과전류의 개념과 차단기 종류

과전류의 개념과 과전류 차단기의 종류

 

조진원 (소방안전협회 서울지부 : 소방기술사, 소방시설관리사)

         1. 개요

 

지금까지 인류가 발견한 가장 획기적인 것 중 하나가 전기이다.. 전기의 발견은 기존 열에너지를 활용하던 증기터빈 등의 기관계과 기계계, 기기들이 전기를 사용할 수 있게 되었다.

외부에서 전기를 공급할 수 있게 되면서 모든 기계나 장비가 자체적인 발전동력없이 작동할 수 있게 되었다. 따라서 전기를 사용하는 기계나 장비는 컴퓨터, 세탁기, 텔레비전 등의 크기로 소형화 되어 일상생활에서 널리 사용할 수 있게 되었다.

 

하지만 전기가 우리 일상생활에 널리 사용되는 만큼 전기로 인한 화재발생 가능성은 높아지고 있다. 2010년 3월 서울시 화재통계를 보면 전기적 원인에 의한 화재발생 건수는 부주의에 의한 원인 다음으로 높은 화재 발생빈도를 보이고 있다.

  

또 아래의 통계에서도 알 수 있듯이 전기적 원인에 의한 화재의 대부분은 단락과 과전류에 의한 것이다. 단락시 과전류가 흐르고 열과 불꽃이 발생할 수 있다는 점을 고려한다면, 전기적 원인에 의한 화재의 상단부부은 단락 또는 과부하시의 과전류 때문이다.

  

따라서 전기적 원인에 의한 화재를 예방하기 위해서는 과전류의 개념과 과전류에 의한 화재발생 메카니즘 그리고 과전류를 차단하는 방법 등에 대해서 잘 알 필요가 있다. 본론에서는 전류 및 과전류의 개념에 대해 알아보고 과전류 차단기의 종류에 대해 설명하고자 한다. 과전류 차단기의 종류로는 고압, 특별고압에서 사용하는 전력퓨즈와 전력용 차단기중에서 많이 사용하는 VBC, ACB 그리고 저압에서 사용하는 퓨즈와 배선용 차단기를 선정하였다. 또한 전로를 보호하는 장치를 보통 개폐기, 과전류 차단기, 누전 차단기로 나누고 있기 때문에 과전류 차단기 종류에 누전차단기를 넣지 않았다.

 

2. 본론

 

① 과전류 개념

   - 전류 : 전류는 눈에 보이는 것이 아니기 때문에, 전류라는 용어를 처음 접하는 사람에게는 추상적인 느낌만 주고 무척 어렵게 느껴진다. 하지만, 눈에 보이지 않는 전류의 개념은 우리가 잘 알고 있는 물의 흐름으로 바꾸어 생각하면 쉽게 이해할 수 있다.

그림과 같이 전하를 물의 입자로 바꾸어 생각한다면, 전하의 흐름인 전류를 물 입자의 흐름으로도 이해할 수 있다. 단위 시간당 배관의 한 단면을 지나는 물의 입자량을 유량이라고 말하는 것과 비슷하게, 단위 시간당 도선의 한 단면을 지나는 전하량을 전류의 세기라고 표현한다. 전류의 세기는 A로 표현하며, 1A(암페어)란 1초 동안 도선의 한단면을 6.25×10^18개의 전자가 지날 때 전류의 세기를 말한다.

 

그림과 같이 전류의 흐름을 수도관 속을 흐르는 물과 비유하여 수도관은 도선이라고 할 수 있고, 물 펌프는 전지라고 생각할 수 있다. 그림 (가)에서와 같이 펌프가 없다면 잠시 후 물의 흐름이 멈추듯이 전지가 없을 때에는 전자의 흐름이 곧 멈추어 전류도 계속 흐를 수 없다. 그림 (나)에서와 같이 펌프가 있으면 펌프에 의해서 물의 흐름이 계속되듯이 전지에 의해서 전자가 계속 흘러 전류가 계속 흐를 수 있다.

  

 

② 과전류

 보통의 모든 전기 기기에는 I=V/R [A] , P=VI[W]라는 공식에 따라서 사용할 수 있는 전압과 기기의 저항값 또는 전력값 등이 표시되어 있다. 또한 전선에도 전기를 운반할 수 있는 전기량, 즉 허용전압이나 전류의 양이 적혀 있다.

 

과전류란 전기기기 또는 전선에서 정하고 있는 허용전류 값 이상으로 전류가 흐르는 것을 의미하며, 과전류에는 단락전류, 과부하전류, 과도전류로 나눌 수 있다. 단락전류는 보통 선로가 합선 되었을때, 과부하 전류는 부하의 변동 등에 의해 정격전류보다 큰 전류가 흐를 경우, 과도 전류는 변압기 투입전류 콘덴서 투입 및 개방시, 전동기 기동시 등 매우 짧은 시간에만 존재하고 서서히 감쇄하여 정상값으로 되돌아가는 과전류를 말한다.

  

정상적인 회로 구성일때는 I₂ 회로에 2A의 전류가 흐르지만, I₂회로가 단락되거나 과부하 되면 I₂회로에 2A 이상의 전류가 흐르게 되고 과전류가 흐르게 된다. 따라서 과전류가 흐를 수 있는 I₂회로에는 과전류 차단기를 설치하여 과전류가 흐르 때에는 회로를 차단하도록 하여야 한다.

 

③ 과전류에 의한 발화 메커니즘

 

- 전선에 전류가 흐르면 Joule의 법칙에 의해 열이 발생하게 되는데, 이 때 정격 전류를 초과하는 과전류에 의해서 발열과 방열의 평형이 깨어지면 과열하게 된다.

-  그러면, 과부하에 의한 자체 온도상승이 일어나거나 피가열체를 위험 온도 이상으로 가열하여 화재가 발생한다.

- 비닐절연전선의 경우 정격전류의 200~300%의 과전류에서 피복이 변질, 변형되고 정격전류의 500~600%에서 붉게 열이 난 후 용융하게 된다. 또한 전선이 절연할 수 있는 값보다 큰 전력이 흐르면 절연이 파괴되어 방전, 아크 등에 의해 화재가 발생할 수도 있다.

 

④ 과전류 차단기의 종류

- 전력퓨즈 POWER FUSE

    개요 : 퓨즈는 정격전류는 작으나 단락전류가 커지는 전력용 변압기, 고압전동기 1차측(3.3Kv, 6.6Kv, 22.9Kv)회로의 각 상에 설치한다. 고장전류를 제한함으로서 전력계통을 효과적으로 보호하기 위하여 사용되고 있으며, 차단기 ㆍ계전기 ㆍ변성기의 3가지 역할을 하는 차단기 이다. 보통 정격의 6~8배 이상의 전류로부터 자체적으로 휴즈를 끊어서 후단을 보호하는 기능을 가지고 있다. 요즘 퓨즈의 용도는 예전처럼 메인의 기능보다는 발생할지 모르는 사고에 대비해 2중의 Fail safe 장치로 구현할 경우가 많으며, 휴즈동작전에 다름 차단기들이 먼저 동작하는 것이 일반적이다.

 

 구조 및 전류 차단 원리 : 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.

  

일반적 특성과 용도 : 차단기를 사용하여 과전류나 사고전류로부터 전력계통을 보로하기 위해서는 차단기, 변류기, 계전기가 필요하지만, 퓨즈는 이 3가지 기기의 역할을 모두한다. 밀폐 구조형으로 정확한 전류, 상당히 큰 차단용량을 가지고 있으나 재사용이 불가능 하다는 단점이 있다. 동작과 전압이 낮고, 우수한 소전류 차단성능을 가지고 있으며, 큰 부하용량과 개폐에 대한 긴 내구성을 가지고 있다. 파워퓨즈는 매우 정계적이고 신회성이 높아 전력계통의 변압기, 모터, 콘덴서, 제어회로 모호 및 차단용량이 부족한 차단기나 개쳬기의 후비 보호용으로 많이 사용된다. 전력퓨즈 재사용이 불가능하기 때문에 동작 후 재 투입이 필요한 곳, 자주 과부하를 차단하게 되는 곳에는 사용하지 않는 것이 바람직하다.

 

 

[자료출처] 소방안전 2010년 여름호 발췌