부하개폐기(LBS) 기능 및 요구사항

왜 배우는가: 부하개폐기(LBS)는 수변전설비에서 무부하·부하전류 개폐와 전력계통 절환을 맡는 장치로, 차단기와 단로기 사이의 역할을 정확히 구분해야 설계와 보호협조 답안을 쓸 수 있다. 금속폐쇄배전반 구성과 적용 고려사항을 묻는 문항이 반복되어 출제되므로 기능과 한계를 함께 알아둘 필요가 있다.

출제 이력: 제132회 4교시 6번, 제118회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

부하개폐기(LBS)는 정상 부하전류와 과부하전류를 안전하게 개폐하고, 고장전류 차단은 하지 않는 개폐장치이다.

• 부하개폐기(LBS)
• 부하전류 개폐
• 단로기(DS)
• 차단기(CB)
• 전력퓨즈(PF)
• 콤비네이션 방식
• 금속폐쇄배전반

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 부하개폐기는 전기가 흐르는 상태에서도 회로를 켜고 끌 수 있는 스위치다. 다만 단락사고가 나면 전류를 끊을 힘이 없어 사고 전류는 다른 장치가 막아야 한다. 이 점이 차단기와 가장 크게 다른 부분이다.

정식으로는 상시부하전류 또는 과부하전류를 안전하게 개폐할 수 있으며, 단락전류 같은 사고 시 대전류는 개폐하지 않는 개폐기로 정의한다. 근거 문헌도 부하개폐기는 상시부하전류의 개폐는 가능하나 이상 시 보호기능은 없다고 설명한다.

부하전류 개폐는 부하의 운전·정지나 회로 절환을 목적으로 한다. 이때 개폐는 무효전류 또는 그에 가까운 상태에서 이루어진다.

콤비네이션 방식은 부하개폐기와 전력퓨즈를 직렬로 조합하는 방법이다. 부하개폐기가 부하전류를 개폐하고, 사고 전류는 전력퓨즈가 차단한다. 근거에 따르면 부하개폐기는 전력퓨즈와 조합해 콤비네이션 스위치로 쓰이며, 이 조합에서 단락 보호는 퓨즈가 맡는다.

단로기(DS)는 무부하 상태에서 회로를 분리하는 장치로, 부하전류를 개폐하지 못한다. 부하개폐기는 단로기보다 한 단계 높은 개폐 능력을 가진다.

차단기(CB)는 과부하와 단락 전류를 모두 차단하는 보호장치다. 부하개폐기와 달리 고장 차단 기능을 갖는다.

전력퓨즈(PF)는 단락전류로부터 전로와 기기를 보호한다. 한류형과 비한류형으로 나뉘며, 차단기·변성기·릴레이의 역할을 한 기기에 수용하는 경제적인 장치로 설명된다.

금속폐쇄배전반은 개폐기, 모선, 계기류를 금속 함체에 수납한 배전반이다. 큐비클식 고압수전설비에서 부하개폐기는 이 함체 안에 배치되어 점검과 안전을 확보한다. 현대 배전반은 금속으로 둘러싸인 차단기·스위치·퓨즈로 작업자를 감전으로부터 보호한다.

3. 등장 배경과 필요성

수변전설비에서는 변압기, 차단기, 모선의 점검을 위해 회로를 분리할 필요가 있다. 이때 무부하 상태만 분리하는 단로기로는 운전 중 부하를 안전하게 끊을 수 없다. 부하개폐기는 이 간극을 메우기 위해 쓰인다.

또 설비 용량이 커지면 차단기를 모든 회로에 두기는 비용 부담이 크다. 부하개폐기와 전력퓨즈를 조합하면 사고 보호는 퓨즈에 맡기고 부하 개폐만 부하개폐기가 담당하므로 경제성이 높아진다. 이것이 특고압 수전설비와 자가용 큐비클에서 부하개폐기가 많이 쓰이는 이유다.

전력계통의 절환도 필요 기능이다. 예비 전원으로 옮길 때 부하전류가 흐르는 상태에서 회로를 바꿔야 하므로, 부하전류를 개폐할 수 있는 장치가 필요하다.

개폐기 선정 시에는 기능과 성능을 고려해 용도에 맞는 장치를 골라야 한다. 부하개폐기는 개폐 빈도가 비교적 적은 용도에 맞고, 보호 기능이 필요한 곳에는 차단기를 쓴다.

차단전류 한계는 정격에 따라 다름

4. 구성요소·원리·절차

부하개폐기(LBS)는 진공차단기(VI, Vacuum Interrupter) 또는 가스 절연 접점을 이용해 정상부하전류와 사고전류를 안전하게 개폐하는 고압 개폐장치다. 차단기처럼 보호 동작을 하지 않으므로 사고전류는 전력퓨즈(PF) 와 조합하여 차단한다. 금속폐쇄배전반(큐비클) 안에서 주모선, 개폐기, 퓨즈, 변류기 등이 한 구조로 묶여 구성된다.

구성요소는 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 정상 상태에서 접점은 닫혀 있고 부하전류가 흐른다. 개방할 때 접점이 떨어지며 아크가 생기고, 진공 중에서는 아크 매질이 적어 짧은 시간에 소호된다. 사고전류가 흐르면 LBS 는 그 전류를 차단하지 못하므로, 직렬로 연결된 퓨즈가 먼저 용단하여 전류를 끊는다. 퓨즈가 한 상 용단되면 3상 불평형이 생기므로 퓨즈 용단 시 3상 동시 개방하는 기계적 연동이 함께 필요하다.

동작 절차는 다음과 같다.

• 정상 운전: 주회로 개폐부 투입, 퓨즈 통전 상태 유지.
• 부하 개방: 조작기구로 주회로를 개방하고 소호부에서 아크를 소멸시킴.
• 점검 전환: 개방 확인 후 접지개폐기를 투입해 잔류전하를 방전하고 접지함.
• 사고 발생: 단락전류가 흐르면 전력퓨즈가 용단하고, 연동 기구가 3상을 함께 개방함.
• 복구: 퓨즈 교체 후 접지개폐기를 개방하고 주회로를 투입함.

LBS 와 차단기의 차이는 다음과 같이 정리된다. LBS 는 사고전류를 직접 차단하지 못하며, 차단기는 보호계전기와 결합해 사고전류를 직접 차단한다.

LBS 는 사고전류를 직접 차단하지 못하고 전력퓨즈와 조합하여 보호한다

5. 관련 법령·기준·표준

LBS 는 고압 전로 개폐장치로 「전기설비기술기준」과 「한국전기설비규정(KEC)」의 고압 기기 조항을 따른다. 수변전설비는 「화재안전성능기준(NFPC)」과 「화재안전기술기준(NFTC)」의 전기 관련 조항도 함께 검토한다. 해외 기준으로는 고압 개폐기와 고압 교류 개폐기-퓨즈 조합에 관한 IEC 표준이 LBS 의 시험·정격 기준으로 쓰인다.

기준 수치를 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 수치 중 계열값은 제조사 카탈로그에 따라 달라지므로 계통 설계 시 확인된 정격을 적용한다. 단락 차단 능력은 LBS 가 아니라 조합하는 퓨즈의 정격 차단전류가 기준이 된다.

그리고 LBS 의 투입 능력과 단시간 내전류 는 퓨즈 정격과 함께 계통 단락용량에 맞춰 검토한다.

6. 유형과 비교

부하개폐기(LBS)는 수변전설비에서 전로를 개폐하는 여러 장치 가운데 하나다. 단로기, 차단기, 전력퓨즈, 교류전자접촉기와 기능·성능이 달라 용도에 맞게 골라 써야 한다. 아래 표는 개폐 기능과 보호 기능을 기준으로 정리한 것이다.