고압 전류 제한 퓨즈

파워퓨즈의 개요 파워퓨즈는 고압선로에서 일정 값 이상의 전류가 일정 시간 이상 통전 될 경우 퓨즈의 가용체(엘리먼트)가 내부에서 발생되는 열에 의하여 용단되어 전력계통을 분리함으로써 전력계통과 기기 및 선로를 보호한다. 차단기를 사용하여 과전류나 사고전류로부터 전력계통을 보호하기 위해서는 차단기, 변류기, 계전기가 필요하지만, 퓨즈는 이 세가지 기기의 역할을 단독으로 수행함으로 매우 경제적이고 신뢰성이 높으나 재사용이 불가능 하다는 단점이 있으나 차단 용량이 매우 높다. 따라서, 파워퓨즈는 전력계통의 변압기, 모터, 콘덴서, 제어회로 보호 및 차단용량이 부족한 차단기나 개폐기의 후비 보호용으로 많이 사용된다. 파워퓨즈의 종류 IEC 60282-1에 따르면 고압파워퓨즈는 한류형(전류제한)과 비한류형으로 구분되며, 그 특성이 다르기 때문에 별도로 구분하여 사용된다. 한류형 파워퓨즈에 대한 KS규격은 KSC 4612가 있으며, 이 규격은 IEC 60282-1의 한류형 파워퓨즈 항목을 참조한 규격이다. 1. 한류형 파워퓨즈(Current Limiting Fuse) 한류형 퓨즈는 사고전류에 대한 한류효과가 매우 뛰어나고 사고전류의 고속차단성능(0.5Cycle 이내)이 우수하며, 차단용량이 매우 높아 계통의 예상 사고전류를 계산하지 않고도 사용이 가능하다. 또한 차단시 소음이나 아크의 발생이 없어 신뢰성과 안전성이 우수하다. 그러나 후비보호용의 경우 대전류에 대한 차단은 매우 신뢰성이 높으나, 사용정격의 300~400% 이하의 비교적 작은 전류는 동작특성에 오차가 커지고 차단이 되지 않은 수 있다. 따라서 한류형 파워퓨즈는 주로 단락전류 보호의 백업용으로 사용되고 최소차단전류를 명시하여 차단불능의 소전류 영역에서는 다른 보호기기를 사용하도록 권장하고 있다. 따라서 한류형 파워퓨즈는 전력계통에서 부하개폐기(LBS), 진공전자접촉기(VC), 고장구간자동개폐기(ASS) 등과 보호협조를 이루어 많이 사용하고 있다. 2. 비한류형 파워퓨즈 (Expulsion Fuse) 비한류형 퓨즈는 사고전류에 대한 한류효과가 거의 없고 차단용량이 작아서 계통의 예상 사고전류를 계산하여 적정 차단용량인지 확인 후 사용을 해야 한다. 비한류형은 차단시 소음이 매우 커서 소음기를 부착 할 것을 권장하고 있으며, 아크가 발생함으로 매우 위험한 상황으로 발전할 가능성이 있다. 따라서 비한류형은 옥외용 또는 넓은 설치공간을 확보하여 사용한다. 그러나 한류형 퓨즈와는 반대로 비교적 소전류에 대한 동작특성을 규정하고 있어서 정격전류의 약 200% 이상의 과전류에 동작을 하도록 되어 있다. 그러나 비한류형 파워퓨즈 역시 정격전류의 200% 이상에서 동작을 함으로 과전류에 대한 보호를 다른 보호기기와 협조를 이루어야 한다. 한류형 파워퓨즈의 구조 국내에서 생산되는 한류형 퓨즈의 구조는 세라믹 재질의 애관을 사용하여 내습, 내구, 내열성에 우수하며 엘리멘트는 일반적인 비한류형 퓨즈에 사용되는 동, 니켈, 크롬 등의 합금과는 달리 순도 99.9%의 은(Ag)을 사용하였으며, 엘리먼트는 아크 소호재인 규사로 둘러 쌓여져 있어 대전류가 흐르면 엘리먼트는 용단해 아크가 발생한다. 한류차단은 이 아크가 순간적으로 아주 높은 저항체가 되어 전류를 제한하여 차단한다. 규사는 원형 또는 침상구조의 크고 작은 알갱이로 구성되어 공극이 없이 충진된 규사는 열전도성과 대전류에 대한 한류효과를 증대시킨다. 즉, 규사의 역할은 단락전류시 통전체의 용단으로 발생하는 순간적인 아크열을 흡수하여 액체화되면서 통전체화 결합, 부도체 및 전류 소호의 역할을 한다. 애관의 표면은 절연성과 열전도 및 단락사고에 의한 내부의 압력증가로 퓨즈가 파열되지 않는 기계적 강도의 재질로 제작된다.

자기봉의 경우 온도 변화에 대한 수축과 팽창을 작게 할 수 있는 재질로 구성되어 제품의 내구성을 향상하여 반복적인 부하의 개폐에도 장수명을 보장한다. 표시기란 퓨즈가 동작했을 때 외부에서 눈으로 동작 여부를 확인 할 수 있도록 스프링의 힘에 의해 돌출되도록 설치된 것이며, 돌출력에 의해 마이크로 스위치를 동작시켜 전기적 신호를 낼 수 있는 구조를 한 것이 스트라이커다. 퓨즈 표시기 또는 스트라이커는 일반적으로 겸용으로 제작된다. 퓨즈부착 부하개폐기 는 한 상의 퓨즈가 용단되어도 개폐기가 개로될 수 있도록 스트라이커에 의하여 연동 동작을 하여 결상보호 기능을 한다. 한류형 파워퓨즈의 분류 및 선정 KSC 4612에는 일반용 퓨즈(G Type)에 대한 시험방법과 내용에 대해 명기되어 있으며, 퓨즈의 사용 목적에 따라 M Type(모터보호용), T Type(변압기 보호용), C Type(콘텐서 보호용)에 대하여 아래와 같이 명시되어있다. 보통 G Type을 가지고 보호 협조를 계산하여 퓨즈를 선정하고 있으나, 국내에서 생산 시판되는 제품은 일반부하용(G Type), 모터보호용(M Type), Pad TR보호용(T Type) 등 부하의 특성에 적합한 퓨즈가 특수하게 제작되어 있음으로 변압기, 모터 및 콘덴서 등 부하특성에 적합한 전용의 퓨즈를 사용하는 것이 좋다. 1. 일반부하용(G Type) 전력계통의 과전류 및 사고전류 보호를 위한 퓨즈로서 퓨즈의 선정 원칙은 다음 사항을 참조하여 선정한다. 1) 한류형 퓨즈는 단락사고의 보호를 주요 목적으로 한다. 2) 퓨즈는 동작 후 재투입을 할 수 없다. 3) 과도전류에 대하여 퓨즈가 동작 및 손상되지 않도록 선정한다. 4) 퓨즈의 동작특성은 고정된 것임으로 용도와 회로특성을 고려하여 선정한다. 5) 최소차단전류 이하에서는 다른 보호기기로 보호를 한다. 6) 퓨즈는 열화변질을 일으킬 수 있음으로 충분한 여유의 정격을 사용한다. 7) 퓨즈 용단 시에는 전상을 모두 교체한다. 8) 부하 전류보다 퓨즈의 정격전류가 크도록 선정한다. 2. 모터보호용(M Type) 모터 보호용은 모터의 빈번한 기동전류에도 용단되지 않고, 경미한 과부하로 인한 퓨즈의 열화가 없도록 모터의 특성에 적합하게 제조된 퓨즈로서 일반부하용(G Type)과 그 적용 특성곡선을 달리한다. 즉, KS규격에서는 모터의 기동전류가 퓨즈 정격전류의 5배의 크기로 10초 동안 10,000회 반복하여도 용단되지 않는 특성으로 규정되어있다. 제품의 정격선정은 모터의 기동전류 특성이 퓨즈의 허용시간특성 이내가 되는 정격전류의 퓨즈를 선정한다. 3. 변압기보호용(T Type) 변압기는 전압을 인가시 여자전류 유입에 따른 퓨즈의 용단이나 열화가 없어야 한다. 변압기 제조업체에서 보증하는 변압기 허용 과부하로 인하여 퓨즈는 열화되지 않고, 여자돌입전류의 실효치가 퓨즈 정격전류의 10배로 0.1초 동안 100회 반복하여도 용단되지 않는 적합한 정격을 선정해야 한다. 또한 퓨즈의 최소 차단전류가 변압기 2차측 단락사고시의 1차측의 예상 전류보다 작은 정격을 선정해야 한다. 4. 콘덴서보호용(C Type) 콘덴서 보호용은 콘덴서를 투입시 예상되는 과도전류를 고려하여 선정하며, 순간 돌입전류가 정격전류의 70배가 0.002초 동안 100회 반복하여도 이에 용단되지 않는 특성을 보유하도록 규정되어 있다. 또한 허용 과부하로 인한 열화가 없어야 하며, 병렬 콘덴서로부터의 유입되는 전류도 함께 감안해서 정격을 선정해야 한다. 한류형 파워퓨즈의 특성 1. 허용전류, 용단전류, 동작전류 특성 1) 허용전류(허용시간-전류특성) 파워퓨즈를 정해진 조건으로 사용시 퓨즈를 열화시키는 일이 없이 그 퓨즈에 흘릴 수 있는 전류와 시간과의 관계 특성곡선이 허용전류 특성이다 . 이 특성은 적용회로에 대한 퓨즈의 정격전류 선정시 필요하다. 2) 용단전류 (용단시간-전류특성) 퓨즈에 전류가 흘러서 엘리먼트(소자)가 용단되기까지의 전류와 시간과의 관계를 나타낸 특성이며, 전류는 규약전류, 시간은 규약시간으로 나타낸다. 이 곡선은 시험결과의 평균치로 나타낸다.

2. 부하별 퓨즈 선정방법 1) 변압기 적용 퓨즈 변압기 적용 퓨즈의 정격전류 선정 중에 중요한 것은 변압기의 허용 과부하로 퓨즈 엘리먼트가 열화되지 않아야 하며, 변압기 투입시 발생하는 여자 돌입전류 보다 퓨즈의 허용 시간 특성이 커야한다. 변압기의 2차측 단락시 퓨즈가 동작하여 변압기를 보호 가능해야 한다. 여자돌입 전류에 대한 허용특성을 계산하기 위해서는 변압기 고유의 여자돌입전류의 배수와 시상수에서 실효전류와 지속시간을 계산하는 방법은 다음 식을 참고한다. 즉, 실효전류 I = K*Io*A, 지속시간 T = (2t-1) / 2f 의 전류-시간 특성과 퓨즈의 허용,동작-시간 특성을 비교하여 퓨즈를 선정한다. 통상 변압기의 여자돌입전류가 정격의 10배 이내이고 돌입전류 지속시간이 0.1초 이내 이며, 변압기의 개.폐가 100회 이내로 한정하여 사용시 퓨즈의 T인 정격을 참조하여 선정하면 된다. (퓨즈 T인 정격 >= 변압기 정격전류) 계기용 변압기 보호용의 경우 1A 정격의 퓨즈를 사용하나 이 정격은 계기용변압기의 1차 단락 및 변압기 파괴에 의한 계통 보호용으로 가능하나 일부 2차측 단락 보호는 어려움이 있다. 다음 그림은 변압기용 퓨즈와 2차측 차단기의 보호협조 관계를 나타낸 것이다. 여기서 P점은 여자돌입전류-시간 특성이다. 2) 전동기 보호용 퓨즈 전동기 보호용 또한 전동기의 잦은 기동에 의한 퓨즈의 열화가 없도록 선정해야한다. M형 퓨즈의 경우 통상 기동전류가 정격전류의 5배 이내로 기동시간이 10초 이하인 전동기를 기동 횟수 1만회 까지 보증하도록 KS규격에 정의되어 있으며, 제조기술과 엘리먼트 소재기술이 발달함에 따라 최대 3만회 까지 보증하는 경우도 있다. 대부분의 전동기는 고압전자접촉기(VC)와 조합하여 사용하며 퓨즈의 허용-시간특성과 고압 접촉기의 과전류동작 및 차단전류를 감안하여 보호협조가 가능하도록 퓨즈를 선정해야 한다. 다음 그림은 고압전자접촉기와 퓨즈의 동작협조에 의한 전동기 보호의 선정기준을 설명하여 준다. 3) 콘덴서 보호용 퓨즈 콘덴서 회로의 허용 과부하에서 퓨즈는 열화되지 않고, 콘덴서의 돌입전류-시간 특성이 퓨즈의 허용특성 이내가 되도록 선정한다. 콘덴서가 병렬 연결로 사용 될 경우 병렬회로로 부터의 유입전류에도 퓨즈는 견딜 수 있도록 선정해야 한다. 통상 C종 정격의 퓨즈는 정격전류의 70배 돌입전류가 0.002초 동안 견딜 수 있는 개폐횟수가 100회 이상인 것으로 규정되어 있으며, C종 퓨즈의 정격전류는 콘덴서의 정격전류보다 같거나 크게 선정한다. 또한, 콘덴서에 직렬 리액터(6%,13%)가 있는 경우 과도전류는 콘덴서 정격전류의 5배 전류가 0.1초 동안 지속되는 것으로 가정하여 선정한다. 이상은 표준으로 적용되는 통상의 퓨즈정격 선정의 경우로서 부하의 특성이 상기에 언급한 것과 차이가 있을 경우 또는 반복 과전류 특성이 더 많이 필요시 퓨즈의 특성곡선을 참고하거나 제조자와 상의하는 것이 좋다. 3. 한류형 파워퓨즈의 한류특성 1) 한류효과

한류형 퓨즈의 정격전류가 작을수록, 단락전류가 클수록 한류효과가 크게 나타난다. 예를 들어 M형 퓨즈 5A 정격의 경우 40kA단 락전류(실효치)가 흐를 경우 피크전류에 대해서 99%의 한류 효과가 있으며, 400A 정격의 경우 10kA이하의 전류에 대하여는 한류효과가 없음을 알 수 있다. 옆의 한류형 특성곡선에서 단락전류를 8kA로 가정할 때 5A 퓨즈의 경우 전류 최대치가 약 1.1kAp (㉮)로 전류를 제한하며, 20A의 퓨즈를 사용 한 경우 약 2.2kAp(㉯)로 전류를 제한함을 알 수 있다. ㉯ 점의 2.2kAp는 전류피크치를 나타내며, 이 전류를 실효치로 환산시 0.8kA 수준임을 알 수 있다. 단락전류는 회로의 역률 및 단락위상에 따라 실효치의 최대 2.6배의 피크전류가 발생할 수 있다. 계통의 단락전류가 40kA 인 경우 피크전류가 104kAp가 발생이 가능하나, 120A 퓨즈를 사용할 경우 예상 최대 피크치의 17%수준인 18kAp (㉰)로 한류 특성이 우수함을 알 수 있다.

2) 한류효과와 투입용량 계수 계통의 단락 사고시 아래 그림에서와 같이 0.25Cycle 시점의 비대칭전류 Ia = √((X/√2)^2+Y^2)로 표현되며, 전력계통은 단락순시 파고값에 기인한 전자력(기계적)에 견뎌야 한다. 이것은 차단기의 시험에서 투입용량(Making)을 요구하는 의미와 같은 것으로 저항성분이 전혀 없는 경우 X = Y 가 되어 가능한 최대 파고값 Ip = X + Y = 2*√2*Is = 2.83*Is가 될 수 있다. 고압회로의 경우 저항성분이 매우 적음으로 직류분이 80%로 감쇠되는 것으로 하여 60Hz인 경우 파고값은 Ip = 1.83*√2*Is = 2.6*Is로 하고 있다. 단 , Is = X/√2, X = 교류성분 최대값, Y = 직류성분 여기서 2.6은 60Hz 계통에서의 투입용량계수(Kp)라고 하며 계통의 % 임피던스의 비율(%X / %R )을 알면 미리 계산된 표에서 Kp를 알 수가 있고, 단락 파고값 Ip = Kp*Is 로 계산이 가능하다. 전력계통은 단락전류 파고값에 대한 전자력(기계적)에 견딜 수 있도록 시설을 해야 한다. 한류형 퓨즈의 한류기능이 계통의 안정화에 큰 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 3) 한류차단 특성 비한류형 퓨즈는 전류영점에서 차단하나 한류형 퓨즈는 아크전압을 높여 전류를 한류하는 이유로 전압영점에서 차단이 완료된다고 할 수 있다. 따라서 비한류형에 비교하여 한류형은 과도전압이 크게 발생 할 수 있다. 그러나, 퓨즈는 한류차단시 발생하는 과도전압이 사용전압의 3배 이하로 제한됨으로 서지어레스터(SA)를 사용할 필요가 없다. 다음은 정격차단과 한류차단에 따른 과도전압 발생을 비교하여 본다. 아래 그림에서 소전류차단은 과도전압이 전혀 발생하지 않음을 알 수 있다. ① 정격차단 Arc시간 중에는 대전류로 인하여 막대한 에너지가 퓨즈에 흡입되며, 초기 Arc발생 수 μs 동안은 퓨즈의 온도가 상대적으로 낮은 상태로서 에너지 흡입효과에 의한 전압상승이 매우 급상승하여 전원전압을 초과할 수가 있다. 그러나 Arc의 도전 현상으로 이러한 큰 전압의 상승은 발생하지 않는다. 또한 과도전압 상승은 전류 재단에 따른 순간적인 전원 전압의 Step에 의한 것이다. 퓨즈는 Arc발생 에너지를 흡수함으로 역률은 회로 고유정수로 바뀌게 된다. 따라서 전류가 Zero가 되는 시점에서는 전압이 Zero에 가까운 상태가 되어 Arc전압이 소멸되어 감으로 과도전압은 발생되지 않는다고 할 수 있다. 즉, Arc전압은 회로의 TRV 조건에 따라 수 ms 동안 이외에는 고려해야 할 만큼 영향을 받지 않는다. ② 한류차단 한류차단의 경우 역률의 변화가 적어 전류 재단시점에서 전압 Step이 상대적으로 크다. 전류 재단 수 밀리 초 동안은 고온의 Arc는 통전가능 상태이며 열 발산에 의하여 도전율은 과도전압의 시정수에 비교하여 서서히 감소한다. 즉, 퓨즈에서 Arc 도전율은 과도전압을 감소시키는 역할을 하며 감소량은 회로의 고유정수에 관련된다. 즉, √L/C = 2ㅠf0L. 그 결과로 과도 고주파는 전원주파수 대비 큰 감쇠를 나타내고 저주파 회복전압이 용단된 퓨즈에 더 큰 영향을 주며, 이 전압에 의한 Restrike는 차단 실패가 될 수 있음으로 기타의 Stress, 시험조건 등과 함께 이를 고려해야 한다. 실제 회복전압의 순시치는 차단전류에 따라 변동하며, 피크 순시치는 한류차단에서 발생되고 전원주파수에 가장 크게 나타난다. 4. 최소차단전류와 광역퓨즈 및 후비보호용 퓨즈 1) 최소차단 전류 허용전류보다 크고 용단전류보다 작은 전류가 흐를 때 퓨즈는 차단되지 않고 지속적으로 전류가 흐르는 구간이 있다. 아래 그림의 ⓒ 점에 해당하는 전류의 크기로서 이를 최소차단전류라고 한다. KSC 4612에서는 이 소전류 차단성능을 최소차단전류로 제조업체가 보증하도록 하고 있다. 2) 광역퓨즈 정격전류의 약 2배로부터 정격차단전류까지의 전류를 차단 할 수 있는 퓨즈로서 보호 영역이 넓어 광역퓨즈라 칭한다. 그러나, 2배 전류 이하 과전류에 대한 차단 보증이 불가함으로 다른 보호기기로 보호협조가 필요하다. 3) 후비보호 퓨즈 제조업체 보증치의 최소차단 전류로부터 정격차단전류까지의 전류를 차단 할 수 있는 퓨즈로서 통 상 2~4배의 과전류에 대한 차단은 보증하지 않으므로 예상 되는 과전류 보호는 다른 보호기기로 보호하는 것이 합리적이다. 파워퓨즈의 사용 파워퓨즈의 점검 및 교체 1) 파워퓨즈의 열화 퓨즈의 열화정도나 남은 수명 판정은 엘리먼트의 외관, 조직, 용단시험 등의 파괴시험을 하여 종합적으로 판단하는 도리밖에 없다. 비파괴 검사의 방법으로 퓨즈의 저항을 측정하여 그 초기 값에 대한 변화를 가지고 열화되어 있는 것을 알 수 있는 경우가 있으나, 일부 열화는 전체의 저항에는 거의 나타나지 않는 경우가 있으며 빈번하게 저항을 측정하지 않으면 열화 판정이 어렵다. 따라서, 퓨즈를 선정 할 때 과도전류나 개폐빈도를 기준으로 제조자가 제시하는 보증 수명회수나 특성으로 내용년수를 설정하여 정기적으로 점검 및 교환하는 것이 최선이다. 즉, 과도전류를 억제하거나 과도전류에 대해 여유를 가진 정격의 퓨즈를 사용 또는 고빈도 개폐에 적합한 퓨즈를 사용하고 그 교체 주기를 지키는 것이 안정적인 사용법이다. 한류형 퓨즈는 과전류 보다는 단락보호가 주요 목적인 점을 간과하고 소전류에 대한 보호를 겸할 목적으로 충분치 않은 정격을 사용하는 경우가 많은 것이 현실이나 이는 한류형 퓨즈의 옳은 사용방법이라 할 수 없다. 반복 과전류에 의한 퓨즈의 열화 요인은 다음 두가지로 요약된다.

① 과전류 누적시간에 의한 열화 과전류에 의한 온도상승으로 엘리먼트 재료의 증발 및 결정의 약화에 의한 열화의 가능성도 있다. 이 경우 구리나 주석 재료의 엘리먼트의 산화로 인한 요인이 될 수 있으나, 은(Ag) 엘리먼트의 경우 고온에서 산화은이 은과 산소로 분해하므로 문제가 되지 않는다. ② 반복 과전류에 의한 열화 반복 과전류는 엘리먼트에 변형 , 피로, 소호제와의 마모손상을 일으킨다. 특히 소호제와의 마찰로 변형 및 단면이 감소와 반복응력으로 균열이 발생하여 열화한다. 반복 과전류는 퓨즈 열화의 주요 원인으로서 제품 수명 향상을 위하여 엘리먼트와 소호재에 대한 재료, 구조, 설치 및 충진방식이 연구되고 있다. 2) 퓨즈의 설치 퓨즈를 설치하기 전에 퓨즈의 외관을 잘 관찰하여 깨어짐이 없음을 확인하고 적당한 대지, 상간 거리를 유지하여 설치한다. 힌지 쪽을 부하 쪽으로 하는 것이 표준이며, 훅 조작이 편리하고 드롭-아웃이 가능하고 이 때 안전거리를 유의하여 설치해야 한다. 또한 퓨즈는 전류를 개폐 할 수 없음을 명심해야 한다. 3) 파워퓨즈 점검 및 교체 파워퓨즈의 수명은 사용 상태별로 일정 주기를 설정하여 점검/교체할 것을 추천한다. 교체주기는 사용 환경과 부하에 따라 그 차이가 큼(짧게는 3~4년, 길게는 10년 이상 사용)으로 일정 주기를 추천하는 것은 어렵다. 보통 계통보호용으로 사용할 경우 10년 이상 사용하는 경우가 많으나, 콘덴서나 모터 등 잦은 개폐를 하는 부하 보호용의 경우 퓨즈 엘리먼트의 열화가 상대적으로 빨리 진전됨으로 사용 상태에 따라 일정 교체시기를 설정하여 관리하는 것이 좋다. 또한 과전류나 단락사고 등 발생시 즉시 교체하는 것이 바람직하다. 파워퓨즈의 점검은 다음 조건에 따라 시행한다. ① 일반 조건 : 자주검사 6개월, 정기검사 12개월에 1회 실시한다. ② 습기, 염수, 먼지,부식성 가스 환경에서 사용 : 자주검사는 3개월, 정기검사는 필요에 따라 증감한다. ③ 자주검사는 부하 개폐 횟수가 많은 경우 및 잦은 과전류 발생시 실시한다. ④ 퓨즈의 교체 : 퓨즈 교체는 R, S, T 3개 상을 모두 교체하는 것이 좋다. 만약 1개 또는 2개만을 교체 시 열화 된 퓨즈가 동작하여 결상 사고가 발생할 확률이 높아 전력공급의 신뢰성과 안전성에 영향을 주게 된다.