10. 기계력에 의한 설비 손상의 예시

10. 기계력에 의한 설비 손상의 예시

앞에서 기계력(자기력)이 위험한 이유에 대해 확인해보았다.
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9. 기계력(자기력)이 위험한 이유

설비 내에서 의도치 않게 발생한 기계력(자기력)은 설비에 큰 손상을 줄 수 있다.
기계력은 전류의 크기의 제곱에 비례하기 때문에 단락전류 발생 시에 아주 큰 기계력이 발생하여 위험하다.
또한 단락전류는 대칭파형이 아니라 비대칭파형이기 때문에 대칭파형보다 훨씬 큰 Peak치의 전류가 발생하여 더욱 위험했다.
이번에는 기계력의 예시를 확인해보자.

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1. 차단기의 역할과 동작 순서
2. 기계력에 의한 차단기 손상으로 차단 실패

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1. 차단기의 역할과 동작 순서

전력계통에 단락전류(고장전류)가 발생하여 변압기로 유입될 시 설비 내부에 열, 기계력 발생으로 변압기가 고장날 수 있다.
그래서 변압기 앞단에는 단락전류를 막아줄 수 있도록 차단기가 설치되어 있다.
즉, 차단기는 전기회로에 과전류, 정격전류 이상의 전류가 흐를 때 이로 인한 사고를 예방하기 위해 전류의 흐름을 끊는 장치이다.


아래 모선에서는 변압기, 차단기, 부하를 나타냈다.

변압기, 차단기, 부하

모선 아래 부분에 단락사고가 발생했다고 해보자.

단락사고 발생

모선을 타고 변압기 쪽으로 단락전류(고장전류)가 흘러들어 가기 시작한다.




정상적인 상황이라면 차단기는 아래와 같이 동작한다.

차단기 동작 순서

① CT(계기용 변류기)에서 측정된 전류를 통해 단락전류 발생을 보호계전기가 알게 된다.

② 보호계전기가 릴레이에 신호를 준다.

③ 릴레이의 신호를 받아서 차단기의 T.C(트립코일)이 여자된다.

④ T.C(트립코일)이 여자됨에 따라 차단기가 OPEN 된다.

차단기의 OPEN으로 변압기에 단락전류 유입이 막혀서 설비의 손상을 막는다.

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2. 기계력에 의한 차단기 손상으로 차단 실패

그런데 이때 신호를 받았음에도 불구하고 기계력 발생으로 차단기가 제대로 OPEN 되지 않아 차단이 실패할 수 있다.


아까와 같이 모선에 단락전류(고장전류)가 발생해서 변압기 쪽으로 갔다고 생각해보자.
보호계전기가 높은 전류를 감지해서 차단기에 OPEN 하라는 신호를 준다.
그런데 문제는 이때 차단기가 OPEN 되기 전까지 몇 주기의 단락전류가 CLOSE 된 차단기를 통과한다.
차단기마다 차이는 있지만 CT, PT가 이런 단락전류를 검출하는 시간이 필요해서
1~3주기의 단락전류는 CLOSE 되어있는 차단기를 타고 흘러들어간다.

1~3주기의 단락전류가 차단기를 통과

이때 기계력에 의한 문제가 발생할 수 있다.


차단기가 아래와 같이 CLOSE 되어있다고 해보자.

차단기 CLOSE, OPEN

평소 차단기의 접촉면은 딱딱하고 완전히 맞물려있지 못하기 때문에 전류는 균일하게 흐르지 않고 한 점으로 흐른다.

차단기에서 전류는 한 점으로 흐른다.

이 때 차단기의 위,아래 전류흐름을 비교하면 반대 방향으로 흐르는 걸 볼 수 있다.



앞에서 확인했던 것처럼 두 도체가 있을 때 전류의 방향이 같으면 서로 당기는 '흡인력'이 작용하고,
전류의 방향이 반대라면 서로 밀어내는 '반발력'이 작용한다.

두 도체의 전류방향이 반대인 경우 '반발력'발생

차단기에서는 전류가 반대로 흐르므로 평소에도 서로 밀어내는 '반발력'이 약하게 작용하고 있다.

차단기에서도 두 도체의 전류방향이 반대이므로 '반발력' 발생

그런데 사고가 발생하여 아주 큰 단락전류 1~3주기가 차단기로 들어오게 되면 차단기가 OPEN 신호를 받지 않았음에도 강한 기계력(자기력)이 발생하면서 OPEN 된다.

1~3주기의 단락전류는 커졌다 작아졌다를 반복하는 파형이므로 차단기에 생기는 반발력이 커졌다 작아졌다를 반복한다
그러므로 차단기가 열렸다 닫혔다를 반복하게 된다.

단락전류 파형은 커졌다 작아졌다를 반복함

전류가 흐르는 차단기 위,아래 도체가 열리고 닫히는걸 반복하면서 두 도체 사이에는 '아크'가 발생하게 된다. 아크에 의해 마치 두 도체 사이를 용접하는 것과 같은 효과가 발생한다. 여기에서는 '용착'이라고 하는데 용착이 생기면서 차단기 위,아래가 CLOSE 상태로 붙어버린다.


그래서 단락전류 검출 이후에 차단기에 OPEN 신호를 보내도 차단기가 붙어서 열리지 못하므로 단락전류가 모두 변압기로 들어가게 된다. 차단 실패로 이어지게 된다.


그러므로 차단기 접점은 차단기가 의도적으로 OPEN 되기 전에는 절대 열리지 않도록 미리 계산을 해서 적절한 힘으로 CLOSE하고 있어야한다.
너무 약하게 CLOSE 되어 있으면 단락전류 유입시 OPEN될 가능성이 있고, 너무 강하게 CLOSE 되어 있으면 OPEN하는데 힘이 많이 들어간다.
또한, 미리 계산을 잘해서 차단기의 CLOSE에 이상이 없더라도 차단기를 10년 이상 오래 쓰다 보면 CLOSE 해주는 스프링의 힘이 약해지면서 차단 실패로 이어질 수 있으므로 관리가 중요하다.