전동기 회로 보호 및 전선 선정

왜 배우는가: 전동기는 기동전류가 크고 과부하·단락·지락에 노출되어 회로 보호 설계가 틀리면 화재와 설비 손상으로 이어진다. 개폐기·과전류차단기·전선 굵기는 내선규정의 분기회로 기준으로 정해지므로 기술사 시험에서 기준 근거와 함께 반복 출제된다.

출제 이력: 제119회 4교시 5번, 제111회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전동기 분기회로는 간선에서 전동기까지 연결되는 회로로, 개폐기·과전류차단기·전선을 전동기 기동전류와 허용전류 기준에 맞춰 선정하여 과부하와 단락으로부터 전동기와 배선을 보호하는 회로이다.

전동기 분기회로는 개폐기·과전류차단기·전선을 기동전류와 허용전류 기준으로 함께 선정하여 보호하는 회로이다.

키워드: 분기회로, 단로장치(개폐기), 과전류차단기, 전동기 기동전류, 허용전류, 간선 보호, 분기점 이격거리, 전선 굵기

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전동기 한 대(또는 여러 대)에 전기를 공급하는 짧은 배선에 스위치와 차단기, 전선을 맞추어 다는 일이다. 전동기는 기동할 때 정격전류의 여러 배가 흐르므로 과전류차단기는 기동전류에 견디면서도 과부하와 단락을 빨리 끊어야 한다.

정식으로는 간선에서 분기되어 전동기 또는 전동기 제어기에 이르는 분기회로에서, 단로장치와 과전류차단기의 위치와 용량, 분기선 전선의 허용전류를 정하는 체계를 말한다.

핵심 용어를 정리한다.

• 단로장치: 회로를 무부하 상태에서 수동으로 개방하는 장치로, 전동기 정지와 점검에 쓰인다.
• 과전류차단기: 과부하와 단락전류를 차단하는 장치로, 퓨즈나 배선용차단기가 쓰인다.
• 분기선: 간선에서 분기되어 개폐기와 과전류차단기까지 이르는 짧은 전선이다.
• 허용전류: 전선이 온도 상승 한도를 넘지 않고 연속으로 흘릴 수 있는 최대 전류이다.

다선식 전로의 분기회로에서 중성선(접지측 전선)에는 개폐기나 과전류차단기를 시설하지 않는다. 단, 중성선에 시설한 과전류차단기가 각 극을 동시에 차단하는 경우는 예외로 한다.

분기회로의 개폐기와 과전류차단기는 저압 옥내 간선의 분기점에서 전선 길이 3m 이하 장소에 시설한다. 분기점에서 개폐기까지 전선의 허용전류가 그 전원측 간선 보호 과전류차단기 정격전류의 55% 이상(전선 길이 8m 이하이면 35% 이상)이면 3m를 넘는 장소에도 시설할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전동기는 기동 시 정격전류의 수 배에 이르는 전류가 흐르고, 기동 실패나 구속 상태에서는 고정자 권선이 짧은 시간에 과열된다. 이 때문에 전동기 회로는 일반 전등 회로보다 보호 조건이 엄격하다.

간선에서 분기점까지 길이가 길어지면 단락 시 차단기가 동작하기 전에 전선이 과열될 위험이 커진다. 그래서 분기점 가까이에 개폐기와 차단기를 두어 보호 구간을 짧게 잡는 원칙이 생겼다.

전동기 보호는 원인과 목적에 따라 두 가지로 나눈다. 첫째는 전동기와 부하 자체의 고장을 검출하여 영향을 줄이는 것이고, 둘째는 전원측 이상으로부터 전동기와 부하를 지키는 것이다.

전압에 따라 보호 방식도 다르다. 600V 이하 저압 전동기는 배선용차단기(순시 트립 특성 포함)와 열동계전기 조합, 또는 전자식 트립장치가 내장된 기중차단기로 보호한다. 3kV 이상 전동기는 고압차단기와 보호계전기로 보호한다.

전동기에 여러 대가 한 분기회로에 묶이거나 한 실에 있을 때는 단일 단로장치를 공용할 수 있는 조건이 있다. 전동기 과부하 보호는 소화수 펌프처럼 운전정지가 더 큰 위험을 초래하는 경우에는 필요하지 않다고 규정되어 있다.

따라서 전선 굵기와 차단기 선정은 기동전류, 허용전류, 분기점 거리, 보호 협조를 함께 보아야 하는 문제이다.

4. 구성요소·원리·절차

전동기 분기회로는 간선에서 나와 전동기 한 대(또는 여러 대)에 전기를 공급하는 배선이다. 이 회로에는 단로장치(개폐기), 과전류차단기, 전선이 함께 들어가며, 세 요소는 서로 협조해야 한다. 기동 전류가 크므로 단순한 전등 회로 기준으로는 선정할 수 없다.

개폐기와 과전류차단기는 분기점에서 가까운 곳에 둔다. 분기회로 개폐기와 과전류차단기는 저압 옥내 간선의 분기점에서 전선 길이 3m 이하인 장소에 설치하는 것이 원칙이다. 분기점에서 개폐기·과전류차단기까지 전선의 허용전류가 간선 보호 차단기 정격전류의 55% 이상이면 3m를 넘는 장소에도 설치할 수 있고, 35% 이상 55% 미만이면 전선 길이 8m 이하에서만 허용된다. 다선식 전로의 중성선에는 개폐기나 과전류차단기를 설치하지 않는다. 다만 각 극이 동시에 차단되는 경우는 예외다.

전동기 보호의 원리는 두 가지다. 첫째는 단락·지락 고장을 빠르게 끊는 것이고, 둘째는 과부하가 오래 지속될 때 권선 온도가 절연 한도를 넘지 않도록 막는 것이다. 과전류차단기는 단락 보호를 주로 맡고, 열동계전기나 과부하 계전기는 과부하 보호를 맡는다. 기동 시에는 짧은 시간 큰 전류가 흐르므로 과전류차단기는 이 기동 전류에 동작하지 않도록 시간지연 특성을 가진 것을 쓴다.

전동기 전부하전류는 다음 식으로 구한다.

$I_m = \frac{P}{\sqrt{3}\,V\cos\theta\,\eta}$

여기서 I_m은 전동기 전부하전류[A], P는 출력[W], V는 선간전압[V], \cos\theta는 역률, \eta는 효율이다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 전동기 용량과 전압으로 전부하전류 I_m을 구한다.
• 전선 허용전류를 I_m의 1.25배 이상으로 정하고, 이 값을 만족하는 전선 굵기를 고른다.
• 전선 허용전류를 기준으로 과전류차단기 정격을 정하되, 기동 전류를 고려해 시간지연형을 선택한다.
• 과전류차단기와 전선이 협조되는지, 즉 전선 허용전류가 차단기 정격보다 작지 않은지 확인한다.
• 분기점으로부터 개폐기와 차단기까지의 거리(3m 이하 또는 55%·35% 조건)를 검토한다.
• 전동기 1대마다 단로장치와 과부하 보호장치를 배치한다.

전선 허용전류는 전동기 전부하전류의 1.25배 이상으로 정하고, 과전류차단기는 기동 전류를 견디는 시간지연형으로 고른다.

5. 관련 법령·기준·표준

전동기 분기회로의 개폐기, 과전류차단기, 전선 굵기는 전기설비 기술기준과 내선규정의 저압 옥내 배선 기준을 따른다. 2021-01-01부터 전기설비 기준 체계는 한국전기설비규정(KEC)으로 바뀌었고, 이전의 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다. 내선규정은 KEC 체계에서도 실무 설계의 기본 지침으로 쓰인다. 기준 수치는 아래 표와 같다.

위 표의 값은 분기회로의 위치와 전선 허용전류 관계를 정한 것이다. 전동기 전용 기준은 전부하전류를 기준으로 하므로, 간선과 분기선의 전류 관계를 함께 검토해야 한다. 간선 굵기는 연결된 전동기 중 가장 큰 전부하전류에 관련 기준이 정한 배율을 곱한 값과 나머지 전동기 전부하전류의 합을 더해 정한다.

전동기 과부하 보호는 별도 조건을 가진다. 소화수 펌프처럼 운전 정지가 더 큰 위험을 일으키는 경우와, 과부하 감지 설비가 경보로만 연결된 경우에는 과부하 보호를 생략할 수 있다. 이 예외는 설비 안전성 검토를 거친 뒤에 적용한다.