단락고장전류

왜 배우는가: 단락전류는 차단기 차단용량, 보호계전기 정정, 전선·기기의 전동력 및 열적 강도 선정의 출발점이 된다. 실무에서 설비 사고의 대부분이 과대한 단락전류 또는 차단 능력 부족에서 발생하므로 반드시 계산할 수 있어야 한다. 기술사 시험에서도 계산 문제와 개념 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제126회 3교시 3번, 제112회 2교시 2번, 제103회 2교시 1번, 제99회 3교시 1번, 제93회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

단락전류는 전력계통의 두 점 사이가 임피던스가 거의 없이 연결되었을 때 흐르는 과대 전류로, 사고 지점까지의 전원측 임피던스로 결정된다.

단락전류는 계통 임피던스로 제한되는 사고 전류로, 차단기 차단용량과 기기 열적·전동적 강도를 결정하는 기준이 된다.

• 단락전류
• 대칭 단락전류
• 비대칭 단락전류
• 차단용량
• %임피던스법
• 대칭좌표법
• X/R 비
• 테브난 등가회로

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전원이 사고 지점에 공급할 수 있는 최대 전류가 단락전류다. 전압은 사고 직전 정격 전압에 가깝고, 흐름을 막는 것은 전원에서 사고점까지의 임피던스뿐이다. 그래서 임피던스가 작을수록 단락전류는 커진다.

정식으로는 사고 지점에서 전원측을 테브난 등가 전압원과 등가 임피던스로 나타냈을 때, 그 임피던스만으로 제한되는 전류를 단락전류라 한다. 3상 평형 사고는 정상분 회로만으로 해석된다.

대칭 단락전류는 파형이 영축에 대해 대칭인 실효값 전류이며, 초기 대칭 단락전류 I_k'' 가 설비 선정의 기준이 된다. 비대칭 단락전류는 직류분이 겹친 파형으로, 사고 직후 최대 순시치를 나타낸다. 비대칭 전류의 최댓값은 대칭 실효값의 약 1.414배에 직류분 감쇠 배율을 곱한 값이다.

X/R 비는 사고 회로의 리액턴스와 저항의 비다. X/R 비가 클수록 직류분 감쇠가 늦고 최대 순시치 배율이 커진다. 중압 이상 차단기는 대칭 실효값과 비대칭 값을 모두 확인하고, 저압 차단기는 대칭 실효값과 X/R 비 또는 비대칭 전류 중 하나를 함께 확인한다.

%임피던스법은 기준 용량 아래 각 기기의 %Z를 환산해 합산한 뒤, 정격전류에 해당하는 기준 전류를 %Z로 나누어 단락전류를 구하는 방법이다. 3상 단락 계산에 가장 널리 쓰인다. 단락 전류 I_s 는 다음과 같다.

$I_s = \frac{I_n \times 100}{\%Z}$

여기서 I_n 은 기준 용량의 정격전류(A), %Z 는 기준 용량 환산 합성 퍼센트 임피던스(%)다.

3. 등장 배경과 필요성

계통 용량이 커지면서 사고 시 단락전류가 차단기 정격을 넘는 사례가 늘었다. 차단기가 차단하지 못하면 아크가 지속되어 기기가 파손되고, 사고가 확대된다. 따라서 설계 단계에서 각 모선의 단락전류를 미리 구해 차단용량을 정하는 절차가 필요해졌다.

또한 단락 시 발생하는 전자력과 열적 응력은 전류의 제곱에 비례한다. 모선, 버스덕트, 케이블, 변압기 권선의 강도 확인에도 단락전류 값이 기준이 된다. 보호계전기는 단락전류의 크기를 기준으로 정정되므로, 계산 결과는 보호협조의 출발점이 된다.

이처럼 단락전류는 차단기, 보호계전, 기기 강도를 함께 묶는 설계 변수이기 때문에 시험에서 계산과 개념 설명이 같이 묻는다.