500MVA, 1000MVA 차단기라는 말을 들어보셨을 겁니다. 하지만 이 MVA 정격은 구형 모델에만 존재하며, 최신 모델에서는 찾아볼 수 없습니다. 기본 개념을 명확히 하고 규정이 어떻게 변경되었는지 살펴보겠습니다. 사실 차단기의 차단 용량(차단 전류가 아님)은 과거 MVA로 표기되었으나, 현재는 kA(킬로암페어)로 표기됩니다.
자세히 들어가기 전에 차단기의 역할과 정격 종류를 먼저 알아보겠습니다.
차단기는 제어 및 보호 장치로, 스위칭 메커니즘과 시스템 보호를 수행합니다:
위 세 가지 의무를 바탕으로 차단기에는 다음 여섯 가지 정격이 있습니다:
차단 용량은 차단기가 정격 회복 전압에서 접점을 열어 손상 없이 차단/개방할 수 있는 최대 고장/단락 전류(RMS 값)입니다.
대칭/비대칭 계수, 고장 시 리플 및 DC 성분 존재로 인해 차단 용량은 RMS 값으로 표현됩니다.
과거에는 차단기의 정격 차단 전류와 정격 동작 전압을 고려해 MVA로 정격화했습니다. 계산식:
차단 용량 = √3 × V × I × 10⁻⁶ MVA
또는
차단/개방 용량 = √3 × 정격 선간 전압 × 정격 선 전류 × 10⁻⁶ MVA
예제: 차단 용량 100MVA, 정격 사용 전압 11kV인 차단기의 차단 전류는?
해답:
차단 전류 = 100 × 10⁻⁶ / (√3 × 11kV) = 52.48 kA
단락 고장 시 전압은 매우 낮고 전류는 최고치에 달합니다. 차단기가 접점을 열어 고장 전류를 차단할 때 정격 전압이 접점 양단에 나타납니다. 즉, 고장 전류 동안 동일한 정격 값이 지속적으로 나타나지 않습니다. 따라서 차단기 차단 용량을 MVA로 표현하는 것은 비논리적입니다.
이러한 이유로 제조사들은 최신 국제 표준을 따라 차단기 차단 용량 정격을 MVA 대신 정격 전압에서의 대칭 차단 전류(kA)로 표기합니다. 차단 용량 정격(암페어 또는 kA)은 차단 전류와 과도 회복 전압(TRV)을 동반하며, 단락 고장 시 대칭/비대칭일 수 있습니다.
투입 용량은 차단기 접점 폐로 후 고장 전류 파형의 첫 번째 주기 동안 단기 리플 계수와 DC 성분을 포함한 전류의 최대값(Peak Value)입니다.
차단 용량이 RMS 값으로 표현되는 반면, 투입 용량은 최대값(Peak Value)으로 kA 단위로 정격화됩니다. 이는 고장 전류 투입 시 전자기력과 아크 발생/소멸을 손상 없이 견뎌야 하기 때문입니다.
이 유해 힘은 투입 시 최대 순간 전류 값의 제곱에 비례합니다. 따라서 투입 용량은 차단 용량(RMS)과 달리 최대값으로 표시됩니다.
단락 전류 값은 최대 비대칭 상태에서 첫 번째 위상/파형에서 최대가 됩니다. 간단히 말해, 투입 전류는 비대칭 전류의 최대값과 같으므로 차단기 투입 용량은 항상 차단 용량보다 큽니다.
정격 단락 투입 전류는 정격 차단 전류의 AC 성분 RMS 값의 2.5배로 취급됩니다. 이론적으로 고장 전류는 초기 단계에서 대칭 고장 준위의 2배까지 상승할 수 있기 때문입니다.
차단기 투입 용량 계산:
대칭 차단 전류를 RMS에서 최대값으로 변환:
투입 용량 = 대칭 차단 전류 × √2
최대 비대칭 효과(첫 1/4 사이클 동안 전류 약간 감소 고려)를 포함하기 위해 1.8을 곱함:
투입 용량 = √2 × 1.8 × 대칭 차단 전류 = 2.55 × 대칭 차단 전류
차단기 투입 용량 = 2.55 × 대칭 차단 전류
차단기 스위칭 메커니즘의 기계적 듀티 요구 사항을 나타냅니다.
듀티 사이클 또는 정격 동작 순서는 다음과 같이 표현됩니다:
O – t – CO – t' – CO
각 기호 의미:
차단기가 손상 없이 동작할 수 있는 안전한 최대 전압 한계입니다.
정격 전압은 차단기 구조에 사용된 절연 두께와 재료에 따라 달라집니다. 무부하 또는 급격한 부하 감소로 인한 전압 상승을 고려해 최고 시스템 전압과 연관됩니다. 예: 40kV 시스템에서 정격 시스템 전압의 10% 상승을 견뎌야 하며, 400kV 시스템에서는 5% 상승이 한계입니다. 따라서 6.6kV 선로용 차단기는 약 7.2kV로 정격화되는 식입니다.
반면, 400V AC 정격 차단기를 1000V 이상에서 동작시키면 안 되지만, 1000V AC 정격 차단기는 400V 시스템에 사용 가능합니다. 정격 전압에서 사용 시 접점 아크를 소멸시킬 수 있지만, 정격보다 높은 전압에서 사용하면 과도 회복 전압(TRV)이 아크 소멸 매체의 유전 강도를 초과해 아크가 지속되어 차단기 또는 절연 손상을 초래합니다.
일반적으로 차단기 정격 전압은 전력 시스템의 버스 및 부하 정격보다 높습니다. 전압 레벨에 따라 두 가지 유형으로 나뉩니다:
관련 글: 스마트 와이파이 차단기 – 구조, 설치 및 작동
위 전압 정격 외에 차단기 전압 레벨 고려 시 두 가지 추가 정격이 있습니다:
차단기 충격 전압 정격은 낙뢰나 스위칭 임펄스에 의한 과도 임펄스 처리 능력을 나타냅니다. 지속 시간은 마이크로초 단위이므로 절연 설계가 단시간 피크 전압을 견디도록 되어 있습니다.
공업 주파수 내전압 정격은 급격한 부하 변화나 대용량 부하 한꺼번에 차단 시 발생하는 최고 시스템 전압 이상의 급격한 전압 상승 처리 능력을 나타냅니다. 일반적으로 60초 정도 지속되지만 차단기는 이 과전압을 견뎌야 합니다.
다음 차트는 차단기의 다양한 전압 레벨 정격(공칭 시스템 전압, 최고 시스템 전압, 공업 주파수 내전압, 충격 전압 레벨)을 보여줍니다.
관련 글:
차단기가 폐로 상태를 유지하며 고장 전류를 견딜 수 있는 지정된 짧은 기간입니다.
매우 짧은 시간의 고장 전류나 급격한 부하 변화/감소로 인한 원치 않는 차단기 동작을 방지하기 위해, 고장이 자동 소멸하고 전자기력과 온도 상승을 감당할 수 있는 동안 차단기는 트립하지 않아야 합니다. 지정된 시간(초 또는 밀리초)을 초과하면 접점을 열어 연결된 부하와 장비를 최대한 보호합니다.
B, C, D 클래스 및 Class 1, 2, 3 등 관련 곡선이 있는 다양한 클래스가 사용됩니다. IS 60898 시험 기준 Class 3이 최대 1.5L 줄/초 허용으로 최상입니다. 예: 유입 차단기는 3초의 시간 용량을 가지며, 단락 전류를 견디는 동안 정확히 3초를 초과해서는 안 됩니다. 정격 단시간 전류 용량은 차단기의 정격 차단 용량과 같아야 합니다. 따라서 민감 기기 고려 시 차단기 시간 용량 정격에 주의해야 합니다.
관련 글:
정격 전압과 주파수에서 온도 상승으로 인한 동작 변화 없이 연속적으로 감당할 수 있는 전류의 RMS 값입니다.
정격 전류는 회로 정격 전류의 125%여야 합니다. 예: 부하 전류 24A 시 차단기 정격은:
= 24A × 125%
= 24A × 1.25
차단기 전류 크기 = 30A
다른 방법으로, 차단기 전류 정격을 0.8로 나누어 부하 전류를 구할 수도 있습니다. 예: 25A 차단기는 20A 조명 부하에 사용 가능.
부하 전류 = 차단기 전류 정격 × 0.8
부하 전류 = 25A × 0.8 = 20A
산업기술
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