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전기기사 전력공학 · 차단보호방식

Circuit Breaker Protection

차단기는 단락 · 지락 고장 전류를 수십 ms 안에 끊어 기기를 지키는 장치이고, 차단 보호 방식은 차단기의 용량 · 소호 방식 · 동작 책무를 정하는 일이다. 단락 직후 전류에는 직류 성분이 겹쳐 첫 최댓값이 커지고, 차단 용량은 √3 × 정격 전압 × 정격 차단 전류로 구해 단락 용량보다 크게 고른다. 단로기는 전류를 끊지 못하므로, 차단기와의 조작 순서를 지키는 인터록이 꼭 필요해요. 직류 성분 슬라이더를 움직이면 비대칭 단락 전류 파형과 최대 피크가 바뀌고, 아래 그림은 차단기 종류별로 전류 영점에서 아크를 끄는 방식을 견줘요.

차단기가 하는 일

⚔️ 차단기는 고장 전류를 끊는 최전선
①고장이 나면 정격의 수십 배나 되는 단락 전류가 흘러 기기가 손상될 수 있다
②차단기는 이 전류를 수십 ms 안에 기계적으로 끊는다
③전류가 흐르는 채로 접점을 열면 아크가 생기므로 이를 꺼야(소호) 한다
④소호 원리를 알면 차단기의 종류와 특성이 함께 이해돼요

비대칭 단락 전류

50%
차단용량
Ps = √3 · Vn · Is [MVA]
Vn 은 정격 전압, Is 는 정격 차단 전류다. 차단 용량은 단락 용량보다 크거나 같아야 한다.
단락 전류(%Z 법)
Is = 100%Z × In [A]
In 은 정격 전류, %Z 는 전원에서 고장점까지의 합성 %임피던스예요.

소호 원리와 차단기 종류

🔥 소호의 핵심: 전류 영점
①교류 전류는 반주기마다 저절로 0 A 를 지난다
②이 영점에서 아크가 다시 붙지 않으면 소호에 성공한다
③그래서 차단기는 절연 회복 속도가 회복 전압의 상승 속도보다 빠르도록 설계해요

단로기 인터록과 차단기 책무

🔒 단로기(DS)는 무부하 개폐만 가능
①단로기는 전류가 흐르지 않을 때만 열고 닫을 수 있어, 부하 전류나 고장 전류를 끊지 못한다
②부하를 뗄 때는 CB 를 먼저 끄고 DS 를 끈다
③부하를 이을 때는 DS 를 먼저 넣고 CB 를 넣는다
④순서를 어기면 단로기에서 아크가 생겨 단로기가 타거나 사람이 다칠 수 있어요
차단기 표준 동작 책무
O − t − CO − t′ − CO
C 는 투입, O 는 차단이다. 고속 재폐로용은 O − 0.3 s − CO − 3 min − CO 처럼 첫 휴지 시간 t 를 짧게 둔다.
차단기 종류별 쓰임
GCB(SF₆): 154 kV 이상 초고압 / VCB(진공): 22.9 kV 배전
유입 차단기(OCB)는 화재 위험이 있는 옛 방식이라 새 설비에는 거의 쓰지 않는다.

시험 총정리

차단용량
Ps = √3·Vn·Is
차단용량 ≥ 단락용량
소호 조건
절연 회복 > 회복 전압
전류 영점 활용
단로기 인터록
분리: CB → DS / 투입: DS → CB
무부하 개폐만 가능
GCB vs VCB
GCB: 154kV↑ / VCB: 22.9kV↓
SF₆ 소호 능력은 공기의 약 100 배
🎯 시험 포인트
①차단 용량 = √3 × 정격 전압 × 정격 차단 전류 [MVA] 이고, 단락 용량보다 크거나 같아야 한다
②단로기 인터록: 분리할 때는 CB → DS, 투입할 때는 DS → CB 순서다
③소호 원리: 전류 영점에서 절연 회복 속도가 회복 전압 상승 속도보다 빨라야 한다
④GCB(SF₆)는 초고압 · 대용량에 쓰며, 정격 차단 시간은 트립 코일이 여자된 때부터 아크가 꺼질 때까지다
⑤고속 재폐로 책무 O − 0.3 s − CO − 3 min − CO 의 수치를 기억해 둬요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 정격 전압 154 kV, 정격 차단 전류 20 kA 인 차단기의 차단 용량[MVA]은? (답: √3 × 154 × 20 ≒ 5,335 MVA)
②[기출유형] 단로기 인터록 조작 순서를 부하 분리 · 부하 연결로 나눠 쓰시오. (답: 분리는 CB Off → DS Off, 연결은 DS On → CB On)
③[기출유형] SF₆ 가스 차단기의 장점 세 가지를 쓰시오. (답: 소호 능력이 뛰어남(공기의 약 100 배), 불활성 · 무독성 가스, 작고 가벼움)
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