단락용량 증대 영향 및 단락전류 억제방법

왜 배우는가: 단락전류는 차단기 선정, 기기 정격, 보호협조의 출발점이 되는 값이라 실무에서 계통 설계와 보호 설계 모두에 쓰인다. 단락용량이 커지면 차단기 용량 부족, 기기 파손, 전압 변동 같은 문제가 생기므로 시험에서는 영향과 억제방법을 함께 묻는 문항이 반복해서 나온다.

출제 이력: 제137회 3교시 6번, 제129회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

단락용량은 계통의 한 지점에서 단락고장이 발생했을 때 흐를 수 있는 최대 단락전류와 정격전압의 곱으로, 차단기 차단용량 선정의 기준이 되는 값이다.

핵심 키워드

• 단락용량
• 단락전류
• 차단용량
• %임피던스
• 한류리액터
• 한류퓨즈
• 초전도 한류기
• 보호협조

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전력계통에서 누전이나 선간 접촉으로 전선끼리 직접 붙었을 때 얼마나 큰 전류가 흐를 수 있는지를 나타내는 값이다. 단락용량은 그 전류에 정격전압을 곱한 값으로 표현하며, 단위는 MVA를 주로 쓴다.

정식 정의로는 단락용량(Short-circuit capacity)을 단락점에서 3상 단락이 일어났을 때의 전압과 전류로 정의한다. 계통 임피던스가 작을수록 단락전류가 커지므로 단락용량은 전원 측 공급 능력과 선로·변압기 임피던스에 의해 정해진다.

단락전류는 단락고장 순간 흐르는 과도 전류다. 처음 수 사이클 동안은 크고 시간이 지나면 점차 감쇠해 지속 단락전류로 수렴한다. 차단기는 이 전류를 끊어야 하므로 차단기의 차단용량은 설치점의 단락전류 이상이어야 한다.

%임피던스는 기준용량과 기준전압을 바탕으로 임피던스를 백분율로 나타낸 값이다. 변압기와 선로의 %임피던스가 크면 단락전류가 작아지고, 작으면 단락전류가 커진다. 그래서 단락전류 억제는 결국 계통 임피던스를 늘리는 방향으로 접근한다.

한류리액터(Current-limiting reactor)는 직렬로 삽입해 단락 시 전류를 제한하는 리액터다. 리액터는 무효전력을 소비하고 고장 전류를 제한하는 데 쓰이며, 커패시터와 함께 쓰일 때는 돌입전류 제한 역할도 한다.

한류퓨즈(Current-limiting fuse)는 단락전류가 흐를 때 한 주기 이내에 용단되어 통과 에너지를 줄이는 퓨즈다. 차단이 빨라 후단 기기 보호에 유리하다.

초전도 한류기(Superconducting fault current limiter)는 평상시 저항이 0인 초전도체가 고장 시 상전도 상태로 전이되어 높은 임피던스를 삽입하는 기기다.

보호협조는 고장 구간만 차단하도록 보호기기들의 동작 순서와 시간을 맞추는 일이다. 단락전류가 커지면 협조가 어려워지므로 억제대책과 함께 검토한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력수요가 증가하고 발전·송전 설비가 확대되면서 계통의 전원 용량이 커졌다. 전원이 많아지고 계통이 촘촘하게 연결될수록 한 지점의 단락전류는 함께 커진다. 여러 전원이 낮은 임피던스로 한 모선에 연결되면 단락용량이 가장 크게 나타난다.

단락전류가 차단기의 정격 차단용량을 넘으면 차단기가 고장 전류를 안전하게 끊지 못한다. 이 경우 차단기 파열, 화재, 후속 기기 손상 같은 사고로 이어진다. 그래서 계통 확장 때마다 단락용량을 다시 계산하고, 필요하면 차단기 교체나 억제 대책을 적용해야 한다.

단락용량 증대는 설비 투자 비용과도 연결된다. 차단기와 개폐기 등급을 올리면 설비비가 늘고, 모선 분할이나 한류기 설치 같은 방법으로 억제하면 운용 방식의 제약이 생긴다. 따라서 계통 설계에서는 단락용량을 낮추는 것과 차단 능력을 확보하는 것 사이에서 균형을 잡아야 한다.

고압계통에서는 단락용량이 수 MVA에서 수백 MVA, 대형 계통은 1000MVA 이상까지도 나타날 수 있다. 저압계통에서는 변압기 용량과 %임피던스에 따라 단락전류가 정해지며, 저압 차단기는 이 값보다 큰 차단용량을 가져야 한다.

차단기 차단용량은 설치점 단락전류 이상이어야 하며, 이 원칙이 단락용량 관리의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

단락전류 억제는 고장 시 전원 측에서 흐르는 전류를 줄여 차단기 정격차단용량 안에 두는 것이다. 억제 수단은 고장 경로의 임피던스를 높이는 방법과 전류를 직접 제한하는 방법으로 나뉜다.

원리는 옴의 법칙이다. 단락전류는 I_s = \frac{V}{Z} 로 구한다. V는 고장점의 상전압(V), Z는 전원에서 고장점까지의 합성 임피던스(Ω)다. 고장 경로에 임피던스를 더하면 단락전류가 감소한다

변압기 기준으로는 I_s = I_n \times \frac{100}{\%Z} 이다. I_n은 2차 정격전류(A), \%Z는 %임피던스(%)다.

계산 예: 1000kVA, 2차 전압 380V 변압기에서 전원 임피던스를 무시한다. I_n = \frac{1000 \times 10^3}{\sqrt{3} \times 380} \approx 1519\,A 이다. %Z가 5%이면 I_s \approx 1519 \times \frac{100}{5} \approx 30.4\,kA 이고, 6%이면 I_s \approx 25.3\,kA 이다. %임피던스가 5%에서 6%로 높아지면 단락전류는 약 5kA 줄어든다. 배전용 변압기의 단락전류가 수십 kA 수준이므로 결과는 상식 범위다.

한류 리액터는 선로에 직렬로 삽입한다. 정상 운전 시에는 전압강하와 손실이 있으나, 고장 시에는 리액턴스가 전류를 제한한다. 직렬 리액터는 콘덴서 투입 전류 억제에도 함께 쓰인다.

한류형 전력퓨즈는 고장 전류가 크게 오르기 전에 1 사이클 미만 안에 차단하여 통과 에너지를 제한한다. 동작 후에는 재투입이 불가하므로 보호 협조를 함께 고려한다.

초전도 한류기는 정상 상태에서 저항이 0이고, 고장으로 상전도 상태로 전이되면 높은 저항이 생겨 전류를 제한한다. 상용 설치는 아직 제한적이다.

모선 분리는 병렬 운전 중인 전원을 분리하여 고장 기여 전류를 줄인다. 전원 수가 많을수록 단락전류가 커지므로 운전 방식으로 억제하는 방법이다.

단락전류 억제의 절차는 다음과 같다.

• 설치점별 3상 단락전류를 계산한다.
• 차단기 정격차단용량과 비교한다.
• 초과 구간에 %임피던스 조정, 한류 리액터, 한류형 퓨즈, 모선 분리 중 하나 이상을 적용한다.
• 억제 후 전류를 재계산하고 보호협조를 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기설비의 기술기준은 「전기사업법」에 근거한 체계이며, 현행 기준은 2021-01-01 시행된 한국전기설비규정(KEC)이다. 옛 전기설비기술기준의 판단기준은 이때 대체되었다.

차단기 정격 선정은 KEC 기준을 따른다. 단락전류 계산은 IEC 60909 방법을 쓰며, 저압 차단기는 KS C IEC 60947-2 계열을 따른다.

배전용 변압기의 %임피던스는 계통 조건에 맞는 설계 범위로 정하는 것이 관행이다. 고압 차단기 정격차단전류는 관련 기준이 정한 표준 계열에서 선정하는 것이 일반적이다. 이 값들은 설계 관행에 따른 기준이며 계통마다 다르게 정한다.

직렬 리액터의 리액턴스는 콘덴서 용량을 기준으로 정하며, 고조파 억제 목적을 겸하는 경우가 많다. 한류형 퓨즈는 통과 에너지를 줄이는 특성 때문에 고장 전류가 큰 저압 계통에 쓰인다.

6. 유형과 비교

단락전류 억제 방법은 크게 계통 구성(임피던스 증가·계통 분리)에 의한 방법과 기기(한류 장치)에 의한 방법으로 나뉜다. 두 방법은 적용 위치와 비용, 정상 운전 영향이 달라 비교해 선정해야 한다.