차단기(CB)

왜 배우는가: 차단기는 사고전류를 직접 끊어 설비와 사람을 보호하는 수전설비의 핵심 기기이며, 정격전압·정격전류·정격차단전류·정격차단용량의 구분은 선정과 시험의 기초라서 기술사 시험에 반복해서 출제된다. 용어의 뜻을 정확히 구분해야 답안에서 감점을 피할 수 있다.

출제 이력: 제132회 3교시 3번, 제129회 4교시 6번, 제123회 1교시 7번, 제119회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

차단기(CB)는 정상 전류의 개폐와 단락·과부하 등 사고전류를 규정 조건에서 차단하여 회로를 보호하는 기기이다.

• 차단기(CB, Circuit Breaker)
• 정격전압(Rated Voltage)
• 정격전류(Rated Current)
• 정격차단전류(Rated Breaking Current)
• 정격차단용량(Breaking Capacity)
• 소호(Arc Quenching)
• 과도회복전압(TRV)
• 가스차단기(GCB), 진공차단기(VCB)

2. 개념 풀이

차단기는 회로를 열고 닫는 스위치이면서, 고장 전류가 흐를 때 자동으로 끊는 보호 장치다. 평상시에는 부하전류를 통하고, 사고 때에는 수 kA에서 수십 kA의 전류를 짧은 시간 안에 끊는다. 수전설비에서는 전력 공급선의 입구에 설치되어 계통 전체의 사고 확대를 막는다.

정식 정의는 다음과 같다. 차단기는 정상 상태의 전류를 통전하고, 규정된 이상 상태(단락, 과부하 등)의 전류를 규정된 시간 안에 차단할 수 있는 개폐 기기이다. 이 정의에서 '규정된 조건'이 핵심이며, 이것을 나타내는 값이 정격(rating)이다.

정격전압은 차단기가 견딜 수 있도록 설계된 최대 계통 전압(실효값)이다. 실제 계통 전압은 정격전압을 넘으면 안 된다. 정격전압은 차단기의 절연 설계와 차단 성능의 기준이 된다.

정격전류는 정격전압과 정격주파수 등 규정된 조건에서 차단기가 이상 없이 계속 통전할 수 있는 전류의 상한값이다. 발열과 접촉부 온도 상승으로 결정되며, 부하전류와 비교해 선정한다. 정격전류는 사고 시 차단 능력과는 다른 값이다.

정격차단전류는 정격전압에서 차단기가 안전하게 끊을 수 있는 최대 사고전류(실효값)다. 단락 사고 때 흐르는 예상 단락전류가 이 값을 넘으면 차단을 보장할 수 없다. 정격차단전류는 사고 전류의 크기를 말하고, 차단기 설계의 핵심 값이다.

정격차단용량은 정격차단전류에 정격전압을 곱한 값으로 MVA 단위로 나타낸다. 계통의 단락용량과 비교해 차단기가 감당할 수 있는지 판단할 때 쓴다. 두 값은 같은 성능을 다른 단위로 표현한 것이므로 서로 혼동하지 않는다.

차단 과정의 물리적 원리는 다음과 같다. 접점이 떨어질 때 접점 사이에 아크가 생기고, 아크는 전류를 계속 흐르게 한다. 따라서 차단기는 아크를 빠르게 식히거나 늘려 소호(消弧)해야 한다. 전류 영점에서 극간 절연 회복이 과도회복전압(TRV)의 상승을 이기면 차단이 성공한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 전력 계통은 소규모여서 퓨즈나 단순 개폐기로 보호가 가능했다. 계통이 커지고 단락용량이 수십 kA로 증가하면서, 퓨즈와 개폐기만으로는 사고전류를 안전하게 끊을 수 없게 되었다. 그래서 큰 사고전류를 제어된 방식으로 차단하는 차단기가 필요해졌다.

계통 전압이 높아질수록 아크를 끊는 난이도도 커진다. 고압과 특고압에서는 아크를 소멸시키는 매질로 기름, 압축공기, 자기장, 진공, SF6 가스 등이 차례로 개발되었다. 이 과정에서 소호 방식이 다양해졌고, 이것이 차단기 종류를 나누는 기준이 되었다.