과전류로 인하여 감전과 화재가 발생하고 이로 인하여 인적, 물적 피해가 발생할 수 있다. 그렇기 때문에 현장에서 접지는 필수적이며 적절한 차단기를 선정하는 것은 매우 중요한 작업이라고 볼 수 있다.
가장 먼저 과전류(過電流, Over-Current)는 전기기기의 정격전류, 도체의 허용전류를 초과한 전류를 의미하며 과부하전류(過負荷電流, Overload Current of a Circuit)와 단락전류(短絡電流, Short-Circuit Current)로 나눌 수 있다. 과부하전류는 전기적인 고장 없이 회로에 발생한 과전류를 의미하며, 단락전류는 정상적인 상태에서 전위차가 있는 충전된 도체 사이에 임피던스가 '0'인 고장(선도체 혼촉)에 기인한 전류를 의미한다.
과전류가 발생하게 되면 가장 먼저 도체를 보호해야 한다. 도체를 보호하기 위해서 모든 선도체에 과전류 검출기를 설치해야 하며, 과전류가 검출된 도체만 차단해야 한다. 또한 3상전동기 등의 단상 차단이 위험한 경우에는 결상 및 불평형에 대한 보호장치로 모든 선도체를 동시에 차단해야 한다.
도체뿐만 아니라 중성선도 보호가 필요하며, 중성선의 단면적이 선도체의 단면적과 동등 이상인 경우에는 과전류검출기를 설치할 필요가 없다. 그 외의 중선선의 단면적이 선도체보다 작은 경우와 고조파 과전류가 검출되는 경우에는 단면적에 따른 과전류 검출기를 설치하고 중성선의 과전류 검출과 선도체 차단을 동시에 하는 4P차단기를 설치한다. PEN 도체의 경우에는 중성선은 물론 보호도체의 역할을 수행하여 개방되면 안되기 때문에 차단장치 및 개폐장치를 설치할 수 없다.
또한 중성도체를 차단 및 재폐로 하는 회로의 경우에는 설치하는 개폐기 및 차단기는 차단 시 중성도체가 상도체보다 늦게 차단되어야 하며, 재폐로 시에는 상도체와 동시 또는 먼저 투입되어야 한다.
과전류 보호장치는 대표적으로 배선차단기, 누전차단기, 퓨즈가 있다. 현재 퓨즈는 거의 사용하지 않고 있으며 누전차단기(ELB)는 MCCB에 영상변류기(ZCT)를 추가하여 누전과 과전류보호를 겸한 것으로 특성은 MCCB와 같다. 배선차단기의 경우에는 MCCB, MCB로 나눌 수 있는데 MCCB는 산업용, MCB는 주택용으로 사용한다.
차단기는 합선, 누전, 과전류 등의 문제가 발생하게 되면 on이나 off 상태가 아닌 중간 부분에 걸친 상태로 놓이게 되며 이를 트립(Trip)이라고 한다. 이러한 트립 동작시간이 차단기에는 매우 중요하며 이에 대한 규정을 KEC에서 정하고 있다.
차단기는 정격전류도 중요하지만 최대 차단 시간도 중요하며 설치하는 장소마다 다 다르기 때문에 이를 직접 계산할 수 있어야 한다. 이를 이해하기 위해서는 차단기 동작특성곡선(Characteristics Curves)를 알아야 하며 그림은 다음과 같다. 가장 먼저, 곡선을 살펴보면 1번 영역은 과부하트립범위로 전류크기에 따라 동작시간이 짧아지는 반비례형태의 영역, 2번 영역은 빠른 시간 내에 떨어지는 순시트립범위로 큰 고장전류가 발생할 때 작동하는 영역이다. 마지막으로 3번 영역은 동작범위없이 떨어지는 영역을 의미한다.
뿐만 아니라 차단기는 주변온도와도 연관이 있어 온도보정곡선 그래프를 통하여 적절한 시간을 계산해주어야 한다.
예시로 누택용 배선차단기로 전류가 40A 부하에서 정격전류 20A를 사용한다고 가정하면 이를 나누면 2가 나오고 여기서 2가 정격전류의 배수라고 할 수 있다. 다음 아래의 표의 가로축에서 2에 해당하는 그래프의 값은 최소값은 10초, 최대값은 4분으로 이 사이에 차단기가 떨어진다고 볼 수 있다. 거기에 온도를 20도라고 가정하고 온도보정그래프를 통해 동작시간변화율이 160%인 것을 알 수 있다. 그러면 각 값에 1.6씩 곱하여 최소값은 16초, 최대값은 6분 24초로 계산할 수 있다.
다음 차단기를 선정할 때 고려해야 하는 것은 계통이며 크게 TT 계통과 TN 계통으로 볼 수 있다. TT 계통은 전원의 한점을 대지에 직접 접지하고 설비의 노출도전부는 전원의 접지전극과 전기적으로 독립적인 접지극에 접속하는 방식이다. TT 계통의 특징은 독립적으로 배선이 되어 있어 누전차단기를 설치할 수 있고 고장임피던스가 신뢰성이 보장되고 충분히 낮은 경우 과전류 보호장치도 사용할 수 있다.
TN 계통의 경우에는 전원의 중성점과 전기설비의 노출부가 보호도체를 통해 서로 연결된 방식으로 고장임피던스의 크기가 클수록 고장전류의 크기가 작아지고, 고장임피던스의 크기가 작을수록 고장전류의 크기가 커진다는 특징이 있으며 과전류 차단기를 모두 사용할 수 있으며 TN-C의 경우 누전차단기는 사용이 불가하다.
또한 전원자동차단장치를 선정하기 위해서는 고장전류를 알아야 하며 이 고장전류값은 차단기의 정격전류보다 크면 적격 판정을 받는다. 그렇지 않은 경우에는 다음과 같은 자동차단조건을 따랴아 하며 공식은 다음과 같다. 아래의 최대 시간 내 보호장치를 자동으로 차단할 수 있는 전류는 동작특성곡선을 통해 구하며 이를 자동차단조건에 만족하는 경우 적격 판정을 받는다. 하지만 자동차단조건을 만족하지 않은 경우가 많아 보호장치 동작배율을 구하여 동작특성곡선을 통해 과전류차단기 동작시작을 구하여 과전류차단기 동작시간이 보호장치의 최대 차단시간 보다 낮으면 적격 판정을 받는다.
보호장치의 최대차단시간은 아래의 표를 기준으로 한다.
이러한 공식들은 통해 TN 계통과 TT 계통에 따라 다음과 같은 차트의 토대로 선정할 수 있다.
차단기는 과전류에 대한 보호조치도 필요하지만 과부하에 대한 보호도 필요하다. 과부하는 부하전류의 양이 많아 정격전류가 높아진 상태로 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.
전동기 부하의 경우에는 기동시간이 5초 이상이거나 기동전류가 큰 전동기 부하의 경우 규약동작배율을 고려하여 결정해야 하고, 일반 건출물 등에 사용되는 급수, 배수, 온수, 급탕, 소화 펌프 등에 적용되는 전동기는 전부하전류(FLC)를 고려해야 하며 규약동작배율을 고려해 결정하는 경우 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.
과부하보호장치의 위치는 허용전류 값이 줄어드는 곳(분기점 등)에 설치해야 하며 예외로 간선에서 분기하는 장소에는 3m 이내에 설치해야 한다. 그렇지 않을 경우 분기 회로를 간선과 같은 굵기(단락보호)의 전선을 적용해야 한다.
그 외의 과부하보호장치를 생략할 수 있는 조건이 있는데 이는 다음과 같다.
1. 전선의 단면적 등이 변경되는 분기점의 부하측 배선이 그 전원측에 설치된 보호장치에 의하여 유효하게 과부하를 보호할 수 있는 경우
2. 과부하전류가 흐를 우려가 없는 배선으로 단락보호 요건에 따라 단락보호가 되고 도중에 분기회로 및 콘센트가 없는 경우
3. 통신, 제어, 신호 등의 설비일 경우
4. 전동기의 여자회로, 기중기 전자석의 전원회로 또는 변류기의 2차 회로 등 회로의 차단에 의해 위험을 발생시킬 수 있는 전기기기에 공급하는 회로의 경우
5. IT 계통에서 과부하보호를 하지 않는 회로를 누전차단기로 보호하거나 계통 내 배선을 포함한 모든 기기에 대해 이중 또는 강화 절연기기를 사용하는 경우
마지막으로 단락 보호장치를 고려해야 하는데 단락 보호장치에 대한 조건은 다음과 같다.
- 정격차단전류는 그 설치 점에서의 예상 단락전류 이상이어야 한다. 다만. 전원측에 설치된 다른 보호장치가 필요한 정격차단전류 값을 가지고 있는 경우에는 예외로 한다. 이때 2개의 보호장치를 통과하는 에너지가 부하 측의 보호장치 및 보호장치로 보호되는 전선이 손상되지 않고 견딜 수 있는 에너지를 초과하지 않도록 양쪽 보호장치의 특성 협조를 도모하는 것이 중요한다.
- 단락 보호장치는 회로의 어떠한 점에서 발생하는 단락전류라도 그 전선의 단시간 허용온도를 넘지 않는 시간에 차단하는 능력이 있어야 한다.
- 단략전류 지속시간이 5초 이하인 경우 통상 사용조건에서 단락전류에 의해 절연체의 허용 온도에 도달하기까지의 시간 t는 아래의 공식으로 산정한다.
- 단락 보호장치의 정격전류는 절연전선 및 케이블 허용전류 이상이어도 가능하다. 이는 전선의 과부하는 과부하 보호장치로 보호하므로 단락보호만을 실시하는 보호장치의 정격전류는 전선의 허용전류 이상이라도 가능한 것이다. 그러나 하나의 보호장치로 과부하 및 단락 모두를 보호할 때는 과부하 및 단락 보호 장치 설치 위치에서의 양쪽 요건 모두를 충족시켜야 한다.
단락 보호장치는 전선 단면적 등의 변경에 의해 그 허용전류가 저감되는 곳(분기점 등)에 설치하여야 하는데 다음 중 하나에 의하는 경우에는 생략이 가능하다.
(1) 분기점에서 단락 보호장치까지의 사이의 배선이 다음 조건을 동시에 충족하는 경우
- 배선의 전체 길이는 3m 이하이다.
- 배선의 단락의 위험이 최소가 되도록 시설되어 있다. 이 조건은, 예를 들면 외적 영향에 대한 배선을 강화 보호하는 것으로 충족시킬 수 있다.
- 배선은 가연성 물질에 근접해 설치되어 있지 않다.
(2) 분기점에서 전원 측에 설치한 단락 보호장치가 분기점의 부하측 배선을 단락 보호장치의 조건에 따라 단락 보호할 수 있는 동작 특성을 가지는 경우
배선의 단락위험을 최소화할 수 있는 방법으로 설치하고, 배선을 가연성 물질 근처에 설치하지 않는 경우 다음의 회로에는 단락 보호장치를 생략할 수 있다.
- 발전기, 변압기, 정류기, 축전지와 보호장치가 설치된 제어반을 접속하는 회로
- 회전기의 여자회로, 기중기 자석의 전원회로 또는 변류기의 2차회로 등 회로의 차단에 의해 위험을 발생시킬 수 있는 전기사용기기에 공급하는 회로와 같이 전원차단이 설비의 운전에 위험을 초래할 수 있는 회로
- 특정 측정 회로
개인 공부를 위한 게시물로 틀린 내용을 포함할 수 있는 점 참고 부탁드립니다.
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