[전기,전자] 차단기의 구성 및 동작원리

차단기의 구성 및 동작원리

안녕하세요. 태양광 윤대리입니다.

오늘은 차단기 구성 및 동작원리에 대해서 설명해드리고자 합니다.

그리고, 조만간 제가 전기공부를 하면서 도움이 많이 되었던 유튜브, 블로그를 소개하는 글을 써보려합니다ㅎㅎ

 

 

목차

1.배선용 차단기의 정의 & 역할

2.배선용 차단기 용량 단위

3.배선용 차단기 동작원리

4.배선용차단기 명판 설명

 

5.누전차단기의 정의 & 역할

6. 누전차단기의 동작원리

7.누전차단기 명판 설명

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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1.배선용 차단기(MCCB, Molded Case Circuit-Breaker) 역할

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단락 등의 이상 전류(≒사고 전류)를 감지하여 선로와 기기 손상으로 확대되기 전에 선로를 차단시키는 장치입니다.

*from.젠지노창고) 퓨즈를 사용하지 않기 때문에 NFB(No Fuse Breaker)로 부르기도 합니다.

여기서 '이상 전류'에는 어떤 것들이 있을까요?

 

▷과부하 (Overload)

인위적 또는 설비이상으로 인하여 '정격용량' 이상으로 설비가 가동될 경우를 의미합니다.

이럴 경우, 전선에 부담되는 전류의 최대치, '정격용량' 또한 초과하게 되고, 설비와 전선에 열화에 의한 소손을 야기합니다.

소손이 발생하여 단선이 되면 계통과 차단되어 작동이 멈추기에 큰 사고로 확대되진 않겠지만,

그대로 열화가 지속되어 화재로 이어질 수 있습니다. 

 

▷단락 (합선, Short-circuit)

계통 공급선 두가닥(핫라인과 뉴트럴)이 서로 접하게 되면서, 순간 부하가 없는 상태가 되어 높은 전류를 발생시킵니다.

이를 '단락전류'라고 합니다.

단락의 원인으로는 전선 외부 소손, 조류의 날개짓에 의한 상충돌, 작업 실수가 대표적 입니다.

실제로, 태양광 발전소에서도 까마귀가 COS 부근에서 날개짓을 하면서 합선사고가 더러 발생합니다.

그땐, 저압 캐치홀더와 MCCB가 같이 떨어지거나, 캐치홀더만 용단됩니다.

 

 

 

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2. 배선용 차단기 동작원리 (feat. 바이메탈)

LS electric 메뉴얼

MCCB에는 바이메탈이라는 금속이 포함되어 있습니다.

바이메탈이란? 특성이 두 가지 금속을 접합시킨 접합체입니다.

열을 가하면 열 특성이 적은 금속 방향으로 휘도록 만들어져 있는데요.

바이메탈에 일정 수준의 전류가 흐르게 되면 열이 발생하게되고, 열 특성이 적은 쪽으로 휘게 됩니다.

휨과 동시에 트립 바가 회전하면서 트립이 발생하는 원리입니다.

 

 

 

 

 

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3. 배선용 차단기 용량 단위

1) AT(Ampere Trip, 정격전류, 차단기 트립 용량)

이상 전류가 발생했을 때 정상적으로 차단시킬 수 있는 전류를 의미합니다.

반대로, 정격 상태에서 안전하게 통전시킬 수 있는 최대 용량의 전류를 의미합니다.

실제로, 차단기 용량을 물을 때는 'AT'를 의미하는 것입니다.

차로 비유했을 때, 8인승 카니발에서 정격용량은 '8명'이 되는 것 입니다.

 

2) AF(Ampere Frame, 최대정격전류, 차단기 프레임 용량)

과전류 발생 시, 차단기 외부 케이스가 파손되지 않고 견딜 수 있는 전류를 의미합니다.

또한, 차단기의 크기를 분류하는 단위가 됩니다.

ex) 125AF/125AT, 125AF/75AT는 차단기 외형 부피는 같고, 차단 전류(AT) 값만 다른 것 입니다.

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3) Icu 단락차단용량

: 단락전류를 견딜 수 있는 최대치를 의미합니다.

단락이 되면 순간적으로 엄청난 전류가 흐르게 되는데, 이때 최대로 커버할 수 있는 전류를 뜻합니다.

└궁금증해결) 허용전류, 정격전류, 최대정격전류 차이는?

[전기,전자] 정격전류 차단전류 허용전류에 대해서

 

 

 

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4.배선용 차단기 명판 설명(AT,AF 포함)

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출처 : LS 메뉴얼

 

1) AF(Ampere Frame) : 차단기의 외형 크기를 의미합니다.

명판에서 100AF라고 표시되어 있다고 가정한다면, 해당 차단기 본체는 100A까지 정상 통전가능하다는 것을 의미합니다.

일반적으로 AF가 AT보다 크거나 같습니다. (AF ≥  AT)

 

2) AT(Ampere Trip) : 차단기가 트립되는 전류를 의미합니다.

흔히 차단기 용량을 말할 때 이 AT 값을 말하는 것입니다.

AT가 100A일 경우, 해당 차단기는 100A 이상일 때 트립이 된다는 의미입니다.

그전까지는 정상적으로 통전이 가능하다는 의미가 됩니다.

 

3) P(pole) : 차단기 입력단자수

3P라고 표시되어 있으면 입출력 전원 단자가 3개라는 의미입니다.

 

4) Ue : 정격 사용전압

위 차단기는 Ue : 1000V으로, 정격전압 1000V까지 허용할 수 있다고 하네요.

 

5) Icu (Ultimate Short-circuit Breaking Capacity) : 극한 단락 차단용량

: 차단기에서 단락전류가 흐를 때 차단할 수 있는 용량입니다.

이는 회로가 고장 났을 때 발생하는 용량보다 큰 값으로 설정하여 회로를 보호합니다.

ex) 임의의 차단기의 Icu 스펙이 800V / 8kA 일 경우에는800V에서 8kA까지 견딜 수 있다는 것을 의미합니다.

 

6) Ics(Service Short-circuit Breaking Capacity) : 서비스 단락 차단용량

: Icu측정을 시험한 차단기를 다시 한번 단략전류를 인가하였을 때, 최초 용량의 몇 % 까지 견디는 정도, 수치입니다.

*전기적 내구성을 나타낸다고 볼 수 있습니다.

대부분의 차단기가 Icu=Ics(Icu=100% Ics)로 표기되어 있습니다. Icu=Ics가 가장 좋은 스펙입니다.

 

7) 정격주파수 : 50/60Hz

이 배선용 차단기의 사용 가능 주파수로 50Hz와 60Hz에서 둘 다 사용이 가능하다는 의미입니다.

 

8) Cat (Category) : 단기간 차단기능

단시간 차단 성능 여부를 나타냅니다.

Cat.A : 단시간 차단기능 X

Cat.B : 단시간 차단기능 O

 

9) Ui(Rated Insulation Voltage) : 최대 절연 내력

차단기가 최대로 절연내력을 발휘할 수 있는 전압입니다.

 

10) Uimp(Rated Impulse Withstand Voltage) : 서지 전압

견딜 수 있는 이상전압 최대치입니다.

정격 임펄스 내전압으로 낙뢰 등 뇌 서지에 견디는 전압입니다.

'서지 전압' 이 정식 명칭은 아닙니다. 대개 서지에 견디는 전압을 말할 때 사용하므로,

현장에서는 차단기 '서지전압' 이라고 부릅니다.

 

 

 

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5.누전차단기(ELCB)의 역할 & 동작원리

1) ELCB는 MCCB역할을 그대로 수행합니다.

2) 추가로 누설 발생 시 동작하여 회로를 차단하는 역할을 합니다.

LS electic

 

 

 

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6. 누전차단기의 동작원리

과부하에 의한 트립은 MCCB와 동일합니다.

누전에 검출에 의한 트립 원리에 대해서 설명드리겠습니다.

 

우선 원리를 요약하면, ZCT(영상변류기)를 이용해서 누설발생 시 트립되는 원리입니다.

ELCB내부에는 영상 변류기(ZCT)가 있습니다. ZCT는 링형태로 되어 있으며, 링 안에 (L),(N)전선을 배치합니다.

ZCT가 들어가고 나가는 전류를 검출하여 키르히호프 제 1법칙에 어긋나는 상황을 검출하여 트립 시키는 원리입니다.

누전 발생 시, 전류의 일부가 다른 곳으로 흐르게 되어, 영상 변류기에 들어가고 나가는 전류에 차이가 생기게 됩니다.

그 차이만큼 기전력이 발생하게 되는 것이죠.

기전력이 발생한다는 것은 자기장의 형성을 의미합니다. 따라서 이 자기장에 의해, 트립코일에서 자력이 발생합니다.

발생한 자력으로 트립바를 밀어서 차단기가 작동합니다.

 

Q) 증폭부란?

위 그림을 보면 '증폭부' 를 확인하실 수 있습니다. 증폭부의 역할은 무엇일까요?

실제로 누전에 의한 전류차로 발생하는 기전력, 그리고 그 힘으로 형성한 자기장의 크기는 ELCB를 차단시킬 만큼 강하지 않습니다. 따라서 증폭기를 거쳐 증폭을 시키는 것이죠.

 

​순서를 간단하게 설명하자면,

지락발생 > ZCT에서 차전류 검출 > ZCT 2차 출력전압을 증폭부에서 SCR gate 펄스신호로 증폭 >

> (정격전류감도 이상의 경우) SCR Turn On > 트립코일 여자 > 접점 개방 순입니다.

 

*SCR : 사이리스터 중 역서지 3단 사이리스터를 의미합니다. 가장 많이 사용하는 사이리스터이기도 하죠.

일정 전류값 이상이 흐르면, Turn On되어 전류가 흐르게 하는 회로소자입니다.

 

평소 "차단기가 트립되었다." 라는 말을 많이 사용하는데요. :-)

저도 차단기가 떨어졌을 때 '트립되었다'라고 하지만, 그 어원에 대해서는 잘 모르고 있었습니다.

차단기를 공부하면서 알게되었죠.ㅎㅎ..

 

트립이란, 트립바를 밀면서 작동하기 때문에, '차단기 동작'을 '트립'으로 표현하는 것입니다.

MCCB,ELCB는 공통적으로 과부하를 차단하기 위해 바이메탈을 이용하고,

ELCB만 개별적으로 누전을 차단하기 위해 트립코일을 사용합니다.

MCCB도 결국 구부러진 바이메탈로 "트립바" 를 밀어서 작동하므로 우리는 "트립되었다" 라는 말을 사용하는 것입니다.

 

 

 

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6.누전차단기(ELCB)에 별도로 포함된 단위

위 MCCB 명판과 동일하나, 별도로 누전과 관련된 스펙이 추가되어 있습니다.

'정격전류감도', '정격부동작전류', '동작시간' 에 대해 간단하게 알아보겠습니다.

​

1) 정격감도전류

차단기에 설정된 이상 전류 검출 동작 기준값입니다.

정격감도전류가 30mA일 경우, 누설 전류가 30mA 이상 발생되면 차단기가 트립됩니다.

참고로 욕실이나 습기가 많은 곳에서는 안전을 위해 위에 나와있는 정격감도전류보다 작은 15mA 정도의 고감도 차단기를 많이 사용합니다.

누설되는 전류에 따라 인체가 감전됐을 때 주는 영향이 다르기 때문에 적절한 정격감도전류의 누전차단기를 설치해야 합니다.

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2) 정격부동작전류

차단기에 설정된 이상 전류의 부동작 기준입니다.

정격부동작 전류가 20mA일 경우, 누설전류가 20mA까지는 누전차단기가 트립되지 않습니다.

사실, 정격부동작 전류값이 왜 존재하는지는 정확히 모르겠습니다.

정격감도전류값만 존재하면 되는 게 아닌가 하는 생각이 있습니다. 알아보고 공유드리겠습니다! ㅎㅎ

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3) 동작시간

차단기가 이상 전류를 감지하고 차단 동작을 실행하는데 까지 걸리는 시간입니다.

동작시간이 0.03초일 경우, 차단기가 이상을 감지하면 0.03초 이내로 차단기가 트립되는 것을 의미합니다.

 

 

 

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이상으로 차단기의 종류, 구성, 동작원리에 대해 알아보았습니다.

내일은 태양광 점검현장에 방문했던 글을 작성하려 합니다.

감사합니다.

 

 

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