차단기 트립프리

왜 배우는가: 차단기 트립프리는 차단 지령과 투입 지령이 겹칠 때 차단을 우선시키는 기능으로, 사고 제거와 차단기 오동작 방지의 핵심이다. 조작회로 설계와 보호협조 문제에서 반복해서 출제되는 기본 개념이다.

출제 이력: 제122회 1교시 4번, 제87회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

트립프리(Trip Free)는 차단기가 투입 지령을 받는 중이라도 트립 지령이 있으면 기계적 트립을 우선하여 차단 동작을 완료하는 기능이다.

• 트립프리(Trip Free)
• 펌핑방지(Anti-pumping)
• 트립 우선
• 조작회로
• X·Y 릴레이
• 무전압시간
• 재투입 시간

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 차단기를 닫는 명령과 여는 명령이 동시에 들어와도 차단기는 반드시 열려야 한다는 원칙이다. 사고가 난 상태에서 투입 명령이 남아 있어 차단기가 다시 닫히면 고장 전류가 계속 흐르기 때문이다.

정식 정의는 다음과 같다. 트립프리는 차단기의 투입 지령이 유지되고 있더라도 트립 장치가 동작하면 접점 기구가 투입 상태를 해제하고 개방 방향으로 동작하도록 하는 성질이다. 이를 실현하는 기구나 회로를 트립프리 장치라고 한다.

핵심 용어는 다음과 같이 구분한다.

트립프리 장치는 차단기가 투입 지령 중이라도 트립 장치의 동작에 의해 기계적 트립을 우선하는 장치다. 사고 차단의 확실성을 보장한다.

펌핑방지 장치는 트립이 끝난 뒤에도 투입 지령이 계속 남아 있을 때 차단기가 반복하여 투입·차단을 되풀이하지 않도록 하는 장치다. 투입 지령을 한 번 해제한 뒤 다시 줄 때에만 투입 동작이 가능하다.

조작회로는 차단기에 붙어 있는 폐로 제어 회로, 개로 제어 회로, 보조 릴레이 등으로 구성되는 전기 회로다. 대표 구성은 X 릴레이와 Y 릴레이 두 개의 보조 릴레이를 쓰는 방식이다.

조작회로에서 트립 우선 기능은 전기적으로 구현된다. Y 릴레이가 없으면 폐로 동작과 개로 동작이 서로 반복되는 펌핑 현상이 생기므로, 펌핑방지 회로가 함께 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

차단기는 고장 전류를 차단하는 장치다. 차단 직후 같은 회로에 투입 지령이 남아 있으면 차단기는 다시 닫히고, 고장점에서 다시 대전류가 흐른다. 이 경우 차단기 접점과 기기에 큰 손상이 생길 수 있다. 따라서 차단 우선 원칙을 기구와 회로 양쪽에서 확보할 필요가 생겼다.

또 고장 제거 후에도 사고 지점의 공기는 아크 에너지로 이온화되어 절연을 잃는다. 이 상태에서 바로 재투입하면 재차 절연 파괴가 일어난다. 이 때문에 차단 후 이온화된 공기가 절연을 회복할 때까지 기다리는 시간, 즉 무전압시간이 필요하다. 무전압시간이 지난 뒤에 재투입 동작이 이루어진다.

재폐로 방식에서는 차단기가 차단한 순간부터 재투입 접촉까지의 시간인 재투입 시간이 중요하다. 재투입 시간은 트립 장치 동작 시점부터 재투입 전류가 주회로에 흐르기 시작할 때까지의 전체 시간과 구별한다. 재투입 시간과 무전압시간이 짧으면 계통 안정도 측면에서 유리하지만, 절연 회복이 덜 된 상태에서 재투입하는 위험이 커진다.

이상의 이유로 트립프리는 차단기 설계 요건이자 조작회로 설계 요건으로 함께 규정된다. 보조 릴레이를 쓰는 조작회로는 트립프리계전기를 차단기 조작회로에 항상 포함하는 것이 일반적이다.

4. 구성요소·원리·절차

트립프리(Trip Free) 기능은 차단기 본체의 기계 기구와 조작회로가 함께 만든다. 기계 기구는 투입된 접점을 트립 신호에 따라 바로 열 수 있어야 하고, 조작회로는 투입 지령과 트립 지령이 겹칠 때 트립이 먼저 실행되도록 배선되어야 한다. 구성요소를 정리하면 다음 표와 같다.

투입 코일은 닫힘 동작만 담당하고, 트립 코일은 래치를 풀어 접점을 여는 역할을 한다. 52-a 접점과 51 접점은 각각 차단기 상태와 트립의 원인을 조작회로에 알려 준다.

원리는 두 가지다. 첫째는 트립 우선이다. 투입 지령이 남아 있어도 트립 지령이 들어오면 트립 코일이 기구를 풀어 접점을 연다. 투입 도중에 사고가 나더라도 차단이 늦어지지 않게 하는 것이 목적이며, 이는 차단기의 기본 성능이다. 트립 지령은 투입 지령보다 항상 우선하여 차단기를 개방한다

둘째는 펌핑방지다. 트립 후에도 투입 지령이 계속 살아 있으면 투입과 트립이 번갈아 반복되는 펌핑 현상이 생긴다. 이를 막으려면 투입 지령을 한 번 해제한 뒤 다시 주었을 때만 투입 동작이 나오도록 한다. 이 역할은 Y 릴레이 같은 보조릴레이가 맡으며, Y 릴레이가 없으면 폐로와 개로가 반복되는 현상이 생길 수 있다.

재투입은 사고점의 절연이 회복된 뒤에 이루어져야 한다. 사고 차단 직후 아크 에너지로 사고점 공기가 이온화되어 절연 능력을 잃기 때문이다. 이 공기가 소이온하는 데 걸리는 시간을 무전압시간이라 하며, 차단 소호 순간부터 재투입 접촉까지의 시간인 재투입시간과 구분한다. 트립프리 기능이 있으면 재투입 중에 다시 사고가 나도 차단기가 즉시 다시 열린다.

차단기는 투입 도중에 보호 동작이 트립 회로를 가동하면 확실히 차단되어야 한다. 이를 프리 트립이라 하며, 이미 단락된 선로에 투입하는 경우 사고 범위가 넓어지는 것을 막는 데 쓰인다.

트립프리 동작 절차는 다음과 같다.

• 과전류계전기 51 접점이 닫혀 트립 지령이 발생한다.
• 트립 코일 TC가 여자되어 기구의 래치를 푼다.
• 주접점이 개방되어 차단이 완료된다. 투입 지령이 살아 있어도 이 단계에서 투입은 저지된다.
• 52-a 접점이 개방되어 폐로 상태 해제가 조작회로에 전달된다.
• 투입 지령을 해제한 뒤 다시 주어야 투입 코일 CC가 여자되어 재투입한다.
• 재투입 후 다시 과전류가 검출되면 1단계로 돌아가 차단한다.

도식에서 트립 우선 선은 51 접점에서 X·Y 릴레이로 직접 연결된다. 이 신호가 투입 코일 회로를 끊어 투입을 저지한다. 52-a 접점은 차단기 상태를 조작회로에 되돌려 주어 펌핑방지 판단에 쓰인다.

송전계통의 고압 차단기는 3상 중 사고 상만 트립하도록 할 수도 있다. 이를 단극 트립이라 하며, 일부 사고 유형에서 계통 안정도와 가용도를 높인다. 단극 트립 상태에서도 트립 우선 원리가 지켜져야 재투입 동작과 충돌하지 않는다.

5. 관련 법령·기준·표준

트립프리는 법령 조문으로 정한 기능이 아니라, 차단기 제작·시험 규격과 조작회로 설계 원리에 속한다. 고압 교류차단기의 정격과 시험은 국제 규격 IEC 62271-100에서 정하며, 세계 여러 나라에서 널리 인정된다. 북미에서는 ANSI/IEEE 규격을 주로 쓴다.

표의 값은 차단기 정격 설계의 출발점이다. 절연 준위와 정격 연속전류는 기기 온도 한도와 직결되므로 설계 단계에서 먼저 정한다.

정격 단락차단용량(Icn) 시험 절차는 O-t-CO-t-CO 순서다. O는 개로, CO는 투입 후 곧바로 개로를 뜻한다. 투입 직후 개로가 바로 나오는 CO 구간이 트립프리 성능을 검증한다. 투입 도중에 트립 지령이 들어와도 차단이 되는지를 시험하는 것이다.