한국전기안전공사 부설 전기안전연구원 계기과장 / KOLAS평가사 유병렬개요최근 고압 이상 수전설비에는 종래의 차단기보다도 차단성능, 안전성, 신뢰성이 우수하고 콤팩트(compact)한 진공차단기(VCB)가 널리 사용되고 있다. 진공차단기에 있어서 진공밸브의 절연결과 진단은 절연성능에 관계되는 파센의 법칙에 의하여 진공도와 교류절연파괴전압 특성을 함수관계로 하여 누설전류 측정결과에 따라 진공도 상태를 측정할 수 있도록 하고 있다.진공차단기는 1961년 미국에서 최초로 개발된 이래 고진공에서의 높은 절연내력으로 다른 차단기에 비하여 소형, 경량화 할 수 있고 접점간격을 짧게 할 수 있어 아크(arc)가 작고 가스(gas)의 외부방출이 없어 조작 음이 적으며 화재나 폭발, 그리고 위험성이 적고 접점소모가 적다. 진공차단기 시험기는 정기적 수명이 길어 보수점검이 필요치 않아 신뢰성과 안전성 등의 장점이 있으며, 또한 외기와 차폐되어 있고 차단 시 주위환경에 영향을 받지 않는 특징이 있어 진공차단기를 점점 많이 사용하고 있다. 따라서 이번 호에서는 차단기에 대한 대략적인 내용과 진공차단기 시험기에 대해서 기술하고자 한다.차단기(Circuit Breaker)차단기는 회로의 사고 시에 고장전류를 개방하는 능력을 주목적으로 하며 회로를 선택하여 개폐하는 것이므로 동작 횟수 등이 한정된다. 즉 차단기는 보통의 부하전류를 개폐함과 동시에 이상 상태 발생 시에 신속히 회로를 차단하고, 회로에 접속된 전기기기, 전선류를 보호하고 안전하게 유지하는 것이다. 차단기는 구조 또는 소호방식에 따라 여러 가지 형태로 분류할 수가 있다.1. 용어의 정의트립프리 (Trip Free)최소한 접촉자의 접촉 또는 접촉자 사이의 아크에 의하여 주회로가 통전상태로 되었을 때, 또는 투입지령 중이라도 트립 장치의 동작에 의하여 차단기를 트립할 수 있으며, 또한 트립 완료 후라도 계속 투입지령에 재차 투입동작을 하지 않고, 일단 투입지령을 해제한 후 다시 투입 지령 시 투입동작을 행하는 것이다.동작책무 (Duty Cycle, Operation Duty)전력계통에 어떤 고장이 발생 하였을 때, 신속히 자동차단하는 책무를 가지는 중요한 설비로서 차단기의 동작기능의 보증이 필요하다. 차단기의 동작책무란 1~2회 이상의 투입, 차단 또는 투입차단을 일정한 시간간격으로 행해지는 일련의 동작을 말하고, 이것을 기준으로 하여 그 차단기의 차단성능, 투입성능 등을 정한 동작책무를 표준 동작 책무라 한다. KSC, JEC, ESB 등에 의한 차단기의 표준 동작책무는 <표 1>과 같다.여기에서 기호 A, B는 고속도용이 아닌 재투입 시 사용되며 A가 가장 널리 사용되고 B는 이보다 재투입시간이 짧은 것에 보통 사용된다. ESB는 IEC에 준하여, 2종으로 구분하고 있다. 여기서 C는 투입동작, O는 차단동작, Co는 투입동작에 이어서 즉시 차단동작을 하는 것을 뜻한다.개극시간폐로의 상태에 있는 차단기의 트립 제어장치가 여자된 순간부터 아크 접촉자(아크 접촉자가 없는 경우 주 접촉자)가 개리(開離)할 때까지의 시간을 말하고, 정격 개극시간이란 무부하시에 정격 트립전압 및 정격 조작압력에서 트립하는 경우의 개극시간의 한도를 말한다.아크 시간(Arc Time)아크 접촉자의 개리 순간부터 모든 극의 주전류가 차단되는 순간까지의 시간을 말한다. 특히 어떤 극에 관한 경우 그 극의 아크 접촉자의 개리의 순간부터 그 극의 주 전류가 차단되는 순간까지의 시간을 말한다.차단시간( Breaking Time)개극시간과 아크 시간의 합을 차단시간이라 하고, 정격 차단시간이란 정격 차단전류를 모든 정격( 정격전압, 정격주파수)및 규정화 된 회로조건에서 규정 된 표준 동작 책무 및 동작 상태에 따라서 차단 할 경우 차단시간의 한도를 말한다. 정격 차단시간은 정격주파수를 기준으로 하여 사이클(cycle) 수로 나타낸다.투입시간개로 상태에 있는 차단기의 투입 제어장치가 여자 된 순간부터 아크 접촉자가 접촉할 때까지의 시간을 말하며, 정격 조작전압, 조작압력 및 제어전압과 변동 범위 내에서 무부하시의 투입시간은 정격 전압에 따라 정해진다.재기전압차단기의 차단 직후에 그 극의 양단자간에 또는 그 극의 각 차단점의 접촉자간에 나타나는 과도전압을 말한다. 재기전압에는 단일주파 과도성분 뿐인 것과 다중주파의 과도성분을 가진 것이 있다.정격전류정격전압 및 정격주파수, 규정된 온도 상승한도를 초과하지 않는 상태에서 연속적으로 통할 수 있는 전류의 한도를 말한다. KS와 ESB에서 규정한 규격별 정격전류는 <표 2>와 같다.정격전압정격전압이란 규정된 조건에 따라 그 차단기에 부가될 수 있는 사용 회로전압의 상한을 말하며, 전력계통의 공칭전압에 따라 정해진다. 공칭전압 154 kV의 정격전압은 170 kV이고, 345 kV는 362 kV이다.차단용량차단용량이라 함은 차단기의 차단전류와 사용전압과의 곱에 비례하고 각각의 조건에 의해서 차단용량의 값은 변화한다. 즉 교류차단기의 정격 차단용량이라 함은 모든 규정의 조건 즉 정격전압, 주파수, 역률, 표준 동작책무 등의 조건에서 차단이 되는 최대전류 I kA와 정격전압 E kV와의 곱에 √3을 곱한 것이다.3상 정격차단용량(P)=√3EI [MVA] 식 (1)2. 차단기의 기능과 목적부하전류는 물론 고장전류를 안전하고 신속하게 차단하여 고장 구간의 분리를 통해 사고파급 범위의 제한으로 공급 신뢰도 향상하고, 고속도 재폐로 시행으로 안정도를 향상시켜 송전용량의 증가를 도모하는 데 있다.3. 차단기의 종류저압 전기설비에는 배선용차단기(MCCB), 기중단기(ACB)등이 사용되고, 변전소 및 자가용 고압 및 특고압 전기설비에 종래에는 유입차단기(OCB)가 많이 사용 되었으나, 근래에는 성능면, 보수면에서 우수하고 화재의 위험성이 없으며, 최근 전기설비의 소형화 추세에 따라 차단성능 면에서 우수한 차단기들이 개발되어 점점 VCB, GCB 등으로 바꾸어 가고 있는 추세다. ABB, GCB는 특고압 및 대전류 차단용량을 필요로 하는 대규모 전기설비에 사용되고 있다.유입 차단기(OCB : Oil Circuit Breaker) : 탱크형, 애자형, 소유량형
절연유 중에 소호실을 가진 것으로 소전류 영역에서는 피스톤에 의해 유류를 품어서 소호시키고, 대전류 영역에서는 발생한 아크에 의해 기름이 분해되어 소호실 내에 높은 압력을 만들고 아크에 강력한 가스를 뿜어서 소호 시킨다. 유입차단기는 다른 종류의 차단기에 비해 차단성능, 보수면에서 불리한 점이 많으나 가격이 저렴하고 넓은 전압범위에서 적용할 수 있다는 장점이 있어 소, 중 용량 차단기로서 널리 사용되고 있으나, 기름을 사용하므로 화재의 위험과 무거운 것이 단점이다.특히 극소유량(‘T’ Type Minimum Oil Circuit Breaker : T.C.B)차단기는 대지절연을 애자에 의하고 있고 소호기구를 계량하여 유량도 적고, 소형화 시켜 보수점검을 양호하게 하고 있으나 최근에는 거의 사용하지 않고 있다.공기 차단기(ABB; Air Blast Circuit Breaker) : 상시 충기식, 순시 충기식공기차단기는 개방할 때 접촉자가 떨어지면서 발생하는 아크를 강력한 압축공기(10 ~ 30kg/㎠. g)로 불러 소호하는 구조로 되어 있다. 유입차단기처럼 전류의 크기에 의해 소호능력이 변하지 않고 일정한 소호능력을 갖추고 있다. 또한 유입차단기에 비해 화재의 위험성이 적고 차단능력이 뛰어나며 유지보수도 용이하나, 별도의 압축공기를 위한 콤프레셔 등의 부대설비가 필요하며 대용량의 차단기로서 널리 쓰이는 외에 전기로 등 개폐빈도가 심한 장소에 많이 사용 된다.
기중차단기(ACB; Air Circuit Breaker)기중차단기는 자연공기 내에서 개방할 때 접촉자가 떨어지면서 자연소호에 의한 소호방식을 갖는 차단기로 교류저압이나 직류차단기로 많이 사용된다. 직류용 차단기로 사용될 경우 단락전류를 차단할 때 개폐시간이 극히 짧고, 한류작용을 나타내 고속도 차단기라고도 한다. 배선용 차단기는 기구를 몰드 된 절연함 속에 넣어 소형화한 것인데 노퓨즈 차단기 또는 MCCB라고도 한다.자기 차단기(MCB; Magnetic Circuit Breaker) 자기차단기는 아크와 직각으로 자계를 주어 소호실 안에 아크를 밀어 넣고, 아크전압을 증대시키며, 또한 냉각하여 소호작용을 하도록 하는 것이다. 특히 소전류에 대해서는 아크에 의한 자계가 약하여 소호능력이 저하하므로, 차단 기구에 연결한 부스터에 압축공기를 만들어 이것을 뿜어서 소호를 하도록 되어있다. 3.3 ~ 6.6 kV까지의 낮은 전압회로에 많이 사용되고 있다. 화재의 염려가 없고 절연유를 사용하지 않기 때문에 열화 할 것이 없어 보수가 간단하지만 소호 능력 면에서 고전압에서 적당하지 않다.가스차단기(GCB; Gas Circuit Breaker) : 탱크형, 애자형가스차단기는 공기대신에 절연내력과 소호능력이 뛰어난 불활성 가스인 SF6의 압축가스를 사용한 것이다. 가스차단기는 차단할 때 12 ~ 15 kg/㎠의 높은 가스통에서 약 2 kg/㎠의 낮은 가스계통으로 SF6가스를 뿜어서 소호하는 밀폐 사이클의 2중 가스압식과 단일 가스압식의 2종류가 있다. 보수점검 횟수가 적고 차단성이 좋을 뿐만 아니라, 소음이 작다. 가격이 고가이며 설치면적이 커 대부분 초고압 계통 차단기로 많이 사용된다. 진공차단기(VCB; Vacuum Circuit Breaker)진공에서의 높은 절연내력과 아크 생성물을 진공 중으로 급속한 확산을 이용하여 소호하는 구조이다. 매우 높은 절연내력을 가지고 있고, 차단기의 형태가 적어진다. 접촉자가 외기로부터 격리되어 있어, Arc에 의한 화재의 염려가 없어 최근에는 방재겸용으로 급격히 많이 사용하고 있다. 소형 경량이고 구조가 간단하며 보수 등이 용이한 장점을 가지고 있으나 동작시 높은 서지전압을 발생시키는 결점이 있다.
진공차단기 시험기 (VCB Tester) 진공차단기 시험기는 안타깝게도 국내 생산품이 현재까지 없다. 따라서 국내에서 가장 많이 보유하고 있는 외국산을 임으로 선정하여 사용법을 자세하게 기술해 본다.1. 제원입력전원은 교류전압 100/110V, 주파수 60Hz, 단상에서 이용된다.출력은 전압 30/60kV, 전류 8.33mA, 용량 500VA(30분 정격)이며, 지시계로는 출력전압계(F.S 30/60kV, 1.5급 정류자형), 누설전류계(F.S 10mA, 1.5급 정류자형), 용량(500VA, 30분 정격)으로 구성되어 있다.측정시간은 1초에서 99분 59초까지 가능하며, 크기는 264(D)×284(W)× 420(H) mm, 무게 약 34kg으로 되어 있다.2. 각 부 명칭 및 기능시험기의 각 부에 대한 명칭과 기능에 있어서 크게 조작부와 고압부로 나누어진다. 조작부(Control Unit)① 전원 콘넥터(POWER SOURCE CONNECTOR) : 전원을 입력하는 콘넥터로 AC 100/110V 입력② 전원 스위치(POWER SOURCE SWITCH) : 전원을 ON-OFF③ 전원 휴즈(FUSE FOR POWER SOURCE) : 보호용 유리휴즈 (5A)④ 시험 ‘OFF’ 버튼 스위치(OFF SWITCH FOR TESTING) : 시험을 종료하고자 할 때 사용⑤ 시험 ‘ON’ 버튼 스위치(ON SWITCH FOR TESTING) : 시험을 시작하고자 할 때 사용⑥ 전압조정기(VOLTAGE REGULATOR) : 출력전압을 조정⑦ 전원 확인램프(LAMP FOR POWER SOURCE) : 전원 공급여부 확인 ⑧ 시험확인 램프(LAMP FOR TESTING) : 피시험기에 시험전원이 인가 시에 램프 점등⑨ 타이머 ‘ON’버튼스위치(ON SWITCH FOR TIMER) : 버튼스위치를 누르면 설정시간까지 동작⑩ 타이머(TIMER) : 인가시간을 수동으로 설정( 00min 00sec ~ 99min 59sec⑪ 양호판정 램프(LAMP FOR GOOD) : 시험완료 후 진공밸브의 진공도가 양호할 때 점등⑫ 불량 판정램프(LAMP FOR DEFECT) : 시험 중 진공밸브의 진공도가 불량할 때 점등⑬ 고압(트랜스)부 입력 콘넥터(CONNECTOR FOR TRANSFORMER INPUT) : 고압(트랜스)부의 입력 콘넥터와 접속⑭ 2차 전류계(mA) : 고압(트랜스)부의 출력전류 표시⑮ 2차 전압계(kV) : 고압(트랜스)부의 출력전압 표시, 과전류 조정노브 (OCR ADJUST), 각 시험전압에서의 판정치를 설정고압부(TRANSFORMER UNIT)① 고압(트랜스)부 입력콘넥터(CONNECTOR FOR TRANSFORMER INPUT) : 조작부의 트랜스 입력콘넥터와 접속② 접지단자(EARTH TERMINAL) : 출력 60kV의 경우는 접지, 30kV 출력의 경우는 접지 및 차단기 측에 접속③ 출력단자 (U), (HV OUTPUT TERMINAL) : 출력 60kV/30kV 하단 측에 접속④ 가드단자(SAFETY GUARD TERMINAL - U) : 출력단자 (U) 인가케이블의 가드단자⑤ 가드단자(SAFETY GUARD TERMINAL - V) : 출력단자 (V) 인가케이블의 가드 단자⑥ 출력단자 (V), (HV OUTPUT TERMINAL) : 출력 60kV의 경우에만 차단기 측에 연결
3. 조작준비① 진공차단기(VCB)를 타 회로로 부터 분리 한다 VCB 개방(OPEN), 충전여부 확인② 진공차단기(VCB)의 입출력 애자를 깨끗이 청소한다. 절연저항 측정(DC 1000V에서 100M?이상) 확인③ 시험기의 조작부와 고압부를 충분히 이격 한다④ 시험기의 고압부 E단자를 접지한다.⑤ 시험기의 조작부를 초기상태로 한다. 전원(OFF), 출력전압계(0V), 전압조정기(0V), 출력전류계(0A) 확인⑥ 시험기의 고압부 출력단자를 VCB 주회로 동상단자에 접속 방법 : 30kV/60kV출력 - ‘U’ ‘V’ ‘G’단자 이용 <그림8> 참조 30kV 출력 - ‘U’ ‘V’ ‘G’단자 이용 <그림9 참조> ※ 주) ‘V’와 ‘E’출력단자는 과전류 보호장치 및 전류계가 없으므로 사용이 불가능4. 조작 순서① 조작준비 완료② 전원코드 접속③ 타이머 설정(본 장비의 설정시간은 10 초)④ 전원 S/W ON(Power lamp 점등 확인)⑤ 시험 ‘ON’ 버튼 S/W를 누른다.(TEST Lamp 점등 확인)⑥ 과전류 조정노브로 전류 설정(도표 1참조, 출력 전류계 지침확인)⑦ 전압조정기를 서서히 돌려 시험전압까지 상승⑧ 타이머 ‘ON’ 버튼 S/W를 누른다⑨ 누설전류계 판독⑩ 설정시간 경과 후 (10초 후) 양부판정 표시를 확인⑪ 시험완료5. 양부판정 기준 VCB 및 VS의 양부 판정기준은 <표 3>과 같다.6. 동작시간 설정0초에서부터 99분 59초에서만 설정이 가능하며, 설정치를 0분 0초로 하면 순간적 제어 출력시험에 사용된다.설정치 변경 중 2개의 숫자가 보일 수 있도록 중간에서 누름 상태가 계속되면 요구하는 동작시간이 불확실하게 된다. 그림 10은 동작시간 설정에 대해 나타낸 것이다.(a)는 일반상태에서의 동작 사항을 나타낸 것이고,(b)는 순시출력인 상태를 나타낸 것이다. 특히 설정치 변경 중 3개의 숫자가 0에 설정되어 있고 나머지 1개의 숫자가 중간에 설정되어 있으면 순간적으로 출력이 나올 수 있으므로 주의한다.7. 진공도 측정내전압 진공밸브의 절연파괴전압과 극간 내압의 관계는 다음과 같다.내전압 시험으로부터 진공밸브가 대기압 상태일 때 AC 21 ~ 23KV 정도에서 방전하므로 AC 25KV를 인가하여 고진공이 유지되는지 확인할 수 있다. 진공도가 불량인 경우 방전지연이 거의 없으므로 전압인가 시간은 10초가량이면 충분하다. 진공차단기는 개로상태(Open)에서 진공밸브의 극간에 저압을 인가하여 측정을 한다.8. 취급상 주의사항가. 시험 중 접지는 반드시 해야 한다.나. 고압부의 출력단자와 리드선의 터미널 접속은 견고히 한다.다. 전압조정기를 올린다음 ‘TEST S/W’를 ‘ON’하면 기기에 무리가 올 수 있으므로 항상 조작순서에 의해 조작한다.라. 시험 중에는 고압부에서 고전압이 발생하므로 VCB와 고압부의 접근을 피한다.마. 시험 전에는 VCB의 충전여부를 확인 후 조작 준비를 한다.맺음말차단기의 종류 중 진공차단기는 초기에 정격전압 3kV급에서 6kV급으로 소용량 축소형으로 사용되었으나 최근에는 점점 개발되어 정격전압 30kV급, 정격전류 400A에서 3,000A까지 가능하게 되었다. 차단용량에서도 100MVA에서 1,000MVA, 정격 차단시간 5Hz에서 8Hz에 이르며, 개폐수명은 정격전류 이하에서 10,000회나 된다.22.9kV에서는 보통 25.8kV, 600A, 520MVA, 5Hz를 많이 사용하고 있다. 특히 주의할 사항은 차단용량을 고장전류 계산 후 산정해야 하나 일반적으로 520MVA를 사용하는 경우는 비경제적이므로 전기엔지니어들의 주의깊은 적용이 요구된다.차단기의 설치와 관리는 매우 중요하며, 진공차단기 사용에 있어서도 변압기와의 조합을 기술적으로 검토하여 최적의 설계가 이루어질 수 있도록 하여야 하며, 이를 통한 청정에너지 관리에 만전을 기해야 된다. 첺
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