Trip Free·Anti Pumping

왜 배우는가: 차단기 트립프리와 펌핑방지는 차단기 조작회로의 기본 성능으로, 고장 차단 후 재투입이나 투입 지령이 겹칠 때 기기를 보호하는 장치다. 실무에서는 보호계전 동작과 수동·자동 투입 명령이 충돌하는 상황을 막기 위해 필수로 확인하며, 3교시 설명형과 1교시 용어형 문항에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제110회 3교시 2번, 제90회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

트립프리(Trip Free)는 투입 지령 중이라도 트립 장치가 동작하면 차단기를 기계적으로 우선 개방하는 기능이다.

• 트립프리(Trip Free)
• 펌핑방지(Anti Pumping)
• 트립 우선 기능
• 조작회로
• X·Y 보조릴레이
• 무전압시간
• 재투입시간
• 자동 재투입

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 차단기가 사고를 끊으려 하는 순간에 누군가 투입 버튼을 누르고 있어도 차단기는 열려야 한다는 뜻이다. 이 성질이 트립프리다. 반대로 투입 지령을 계속 주고 있어도 차단기가 트립과 투입을 되풀이하지 않게 막는 것이 펌핑방지다.

정식 정의로는, 트립프리 장치는 차단기가 투입 지령 중이라도 트립 장치의 동작에 의해 기계적 트립을 우선하는 장치이다. 펌핑방지 장치는 트립 완료 후에도 투입 지령이 계속 남아 있을 때 재차 투입 동작을 하지 않고, 투입 지령을 한 번 해제한 뒤 다시 줄 때에만 투입 동작이 가능하도록 하는 장치이다.

핵심 원리는 차단기의 조작 제어에 있다. 차단기에 부착된 폐로제어·개로제어 회로와 보조릴레이로 구성된 전기회로를 조작회로라 부른다. 대표적인 조작회로는 X 릴레이와 Y 릴레이 두 개의 보조릴레이를 이용한다. 트립 우선 기능은 폐로신호 중에도 차단기를 트립할 수 있도록 전기적으로 완성하는 회로이고, 펌핑방지 회로는 폐로·개로 동작이 반복되는 것을 막는 회로이다. Y 릴레이가 없으면 펌핑이 생긴다는 점이 핵심이다.

조작회로에서 자주 쓰는 기호는 다음과 같다. 52-a는 차단기 상태접점(a접점)으로 차단기가 폐로되면 동작한다. 51은 과전류계전기(OCR) 접점이다. CC는 폐로 코일(Close Coil), TC는 트립 코일(Trip Coil)이다.

다음으로 무전압시간과 재투입시간을 구분해야 한다. 무전압시간은 사고 아크로 이온화된 공기가 절연을 회복하는 데 걸리는 시간이다. 이 동안 선로는 무전압 상태를 유지한다. 재투入시간은 차단기가 차단 소호한 순간부터 재투입 동작에 의한 접촉까지의 시간이다. 두 시간은 재투입 제어와 트립프리 설계에서 함께 고려한다.

3. 등장 배경과 필요성

차단기가 고장전류를 차단하면 사고점의 전류는 없어지지만, 아크 에너지 때문에 사고점의 공기는 이온화되어 절연능력을 잃는다. 따라서 공기가 소이온되어 절연을 회복한 뒤에 재투입해야 한다. 이 회복 시간이 무전압시간이다.

문제는 사람이나 자동 장치가 투입 지령을 계속 주는 경우다. 사고가 지속되는 선로에 투입 지령이 살아 있으면, 차단기가 트립되고 다시 투입되기를 반복하게 된다. 이 현상을 펌핑이라 하며, 차단기 접점과 기기에 반복적인 아크 부담을 준다. 결국 사고 전류를 여러 번 재차단하게 되어 차단기 수명과 계통 안정에 악영향을 준다.

따라서 차단기는 두 가지를 보장해야 한다. 첫째, 사고 시에는 투입 지령과 무관하게 트립이 우선되어야 한다. 둘째, 트립 후에는 지령이 남아 있어도 반복 투입되지 않아야 한다. 이 두 요구가 각각 트립프리와 펌핑방지로 구현된다. 보호계전기와 차단기 사이의 조작 신뢰도를 확보하는 장치라는 점에서 중요하다.

대상은 특히 저압 차단기에서 설명이 많다. 저압 차단기는 사람이 레버로 트립과 복귀를 조작하는데, 레버가 '투입' 위치에 고정되어 있어도 트립할 수 있어야 한다. 이것을 '자유 트립' 또는 '포지티브 트립' 동작이라 부른다. 대부분의 차단기가 이 성질을 갖도록 설계된다. 반면 비트립프리 차단기는 과부하 상태에서도 투입 상태를 유지하도록 레버를 고정하면 우회될 수 있다. 따라서 비트립프리 차단기는 필수 부하에만 쓰고, 트립프리 차단기는 정밀·감전 민감 회로나 비필수 회로에 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

차단기의 트립프리(Trip Free)와 펌핑방지(Anti-Pumping)는 별도의 기계 부품이 아니라 조작회로의 논리로 구현된다. 두 기능은 투입 지령과 트립 지령이 동시에 들어왔을 때 어느 쪽이 우선하는지, 그리고 투입 지령이 계속 남아 있을 때 차단기가 몇 번이나 재투입을 반복하는지를 정한다.

트립프리는 투입 지령이 살아 있어도 트립 동작을 우선하는 기능이다.

트립프리 장치는 차단기가 투입 지령을 받고 있어도 트립 장치가 동작하면 기계적 트립을 우선한다. 폐로 신호가 남아 있어도 차단기는 열린다. 이것을 하지 못하면 사고 전류가 흐르는 선로에 차단기가 다시 붙는 결과가 생긴다.

펌핑방지 장치는 트립이 끝난 뒤에도 투입 지령이 계속 들어오면 차단기가 투입과 개방을 반복하지 않도록 막는다. 투입 지령을 한 번 해제한 뒤 다시 주어야 투입 동작이 한 번 이루어진다. 펌핑 현상은 투입과 트립이 번갈아 반복되어 접점과 기구부를 손상시키는 현상이다.

조작회로의 구성요소는 다음과 같다.

표의 구성은 차단기의 기본 성능인 트립 우선 기능을 전기적으로 완성하는 회로이다. Y 릴레이가 없으면 폐로 동작과 개로 동작이 서로 반복되는 펌핑이 발생한다. 그래서 Y 릴레이는 펌핑방지 회로의 핵심이다.

동작 절차는 다음 순서로 진행된다.

• 투입 지령이 X 릴레이를 여자시킨다.
• 52-a 접점이 열려 있으면 CC 회로가 닫혀 차단기가 투입된다.
• 사고 시 51 접점이 닫혀 TC가 여자되고 차단기가 개방된다.
• 트립과 동시에 Y 릴레이가 여자되어 자기유지 접점으로 CC 회로를 끊는다.
• 투입 지령을 해제하면 Y 릴레이가 복귀하고, 그 뒤 다시 지령을 주면 투입이 가능해진다.

절차 3과 4에서 보듯이 트립 신호는 투입 신호보다 먼저 TC 회로를 살린다. 이 순서가 트립 우선 기능의 전기적 실현이다. 절차 5에서 투입 지령을 해제해야 하는 이유는 Y 릴레이가 투입 지령이 연속으로 살아 있는 동안 CC 회로를 계속 막아야 하기 때문이다. 그래서 투입 지령의 상태를 제어반 설계 단계에서 명확히 정해야 한다.

실무에서는 Y 릴레이의 접점 연결 방향과 52-a 접점의 위치가 맞지 않으면 펌핑이 재발한다. 제어회로 도면을 검토할 때 TC 회로와 Y 릴레이 자기유지 회로가 CC 회로와 직렬로 연결되었는지를 확인해야 한다. 조작 전원이 불안정하면 릴레이의 복귀 시점이 흔들려 같은 현상이 나타날 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

트립프리와 펌핑방지는 법령에서 수치로 정해진 항목이 아니다. 고압 교류 차단기의 설계와 시험 요구사항으로 규정되며, 전기설비 시설 기준에서는 차단기 보호장치의 적용 조건으로 다뤄진다. 기준은 기능 요구와 시험 방법을 나누어 보는 것이 답안 작성에 유리하다.

기준값과 요구 조건은 다음과 같다.