전동기 보호방식

왜 배우는가: 전동기는 산업 설비에서 가장 많이 쓰이는 부하이며, 기동전류와 과부하·단락·구속 사고로부터 전동기를 지키는 보호방식을 이해해야 보호계전기와 차단기를 올바르게 선정하고 협조시킬 수 있다. 시험에서는 보호 방식을 기동특성·열적보호·구속(정지회전자)보호·단락보호로 나누어 TCC 곡선과 함께 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제122회 2교시 4번, 제97회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전동기 보호방식은 전동기의 기동전류, 과부하, 구속(정지회전자), 단락 사고로부터 권선과 기계부를 열적·기계적 손상 전에 차단하도록 보호장치를 조합·협조시키는 방식이다.

• 전동기 보호 — 전동기와 부하의 자체 고장을 검출하고 전원측 이상으로부터 전동기를 지키는 것
• 기동전류 — 기동 시 정격전류의 수배에서 수십 배에 이르는 돌입 전류
• 열동계전기(THR) — 바이메탈의 열 변형으로 과부하를 검출하는 열적 보호 계전기
• 구속 보호(정지회전자 보호) — 회전자가 기동하지 못할 때 짧은 시간에 과열되는 것을 막는 보호
• 단락 보호 — 배선용 차단기·퓨즈·단시한 과전류 계전기로 단락 전류를 차단하는 보호
• TCC 곡선 — 전류(가로축)와 동작시간(세로축)의 관계를 나타낸 보호 협조 곡선
• 보호 협조 — 고장 구간에 가장 가까운 보호기기가 먼저 동작하도록 시간·전류를 맞추는 것
• 전동기 열용량 곡선 — 전동기가 견디는 허용 전류·시간 한계를 나타낸 곡선

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전동기가 타거나 절연이 상하기 전에 전원을 끊어 주는 장치들을 어떤 전류 크기와 시간에서 맡을지 나눠 배치하는 것이다. 전동기는 기동할 때 큰 전류가 흐르고, 운전 중에는 과부하가 걸리며, 회전자가 멈추면 짧은 시간에 과열된다. 사고 형태마다 허용 시간이 다르므로 보호도 하나가 아니라 여러 장치의 조합이 된다.

정식 정의로는, 전동기 보호방식은 전동기의 열적 한도(고정자 권선 절연의 허용 온도)와 기계적 한도를 넘지 않도록 과부하 보호, 구속 보호, 단락 보호, 지락 보호를 시간-전류 특성에 맞춰 조합한 체계를 말한다. 전압 등급별로 방식이 다르다. 600V 이하 저압 전동기는 배선용 차단기(MCCB)·열동계전기 또는 전자식 트립장치가 내장된 기중차단기로 보호하고, 3kV 이상 고압 전동기는 고압 차단기와 보호계전기로 보호한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

열적 보호는 과부하가 일정 시간 지속될 때 권선 온도 상승을 누적해 동작하는 보호다. 열동계전기가 대표적이며 비교적 가벼운 과부하에 적용한다.

구속 보호는 회전자가 돌지 못하는 상태를 검출하는 보호다. 구속 시 고정자 전류가 매우 커서 철심과 권선이 짧은 시간에 열적 한도에 도달하므로 빠르게 차단해야 한다.

단락 보호는 권선이나 배선의 상간 단락을 순시로 차단하는 보호다. 배선용 차단기의 순시 요소나 퓨즈가 맡는다.

열동계전기는 비교적 가벼운 과부하 보호에 적용하고, 중과부하는 장한시 과전류 계전기가 맡는다.

3. 등장 배경과 필요성

전동기 기동 방식이 발전하면서 기동전류 제한과 보호가 함께 다뤄지게 되었다. 직입 기동은 간단하지만 정격전류의 수배에서 수십 배에 달하는 돌입 전류가 흐르고, 이 전류는 전원 전압 강하와 배전 계통의 보호기기 오동작을 유발한다. 그래서 기동 방식을 바꿔 전류를 낮추는 기법이 쓰이며, 대표적으로 Y-△ 기동은 기동전류와 기동 회전력을 직입 기동 때의 약 1/3로 제한해 중·소 용량 전동기에 널리 쓰인다.

전동기 보호 필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 과부하와 구속 상태에서 권선 절연의 열적 수명이 급격히 줄어든다. 둘째, 단락 사고는 전동기 권선과 배선을 동시에 손상시키고 화재로 이어질 수 있다. 셋째, 보호기기가 기동전류에 오동작하면 정상 기동조차 불가능해지므로 기동 특성을 보호 설계에 반영해야 한다.

이 때문에 보호방식은 기동 특성 커브, 열적 보호, 정지회전자 보호, 단락 보호를 하나의 TCC 도면 위에서 서로 맞춰 설계하는 방향으로 발전했다. 저압 전동기는 배선용 차단기와 열동계전기의 조합으로, 고압 전동기는 차단기와 디지털 보호계전기의 조합으로 체계를 갖춘다.

4. 구성요소·원리·절차

전동기 보호방식은 과부하 보호, 단락 보호, 구속(정지회전자) 보호, 지락 보호를 한 체계로 묶은 것이다. 각 보호요소는 전동기의 열적 한도와 기동전류 특성에 맞춰 시간-전류 특성이 서로 겹치지 않도록 협조시킨다. 보호방식의 골격은 전압 등급에 따라 나뉜다.

전압 등급별 구성은 다음과 같다.

표의 구성은 전원측 이상으로부터 전동기와 부하를 보호하는 목적과, 전동기 자체 고장을 검출해 고장 영향을 줄이는 목적을 함께 만족한다. 고압 전동기는 차단기로 개폐하고 보호계전기로 보호한다는 것이 핵심이다.

보호의 원리는 전동기의 열적 한도에 있다. 과부하가 지속되면 고정자 권선 절연물이 열적 한도를 넘는 온도에 도달한다. 열동계전기는 바이메탈이나 발열체의 온도 상승으로 접점을 열어 이 상태를 막는다. 열동계전기는 상대적으로 가벼운 과부하에 적용되고, 중과부하에는 장한시 과전류계전기가 적용된다. 구속 상태는 고정자 전류가 매우 크고 철심과 구조물이 짧은 시간에 열적 한도에 도달하므로 빠른 차단이 필요하다.

기동 특성은 보호 협조의 출발점이다. 전동기를 투입하면 정격전류의 수배에서 수십 배에 달하는 돌입전류, 즉 기동전류가 흐르고 지속시간은 3~4사이클 정도다. 열적 보호는 느리게 동작하므로 이 기동전류 동안에는 트립하지 않는다. 따라서 보호 곡선은 기동 곡선 위쪽에 놓이고, 구속 한계 곡선은 기동 곡선보다 짧은 시간 영역에 놓여야 한다. 이 관계를 TCC 곡선으로 나타내면 다음 그림과 같다.

보호 절차는 다음과 같다.

• 전동기 정격전류와 기동전류 배수를 확인한다.
• 기동 곡선 위에 열적 한도 곡선을 그린다.
• 과부하 보호 곡선을 기동 곡선 위쪽, 열적 한도 곡선 아래쪽에 배치한다.
• 구속 한계 시간을 정하고 단락·구속 보호의 순시 요소를 그 시간보다 짧게 설정한다.
• 전원측 보호기기와의 협조 간격을 확인한다.

과부하 보호 계산의 기본 식은 다음과 같다.

$I_{set} = k \times I_{rated}$

여기서 I_{set}는 계전기 정정 전류(A), I_{rated}는 전동기 정격전류(A), k는 여유율이다. 기동부하와 일반부하의 여유율은 부하 종류별로 관련 기준이 정한 범위를 따른다.

기동전류는 열적 보호로 막지 않고 기동 곡선 위쪽에 보호 곡선을 둔다

5. 관련 법령·기준·표준

전동기 보호는 전기설비의 설계 기준과 기기 규격의 적용을 받는다. 국내에서 저압 전기설비의 설계와 시공은 한국전기설비규정(KEC)을 기준으로 한다. 2021-01-01부터 시행된 KEC가 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체했다. 전동기 기동기와 보호기기의 세부 선정은 제조사 규격과 KEC의 과전류 보호 조항을 함께 따른다.

과전류 보호와 케이블 보호 협조의 기준은 다음과 같다. 전선 허용전류의 기준 주위온도는 관련 기준이 정한 기중·지중 온도다. 주위온도가 다르면 보정계수를 적용한다. 중성선에 고조파 전류가 33% 이상 흐르면 중성선 단면적은 선도체와 동등 이상으로 한다.