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전기기사 전력공학 · 차단기

Circuit Breaker

차단기는 고장이 나면 수십 kA 의 단락 전류에서 생기는 아크를 끄고 회로를 떼어 내는 보호 장치다. 아크를 끄는 매질(절연유 · SF₆ 가스 · 진공 · 압축 공기)에 따라 OCB · GCB · VCB · ABB 로 나뉘고, 전류 영점 뒤 절연 회복 속도가 회복 전압 상승 속도보다 빨라야 소호에 성공한다. 차단 용량은 √3 × 정격 전압 × 정격 차단 전류로 구하고, 표준 책무는 O − 0.3 s − CO − 3 min − CO 예요. 종류 버튼으로 네 가지 차단기의 소호 원리를 견주고, 회복 전압 슬라이더를 움직이면 아래 그림의 소호 성공 · 실패가 바뀌어요.

차단기: 고장 전류를 끊는 최전선

⚔️ 사고 전류는 차단기만 끊을 수 있다
①평소에는 부하 전류를 흘리며 보호 계전기의 트립 신호를 기다린다
②고장이 나면 수십 ms 안에 수십 kA 의 단락 전류를 끊는다
③핵심 과제는 접점이 열릴 때 생기는 아크를 끄는(소호) 일이다
④소호 방식에 따라 차단기 종류가 정해져요

차단기 종류와 소호 원리

🔥 소호 성공 조건
①교류 전류는 반주기마다 저절로 0 A 를 지난다
②영점 직후 절연 회복 속도가 회복 전압 상승 속도보다 빠르면 소호에 성공한다
③SF₆ 는 전기 음성도가 커서 자유 전자를 붙잡아 절연이 빨리 회복된다
④진공은 아크 에너지가 작아 영점에서 곧바로 꺼져요

차단 과정: 전류가 사라진 뒤 회복 전압이 나타난다

60%
소호 성공 조건
dVrecovery/dt < dVinsulation/dt
절연 회복 기울기 > 회복 전압 상승 기울기
차단기 차단 용량
Ps = √3 · Vn · Is [MVA]
Vn 은 정격 전압[kV], Is 는 정격 차단 전류[kA]다.

표준 책무와 종류별 적용 전압

표준 책무
O − 0.3s − CO − 3min − CO
O 는 차단(Open), C 는 투입(Close)이다.
종류별 적용 전압
VCB: ≤22.9kV / GCB: ≥154kV
OCB 는 화재 위험이 있는 옛 방식, ABB 는 초기 대용량 변전소에 썼다.
%임피던스로 차단 전류 계산
Is = In × (100 / %Z) [A]
In 은 변압기 정격 전류, %Z 는 변압기 %임피던스예요.
⚡ GCB 주의 사항
①SF₆ 는 온실가스(GWP 23,500)라 새지 않게 관리하는 일이 무엇보다 중요하다
②밀폐 구조라 가스가 새면 압력이 떨어져 차단하지 못할 수 있다
③SF₆ 농도 감지기를 달고, 가스 밀도를 정기적으로 점검해요

시험 포인트

차단 용량
Ps = √3·Vn·Is [MVA]
%Z 법: Is = (100/%Z) × In
표준 책무
O−0.3s−CO−3min−CO
수치를 그대로 기억
VCB 특징
진공(10⁻⁴ Pa), 22.9 kV 이하 배전
작고 가벼우며 보수가 쉬움
GCB 특징
SF₆ 가스, 154 kV 이상 송전 변전소
소호 능력이 공기의 약 100 배
🎯 시험 포인트
①차단 용량 = √3 × 정격 전압 × 정격 차단 전류 [MVA]
②표준 책무는 O − 0.3 s − CO − 3 min − CO 다
③VCB(진공)는 22.9 kV 이하 배전의 표준, GCB(SF₆)는 154 kV 이상에 쓴다
④소호 원리: 전류 영점에서 절연 회복 속도가 회복 전압 상승 속도보다 빨라야 한다
⑤정격 차단 시간은 트립 코일(TC)이 여자된 때부터 아크가 꺼질 때까지예요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 정격 전압 25.8 kV, 정격 차단 전류 25 kA 인 차단기의 차단 용량[MVA]은? (답: Ps = √3 × 25.8 × 25 ≒ 1,117 MVA)
②[기출유형] SF₆ 가스 차단기(GCB) 소호 매체의 특성 세 가지를 쓰시오. (답: 소호 능력이 공기의 약 100 배, 무독성 · 불활성, 전기 음성 기체)
③[기출유형] 차단기 표준 책무를 쓰시오. (답: O − 0.3 s − CO − 3 min − CO, C 는 투입, O 는 차단)
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