차단기 차단협조

왜 배우는가: 차단기 차단협조는 고장 시 고장 구간만 분리해 정전 범위를 줄이기 위한 보호 설계의 기본이다. 저압 배전에서는 배선용차단기(MCCB)의 단락 용량이 설계 단락전류보다 작은 경우가 많아 캐스케이드 방식이 실무와 시험에서 반복해서 다뤄진다.

출제 이력: 제124회 1교시 10번, 제103회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

차단기 차단협조는 고장 시 고장점에 가장 가까운 차단기만 동작하도록 보호장치의 동작 특성과 차단용량을 조정하는 것이다.

• 차단협조
• 선택차단(Selectivity)
• 캐스케이드(Cascade) 방식
• 후비보호(Backup Protection)
• 정격차단용량
• 순시 트립
• 배선용차단기(MCCB)
• 한시 트립

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 누전이나 단락이 났을 때 고장난 회로의 차단기만 떨어져야 다른 회로가 살아 있다. 이렇게 차단기들의 역할 순서를 맞추는 일을 차단협조라고 한다.

차단협조의 정식 정의는 과전류 보호장치들을 조정하여 설비 내 고장이 바로 상위(전원 측 근접)의 보호장치에 의해 제거되도록 하는 것이다. 이를 선택차단(Selectivity) 또는 차단기 식별(discrimination)이라고 부른다. 목적은 고장이 네트워크 전체에 미치는 영향을 최소화하는 데 있다.

선택차단을 이루는 방법은 네 가지다. 첫째, 전류 선택성은 차단기마다 차단용량을 달리하는 것이다. 둘째, 시간 선택성은 트립 전 시간 지연을 두는 것이다. 셋째, 에너지 기반 선택성은 전류파형을 분석하는 것이다. 넷째, 영역 선택 인터록은 차단기 간 통신으로 시간 지연 지령을 전달하는 것이다.

캐스케이드(Cascade) 방식은 선택차단과 다른 접근이다. 상위(주) 차단기의 차단용량을 예상 단락전류보다 크게 잡고, 하위(분기) 차단기는 예상 단락전류보다 작은 차단용량을 가진 기기를 쓴다. 분기 차단기 설치점의 예상 단락전류가 분기 차단기의 단락용량을 넘으면 상위 차단기가 후비 보호를 맡는다. 즉 두 차단기가 함께 작동하여 고장을 제거한다.

후비보호(Backup Protection) 는 주 보호가 동작하지 못할 때 뒤를 받치는 보호다. 차단기 백업, 원격 백업, 중앙 집중식 백업 등 방식이 있으나, 캐스케이드는 주로 차단기 자체의 차단용량 차이를 이용하는 방식이다.

정격차단용량은 규정된 조건에서 차단할 수 있는 한도다. 3상 교류에서는 정격전압과 정격차단전류의 곱에 √3을 곱한 값으로 나타낸다. 배선용차단기의 순시 트립은 단락전류처럼 과대한 전류가 흐를 때 지연 없이 차단기를 여는 기능이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통이 커지면서 단락전류가 커졌다. 차단기의 차단용량이 단락전류보다 작으면 차단기가 고장전류를 끊지 못하고 파손되거나 화재가 날 수 있다. 그렇다고 모든 분기 차단기를 최대 단락전류에 맞추면 설비비가 크게 오른다.

이 문제를 풀기 위해 상위 차단기는 큰 차단용량을 쓰고 하위 차단기는 경제적인 작은 용량을 쓰는 캐스케이드 방식이 쓰인다. 저압 배전반과 분전반에서 이 방식이 널리 쓰인 배경이다.

반면 선택차단은 분기 차단기와 주차단기의 동작 특성이 교차하지 않도록 설계해야 하므로, 설비 신뢰도가 높아야 하는 곳에서 요구된다. 두 방식은 설계 목적과 비용의 균형에서 선택된다. 저압 전선로에서 어떤 방식을 택할지는 고장 시 정전 범위, 예상 단락전류, 기기 가격을 함께 고려해 정한다.

이 절에서는 캐스케이드와 선택차단의 기본 개념을 정리했다. 세부 차단기 종류와 협조 조건은 4절과 5절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

차단협조는 여러 단계의 과전류 보호장치가 직렬로 연결된 계통에서 고장이 생기면 고장점에 가장 가까운 장치만 동작하도록 설계하는 기술이다. 구성요소와 동작 원리를 알면 선택차단과 캐스케이드(Cascade) 방식의 차이를 도식으로 설명할 수 있다.

차단기의 동작은 장한시 트립, 단한시 트립, 순시 트립 세 가지 특성으로 나뉜다. 장한시 트립은 과전류치에 반비례하는 동작시간을 가진다. 단한시 트립은 하위 차단기와 시간 협조를 위해 짧은 지연을 준다. 순시 트립은 단락전류에 지연 없이 동작한다.

캐스케이드 방식의 원리는 다음과 같다.

• 주차단기의 차단용량을 계통의 예상 단락전류보다 크게 선정한다.
• 분기차단기의 차단용량은 설치점 예상 단락전류보다 작은 것을 사용한다.
• 고장 시 분기차단기가 차단하지 못하면 주차단기가 후비 보호로 차단한다.
• 두 차단기가 함께 전류를 차단하므로 분기차단기의 차단용량 부족은 주차단기의 차단 능력으로 보완된다.

분기차단기의 차단용량이 예상 단락전류보다 작을 때 주차단기가 후비 보호 하는 것이 캐스케이드 방식의 핵심이다. 캐스케이드 방식은 하위 차단기의 차단용량 부족을 상위 차단기의 차단으로 보완하는 방식이다.

5. 관련 법령·기준·표준

저압 배선용차단기의 정격 값과 시험 기준은 KS C 8321 계열과 IEC 60898-1, IEC 60947-2 등 국제 표준이 바탕이 된다. 정격전류는 차단기가 연속으로 흘려도 되는 최대 전류이며, 표준 정격 값은 1A, 2A, 4A, 6A, 10A, 13A, 16A, 20A, 25A, 32A, 40A, 50A, 63A, 80A, 100A, 125A 등이다.

국내 전기설비 기준인 한국전기설비규정(KEC)은 저압 차단기의 정격차단용량 선정 시 변압기 임피던스와 전선 굵기를 고려하도록 한다. 이 원칙을 바탕으로 한 참고표는 다음과 같다.

위 값은 변압기 2차측에서 인입구 차단기까지의 전선 길이 등 관련 기준이 정한 조건을 전제로 하며, 조건이 달라지면 적용 값을 관련 기준에 따라 다시 확인한다. 정격차단용량은 3상의 경우 P_s=\sqrt{3}\,V_n\,I_s 로 구하며, V_n은 정격전압(V), I_s는 정격차단전류(A)이다.

정격전압은 공칭전압에 관련 기준이 정한 계수를 곱해 구하는 것이 일반적이다. 차단기의 기준 차단 과정은 과도회복전압(TRV) 특성과도 관련된다. 선택차단과 캐스碼 방식을 설계할 때는 계통의 최대 단락전류와 차단기 정격을 함께 검토하고, 현행 전기설비기준의 최신 개정 내용을 확인한 뒤 적용한다.

6. 유형과 비교

차단협조는 보호 방식에 따라 선택차단(Selectivity)과 캐스케이드(Cascade, 직렬 후비보호) 두 가지로 나뉜다. 두 방식은 고장 시 어느 차단기가 동작하고 나머지 회로가 얼마나 살아남는지가 다르다. 아래 표는 그 차이를 비교한다.

위 표에서 보듯 캐스케이드는 하위 차단기의 차단용량 부족을 상위 차단기가 보완하는 방식이므로, 선택차단보다 경제적이지만 정전 범위가 넓어진다.