저압 유도전동기 보호

왜 배우는가: 저압 유도전동기는 공장과 건물 설비의 핵심 부하이며, 과부하와 단락은 전동기 소손과 화재로 직결된다. 그래서 보호 방식을 과부하와 단락으로 나누어 이해하는 것이 설계와 답안의 기본이다.

출제 이력: 제126회 2교시 1번, 제114회 3교시 1번, 제109회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

저압 유도전동기 보호는 과부하·단락 등 이상 전류로부터 전동기와 배선을 지키는 보호 체계이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 과부하 보호
• 단락 보호
• 열동계전기
• 전자식 과부하계전기
• 배선용차단기
• 퓨즈
• 기동전류
• 동기속도

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전동기는 정격보다 큰 전류가 오래 흐르면 권선이 과열되어 절연이 상하고, 아주 큰 전류가 순간적으로 흐르면 배선과 전동기가 손상된다. 보호는 이 두 가지 이상을 나누어 막는 일이다.

정식으로는 과부하 보호와 단락 보호로 나눈다. 과부하 보호는 정격을 조금 넘는 전류가 일정 시간 이상 지속될 때 열적으로 회로를 여는 보호다. 시간 지연 특성이 있어 기동 순간의 큰 전류는 견디게 한다. 단락 보호는 권선이나 배선 사이가 거의 0 임피던스로 붙어 매우 큰 고장전류가 흐를 때 즉시 차단하는 보호다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 열동계전기는 전류가 흐르며 가열되는 바이메탈 요소가 휘어 접점을 여는 기기다. 저압 전동기 기동기에 기본으로 들어가며 과부하 보호를 맡는다. 주변 온도 변화에 따라 동작점이 흔들릴 수 있어 보상 구조를 갖춘 제품을 쓴다. 전자식 과부하계전기는 전류를 직접 측정하고 전동기의 열모델로 권선 온도를 추정해 트립한다. 정정이 유연하고 결상 검출 기능을 함께 가질 수 있다. 배선용차단기는 과전류 트립장치로 과부하와 단락을 함께 차단하며, 차단 후 재투입이 가능하다. 퓨즈는 전류에 의해 가용체가 녹아 회로를 끊는 소자로, 단락 보호에 강하고 구조가 단순하다.

보호기기는 역할이 나뉜다. 전자접촉기는 전동기를 개폐하고, 열동계전기나 전자식 계전기는 과부하를 맡는다. 배선용차단기나 퓨즈는 단락을 맡는다. 단락 차단기는 과부하 보호기기보다 먼저 동작해야 하며, 차단 용량은 설치점의 예상 단락전류보다 커야 한다. 이 두 조건이 맞지 않으면 고장 때 차단기가 끊지 못하거나 과부하 보호기기가 먼저 손상된다.

과부하 보호는 시간 지연 특성, 단락 보호는 순시 차단으로 나눈다.

3. 등장 배경과 필요성

농형 유도전동기는 권선형과 달리 기동저항을 넣을 수 없어 직입 기동 시 정격전류의 5~7배 정도가 단시간 흐른다. 이 큰 전류 때문에 보호기기는 기동 순간을 견디면서도 과부하가 지속되면 차단해야 한다. 여기서 보호 특성의 시간 지연이 필요해진다.

전동기는 회전 중 발생하는 열을 냉각으로 빼낸다. 과부하가 계속되면 권선 온도가 허용 한도를 넘고, 절연이 열화되어 층간 단락과 지락으로 이어진다. 이 과정은 점진적이어서 사고 전에 미리 차단할 수 있어야 하므로 열적 보호가 필요하다.

3상 중 한 상이 끊기는 결상 상태에서는 전동기가 단상 운전을 하며 과전류와 토크 맥동이 생긴다. 보호 체계가 없다면 이 상태가 오래 지속되어 전동기가 빠르게 손상된다. 결상 검출은 이런 상황을 막는 기능이다.

산업 현장에서는 전동기 수가 많고 배선이 길어 단락과 지락이 함께 나타날 수 있다. 과부하 보호만으로는 배선 손상을 막지 못하고, 단락 보호만으로는 과열 손상을 막지 못한다. 그래서 두 기능을 분리해 설계한다.