차단기 정격 선정

왜 배우는가: 차단기는 계통 사고 때 단락전류를 안전하게 끊는 거의 유일한 기기다. 정격을 잘못 고르면 차단 실패나 기기 파손으로 이어져 실무 설계의 핵심이 된다. 시험에서는 정격 4요소의 정의와 선정 순서가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 1교시 2번, 제121회 1교시 3번, 제118회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

차단기 정격 선정이란 계통의 사용 전압, 부하전류, 고장 시 단락전류를 기준으로 차단기의 정격전압·정격전류·정격차단전류·정격투입전류·동작책무를 정하는 일이다. 차단기 정격은 사용 회로 조건과 고장 시 단락전류를 기준으로 정한다.

• 정격전압
• 정격전류
• 정격차단전류
• 정격차단용량
• 정격투입전류
• 동작책무
• 과도회복전압(TRV)
• 단락전류

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 차단기가 견디고 끊을 수 있는 한도를 숫자로 정해 두는 것이다. 차단기는 평소에는 전류를 흘리고, 고장 때는 큰 전류를 끊어야 한다. 그래서 정격은 평상시 조건과 고장 조건을 모두 담는다.

정식 정의는 다음과 같다. 정격이란 규정된 책무, 조건 및 특정 조작 아래에서 차단기가 갖는 성능의 보증 한계를 말한다.

정격전압은 그 차단기에 부과할 수 있는 사용 회로 전압의 상한이다. 보통 선간전압의 실효값으로 나타낸다. 사용 회로 전압보다 훨씬 높은 정격전압을 고르면 차단기 자체에는 문제가 없지만 경제성과 외형에서 이점이 없다. 따라서 회로 전압에 맞는 정격을 고르는 것이 원칙이다.

정격전류는 정격전압과 정격주파수 아래에서 온도 상승 한도를 넘지 않고 계속 통전할 수 있는 전류의 한도다. 차단기는 최대 부하전류 또는 배전선의 전류용량 이상으로 고른다.

정격차단전류는 규정된 동작책무와 동작상태에 따라 차단할 수 있는 지연역률 차단전류의 한도다. 차단 순간 각 극에 흐르는 전류를 대칭 단락전류의 실효값으로 나타낸다. 표준 값은 관련 규격이 정한 계열 값으로 정해져 있다. 비대칭 전류는 직류분을 고려해 보통 1.25배 로 본다.

정격투입전류는 투입 순간 흐를 수 있는 전류의 최대 순시값이다. 투입 초기 주파의 순시 최대값으로 표시하며, 정격차단전류의 약 2.5배 로 본다. 고장 회로를 투입하면 큰 전자력이 작용하므로 이 값도 함께 확인한다.

정격차단용량은 규정 조건에서 차단할 수 있는 용량이다. 삼상에서는 $P_s=\sqrt{3}\,V_n\,I_s$ 로 구한다. 여기서 V_n은 정격전압(kV), I_s는 정격차단전류(kA), P_s는 차단용량(MVA)이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통에서 사고는 필연적으로 일어난다. 단락 사고가 나면 계통 임피던스가 작아 매우 큰 전류가 흐른다. 이 전류를 끊지 못하면 기기가 파괴되고 사고 범위가 넓어진다. 차단기는 이때 전류를 차단하는 거의 유일한 수단이다. 따라서 차단기는 최악의 단락 조건을 견디도록 정격을 정해야 한다.

정격 체계가 필요한 이유는 두 가지다. 첫째, 설계와 제작의 표준화다. 차단기는 정해진 표준 정격 수열에 맞춰 만들어지므로 현장에서는 계산된 값에 가장 가까운 표준 정격을 고른다. 둘째, 조건에 따른 보증 범위를 명확히 하기 위해서다. 정격은 정격전압, 정격주파수, 과도회복전압, 정격차단시간 같은 규정 조건 아래에서만 성립한다.

과도회복전압(TRV)도 정격 선정의 배경이다. 차단 직후 차단기 양단 전압은 고주파 진동을 동반하며 회복된다. 이 전압이 차단기의 절연 회복 능력을 넘으면 재점호가 일어난다. 따라서 차단 성능은 단락전류 크기뿐 아니라 회복 전압 조건까지 함께 본다.