높은 전류동작형를 많이 사 용한다. 지락전류를 검출하는 영상변류기(ZCT) 2차출력 증폭 방법 의 차이에 따라 반도체식과 전자식이 있으며 사고전류 검출 및 보호 방식에 따라 다음과 같은 종류가 있다.

 

누전차단기의 종류

항 목           /           종 류	지락보호 전용형	지락, 과부하 보호 겸용형	지락,과부하,단락 보호 겸용형
기능구조	지락기능만 구비지락 발생시 자동트립동작	누전릴레이와 전자 개폐기와 조합시켜 지락보호를 행함. 과부하보호는 THR로 보호	배선용차단기에 지락 보호기능을 부가하여 지락,과부하, 단락 등의보호를 행함
용 도	배선용차단기,퓨우즈등 과전류보호 기능을 갖고 있는 시설의 회로에 사용	다빈도 개폐회로 및 원방조작회로에 적용하고 있음	신규 채용에서는 이것을 선택하도록함. 3개의 보호기능을 가지고 있기 때문에 모터회로에 최적

 

 

감도전류와 동작시간에 따른 누전차단기 분류

구 분		정격감도전류	동 작 시 간
고감도형	고속형	5, 10, 15, 30	정격감도전류에서 0.1초 이내, 인체감전보호형은 0.03초 이내
	시연형		정격감도전류에서 0.1초를 초과하고 2초 이내
	반한시형		정격감도전류에서 0.2초를 초과하고 1초 이내 정격감도전류 1.4배의 전류에서 0.1초를 초과하고 0.5초 이내 정격감도전류 4.4배의 전류에서 0.05초 이내
중감도형	고속형	50, 100, 200, 500, 1,000	정격감도전류에서 0.1초 이내
	시연형		정격감도전류에서 0.1초를 초과하고 2초 이내

 

 

(라) 보호협조

기중차단기․배선용 차단기의 단락, 과전류보호 방식에는 전용량차단 방식, Cascade(백업)차단방식, 선택차단방식이 있으며, 지하철의 저 압전로는 분기회로 고장시 해당 분기회로만을 차단하고 건전한 회로 는 정상적으로 전원공급이 되도록 하는 선택차단방식을 채용하고 있 다.

1) 전용량차단방식은 전선로를 흐르는 단락전류를 단일 차단기로 차단하는 방식이다.

2) Cascade차단방식은 단일 차단기로는 차단용량이 부족할 경우 그 차단기의 전원측 설치되는 차단기와 협동하여 즉 상위의 차단기 의 백업에 의해 단락전류를 차단하는 방식이다. Cascade차단방식은 차단기가 2대 동시에 차단한 경우, 2대 차단기의 아크전압을 중첩 시킬 수 있어 통과전류를 급격히 한류시킴과 동시에 아크 에너지도 분담시킬 수 있기 때문에 전류차단이 용이하게 된다. Cascade차단방 식에서 하위 차단기를 백업하기 위해서는 상위 차단기의 아크에너지 (E1)는 하위 차단기의 아크에너지(E2) 보다도 크게 하는 것이  바람직하다. 단, 배선용차단기의 Cascade차단에 있어서, 상위 차단 기로서 대형 비한류형의 것을 이용한 경우에는 동작속도도 늦어지고 아크전압의 중첩도 늦어져 E1<E2 가 되어 백업효과가 감소된다. 더구나 Cascade차단을 성공시키는 포인트로서 하위차단기가 그 통 과전류 피이크치, 통과 에너지, 발생아크 에너지에 견딜 필요가

있다.

3) 선택차단방식은 사고점에 가까운 전원측의 차단기만으로 단락전 류를 차단하여 상위의 차단기는 추정 차단하지 않도록 차단기의 동 작협조를 취하는 방식이다. 선택차단 방식에 있어서 상위 차단기는 단시간 전류내량을 갖을 필요가 있어 기중차단기나 단한시 특성을 가진 배선용차단기 밖에 적용할 수 없다

 

(마)누전 경보기(ELD)

저압 배전반의 각 분기회로(간선 등) 누전발생을 감시하기 위하여 누전 경보기를 선정하며 각 분기회로별 누전상태에 대한 누전경보기 자체표시 및 누전경보기 동작에 의한 누전여부를 역무실 조명제어반 에서 원격 감시할 수 있도록 한다.