전기기사 핵심 요약 - 변전설비 - 변압기 보호

 

1. 전력용 개폐기 (CB, DS, PF)

가. 차단기 (CB : Circuit Breaker)

1) 차단기의 역할

  ▣ 차단기는 부하전류는 물론 고장시에 발생하는 대전류를 신속하게 차단하여 고장구간을

       신속하게 건전구간으로 부터 분리시키는 역할을 수행한다.

 

 2) 고장(사고) 계산 : Why 하는지 ? V(전압), I(전류) 변동부분을 계전기에 반영하여

                                  계전기를 정정(Setting)하기 위함과 차단기 용량을 결정하기 위하여

  【고장의 종류】

    ① 1선 지락 ⇒ 자주발생 : Ig ⇒ 불평형사고 : 대칭좌표법

    ② 2선 지락

    ③ 선간 단락

    ④ 3상 단락 ⇒ 큰 전류가 흐름 (차단기 용량 결정 기준)

        ※ 평형사고 : 오옴법, %Z법, PU법 (3상 단락사고는 1상 회로로 봄)

 

 (1) 오옴법

   ① 1상의 등가회로 분석한다.

   ② 단락전류는 위 그림에서 단락지점까지의 임피던스를 상전류를 나누어 산정한다.

 

   ③ 단락용량 (Ps)

 

   ④ 차단기 용량 : CB ≥ Ps

    ※ 오옴법은 잘 사용하지 않고 %Z법을 많이 사용한다.

        %Z1 = %Z2,     %Z△ =%ZY,      %Z1ф = %Z2ф

        1차를 2차로 환산한 것이나 2차를 1차로 환산한 값은 같다.

 

【참고사항 - 동기발전기】

  ▣ 퍼센트 임피던스 (%Z)

 

    ※ 기준 상전압에 대한 전압강하의 비를 백분율[%]로 나타낸 것이다.

    ※ 단락비가 큰 기계(철량과 동량이 크다, 손실이 크다)

        동기 임피던스 (Es = Ra + j (XL + Xa))

        전기자 반작용, 전압변동률, 효율은 낮고

        나머지는 다 크다.

  ▣ 고장 전류 계산 순서

    ① 등가회로 ⇒ %Z맵 (직·병렬) ⇒ %ZT (합성 퍼센트 임피던스)

    ② 단락전류 계산

 

   ③ 단락용량 산정

 

    ④ 차단기 용량 CB ≥ Ps

       ※ P.U 법 : Per Unit, Percent (100)

 

2) 차단기의 종류

구분	약호	명칭	소호 매질 & 소호원리
고압	GCB OCB MBB ABB VCB	가스차단기 유입차단기 자기차단기 (압축)공기차단기 진공차단기	SF6 (육불화황가스) 절연유 전자력 압축공기 고진공
저압	ACB	기중차단기	대기, 일반공기로 소호

 3) 정격차단용량

 

4) 정격차단시간

   ① 트립코일 여자부터 소호까지의 시간

   ② 개극시간과 아크시간과의 합

5) 동작책무

 

가-1. 차단기 (CB : Circuit Breaker)

 

1) 차단기의 역할

   ▣ 차단기는 부하전류는 물론 고장시에 발생하는 대전류를 신속하게 차단하여 고장구간

       을 신속하게 건전구간으로 부터 분리시키는 역할을 수행한다.

2) 소호원리에 따른 차단기의 종류

 (1) 유입차단기 (OCB : Oil Circuit Breaker) : 옥내 사용 금지

   ▣ 절연유가 고온 아크에 의해 발생하는 수소가스의 열전도를 이용하여 아크를 냉각 소호

     ① 장점 : 사용범위가 넓고 저가이며, 소음이 없다.

     ② 단점 : 광유 사용으로 화재의 위험이 있고 보수의 번거로움이 있다.

 (2) 자기차단기 (MBB : Magnetic Blow-out Circuit Breaker)

   ▣ 아크와 직각으로 자계를 주어 소호실내에 아크를 끓어 넣어 아크전압을 증대시키고

        또한 냉각하여 소호

    ① 장점 : 화재 염려가 없고 보수가 간편하다.

    ② 단점 : 소음이 발생하고 22[kV] 이상에서 사용이 부적격하다.

 (3) 진공차단기 (VCB : Vacuum Circuit Breaker)

   ▣ 파센의 법칙에 의거하여 10-4 [Torr] 이하의 진공중으로 아크 금속증기가 확산 후

       전류 영점에서 아크 소호

    ① 장점 : 소형, 경량이며 구조가 간단하고 보수가 용이

    ② 단점 : 동작시 발생하는 서지가 크기 때문에 서지흡수기가 필요

(4) 공기차단기 (ABB : Air Blast Circuit Breaker)

 ▣ 아크를 10 ~ 30 [kg/㎤] 정도의 강력한 압축공기로 불어서 소호

   ① 장점 : 차단능력이 크고 화재 위험성이 낮다.

   ② 단점 : 압축 공기 컴프레셔 등 부대설비가 필요하고 폭발음이 있다.

(5) 가스차단기 (GCB : Gas Circuit Breaker)

 ▣ SF6 가스의 소호능력이 공기의 100배 성능임을 이용하여 아크를 강력하게 흡습하여 소호 (치환효과)

   ① 장점 : 보수 점검 회수가 적고 차단 능력이 우수하여 저소음이다.

   ② 단점 : 설치 면적이 크고 가스의 기밀구조가 필요하다.

 

3) 육불화황(SF6) 가스의 성질

  ▣ 네가지가 없다 : 무색, 무취, 무독성, 무연소(난연성)

      소호능력이 공기의 100배, 절연내력 2~3배, 비활성 가스 ⇒ 안정성 우수

  (1) 물리·화학적 성질

     ① 무색, 무취, 무독성 가스이다.

     ② 안전도가 매우 높은 불활성 기체이다.

     ③ 비탄성 충돌한다. -60 [℃] 에서 액화한다. (액화방지 장치 필요)

(2) 전기적 성질

    ① 공기에 비해 절연강도가 크다. (소호능력이 공기의 100배)

    ② 소호능력이 우수하다. (아크의 시정수가 작아서 대전류 차단에 유리)

    ③ 절연회복이 빠르다.

    ④ 가스의 성질이 우수하여 차단기가 소형화된다.

    ⑤ 전자 친화력이 크다.

  ※ 밀폐구조 : 감전사고가 적다. 소음이 작다. 신뢰도가 높다.

 

4) 차단기의 정격과 동작책무

  (1) 정격전압

    ① 차단기에 가할 수 있는 사용회로 전압의 최대 공급 전압을 말한다.

    ② 차단기의 정격전압은 선간전압의 실효값으로 표기한다.

    ③ 계통의 공칭전압 [V]별 정격전압 [Vn]의 관계

공칭전압[kV]	6.6	22.9	66	154	345	765
정격전압[kV]	7.2 비접지	25.8 다중접지	72.5 소호리액터	170 직접접지	362 직접접지	800 직접접지

 

[참고] 공칭전압 : 선로를 대표하는 선간전압 (22.9kV, 154, 345, 765)

    기준전압 : 공칭전압 ÷ 1.1 : 적용 BIL = 5E +50 (기준충격절연강도)

    최고전압 : 최고전압 = 공칭전압 × (1.15 / 1.1) ⇒ 적용 : 절연내력 시험 전압

    정격전압 : 정격상태에서 CB = 공칭전압 × (1.2 / 1.1)

                ※ 발전기, 변압기, 전동기 : 정격전압 = 공칭전압

                    피뢰기 : Vn = α β Vm (계통 최고 전압)

                ※ 22.9[kV] CB의 정격 전압은 ? 22.9 × 1.2 / 1.1 = 24.98 답 : 25.8 [kV]

 

(2) 정격 전류

   ① 정격전압, 정격 주파수에서 규정된 온도 상승 한도를 초과하지 않고 연속적으로 흘릴

        수 있는 전류한도를 말한다.

   ② 보통 교류전류의 실효값으로 나타낸다.

       ▣ 정격전류 In = P / (√3 V cos θ [A]

(3) 정격 차단 전류

  ① 정격전압, 정격 주파수에서 표준동작책무에 따라 차단할수 있는 전류의 한도를 말한다.

  ② 직류 비율 20[%] 미만일 때 교류 성분 대칭분의 실효치 [kA]로 표시한다.

 

(4) 정격차단용량

  ① 3상 단락사고시 이를 차단할 수 있는 차단용량의 한도를 말한다.

  ② 정격차단용량 산출식

 

(5) 정격 투입전류

  ① 규정된 표준동작책무에 따라 투입할 수 있는 전류의 한도를 말한다.

  ② 통상 정격차단전류 Is (대칭단락전류)의 2.5배를 표준으로 한다.

 

(6) 정격 차단 시간

  ① 정격차단전류 (Is)를 완전히 차단시키는 시간을 말한다.

  ② 보통 차단기의 정격차단시간이란 개극시간과 아크시간의 합을 말한다.

     * 개극시간 : 트립코일(Tc) 여자 순간부터 접촉자 분리시 까지의 시간

     * 아크시간 : 접촉자 분리시 부터 아크 소호까지의 시간

  ③ 정격 차단 시간

정격전압	25.8 [kV]	170 [kV]	362 [kV]	800 [kV]
정격차단시간	5 [Hz]	3 [Hz]	3 [Hz]	2 [Hz]

 

(7) 차단기 동작 책무

  ① 차단기에 부과된 1~2회 이상의 투입, 차단 동작을 일정시간 간격을 두고 행하는 일련의

      동작을 규정한 것이다. 이를 전력 계통 특성에 맞게 표준화한 것을 "표준 동작 책무"라고 한다.

 

【기출 & 예상 적중 문제】

  ▣ 차단기의 명판에 BIL 150[kV], 정격차단전류 20[kA], 차단시간 3[Hz] 솔레노이드형

       이라고 기재되어 있다. 다음 각 물음에 답하시오.

  (1) BIL 이란 무엇인가 ? 기준충격절연강도 (Basic Impulse Insulation Level)

  (2) 이 차단기의 정격전압이 25.8[kV]라면 정격용량은 몇 [kVA]가 되겠는가 ?

      정격용량 = √3 ×25.8×103 ×20×103×10-6 =893.74 [MVA]

  (3) 조작전원으로 사용되는 전기는 어떤 종류의 전기가 있는가 ?

         직류(DC)방식, 콘덴서 (CTD) 방식

     ※ 정격전압이 주어지지 않았을 때 산정방법

 

나. 단로기

1) 단로기의 역할

  ① 단로기는 고압 이상의 전로에서 단독으로 선로의 접속 또는 분리하는 것을 목적으로

      무부하시 선로를 개폐한다.

  ② 단로기는 차단기와 다르게 아크 소호능력이 없기 때문에 부하전류의 개폐를 하지

       않는 것이 원칙이다.

  ③ 충전전류는 개폐가 가능 (부하전류, 사고전류는 개폐 불가능)

    ※ 인터록 장치

     (1) 조건 : CB와 DS가 직렬 연결시에만 성립

      (2) 정의 : 차단기가 열려 있어야 단로기 (DS) 조작 가능

 

   (3) 개폐 가능한 전류 : 변압기 여자전류, 무부하시 충전전류

    (4) DS 단로기의 정격전압 (차단기의 정격 전압과 같음)

 

2) 단로기의 개폐 능력

   ① 단로기는 차단기나 부하개폐기(LBS)와 달리 부하전류를 개폐하는 능력이 없어도 된다.

   ② 소전류의 여자전류, 충전전류는 개폐할 수 있으며 154[kV]에 사용되는 단로기는 여자

       전류 3[A], 충전전류 1 [A]의 개폐능력을 갖는다.

   ③ 이중 모선방식에서 모선루프(Loop) 절체에 이용되는 단로기의 경우 모선 루프 개폐

        성능을 갖추어야 한다.

3) 접지 개폐기 (ES : Earthing Switch)

   ① 전로를 점검 · 보수하기 위하여 전로를 대지에 접지시키는 개폐기

   ② 전로의 충전전류 또는 이상시 유입되는 고장전류를 안전하게 대지로 충전할 수 있는

        충분한 용량을 갖추어야 한다.

   ③ 접지개폐기는 단로기와 일체형으로 설치되는 방식과 독립적으로 설치되는 방식이

        있으며 사용 목적에 따라 선로접지 개폐기, 기기접지개폐기 등으로 호칭되고 있다.

 

【기출 & 예상적중문제 】

1. 수전전압 6600[V], 가공전선로의 %임피던스가 58.5[%]일 때 수전점의 3상 단락

    전류가 8000[A] 인 경우 기준용량과 수전용 차단기의 차단용량을 구하시오.

  (1) 기준용량

 

  (2) 차단용량

 

2. 2중 모선에서 평상시에 No.1 T/L 은 A모선에서 No. 2 T/L은 B모선에서 공급하고 모선

    연락용 CB는 개방되어 있다.

 

 (1) B모선을 점검하기 위하여 절체하는 순서는? (단, 10-OFF, 20-ON 등으로 표시)

    ▣ 먼저 A,B 모선의 등전위화 조치를 취한다. 모선 전환을 위하여

    ▣ 31-ON, 32-ON, 30-ON, 21-ON, 22-OFF, 30-OFF, 31-OFF, 32-OFF

(2) B모선을 점검 후 원상복구하는 조작 순서는? (단, 10-OFF, 20-ON 등으로 표시)

    ▣ 31-ON, 32-ON, 30-ON, 22-ON, 21-OFF, 30-OFF, 31-OFF, 32-OFF

(3) 10, 20, 30 에 대한 기기의 명칭은 ? 교류차단기

(4) 11, 21에 대한 기기의 명칭은 ? 단로기

(5) 2중 모선의 장점

    ▣ 모선 점검시에도 부하의 운전을 무정전으로 할 수 있어 전원 공급의 신뢰도가 높다.

 

다. 전력 퓨즈 (PF : Power Fuse)

 

1) 전력퓨즈의 역할

   ① 평상시 부하전류는 안전하게 통전시킨다.

   ② 이상전류나 사고전류(단락전류)에 대하여는 즉시 차단시킨다.

 

2) 한류형 퓨즈 ⇔ 비한류형 퓨즈 COS (Cut Out Switch) 컷 아웃 스위치

  ① 단락전류차단시 높은 아크 저항이 발생하여 사고전류를 강제적으로 억제하여 차단하는퓨즈

  ② 밀폐된 퓨즈 통 안에 가용체와 규사 등의 입상 소호체로 채운 구조

        H = 0.24 I2 RT H ∝ I2

       ※ 퓨즈의 특성 : 용단특성, 전차단 특성, 단시간 허용 특성

  ③ 전력용 퓨즈의 장단점

장 점	단 점
① 소형이면서 차단용량이 크다. ② 한류효과가 크다. ③ 차단시 무소음, 무방출이다. ④ 고속도 차단할 수 있다. ⑤ 소형, 경량이다. ⑥ 가격이 저렴하다.	① 재투입이 불가하다. (가장 큰 단점) ② 차단시 과전압이 발생한다. ③ 과도전류에 용단되기 쉽다. ④ 용단되어도 차단하지 못하는 전류범위가 있다. (비보호 영역이 있다) ⑤ 동작시간과 전류특성을 자유로이 조정할 수 없다.

 

※ 소형, 경량이다. 유지보수가 간단하다. 가격이 저렴하다. 정전용량이 적다.   차단용량이 크다.

 

4) 퓨즈 단점 보완대책

   ① 결상계전기 사용

   ② 사용목적에 맞는 전용 전력 퓨즈 사용

   ③ 계층의 절연강도를 퓨즈의 과전압값 보다 높게 설정

5) 퓨즈 구입시 고려사항 ⇒ VIP

   ① 정격전압 (V)    ② 정격전류 (I)    ③ 정격차단전류 (I)    ④ 사용장소 (P)

6) 퓨즈 선정시 고려사항

   ① 변압기 여자돌입전류에 동작하지 말 것

   ② 전동기와 충전기의 기동전류에 동작하지 말 것

   ③ 과부하 전류에 동작하지 말 것

   ④ 타보호기기와 보호협조를 가질 것

7) 고압 퓨즈의 규격

  ① 고압 전로에 사용하는 포장 퓨즈는 정격전류의 1.3배의 전류에 견디고 2배의 전류에서

       120분 이내에 용단되는 것이어야 한다.

  ② 고압 전로에 사용되는 비포장 퓨즈는 정격전류의 1.25배의 전류에 견디고 2배의 전류

       에서 2분 이내에 용단되는 것이어야 한다.

       비포장 1.25 × 2배 2분

       포장 1.3 × 2배 2시간

 

8) 퓨즈와 각종 개폐기 및 차단기와의 기능 비교

능력 구분	회로분리		사고차단
	무부하	부하	과부하	단락ㄷ
퓨 즈	O	X	X	O
차단기	O	O	O	O
개폐기	O	O	O	X
단로기	O	X	X	X
전자접촉기	O	O	O	X

 

【 기출 & 예상 적중 문제 】

   ▣ 전력퓨즈의 단점 4가지를 쓰시오.

     ① 재투입할 수 없다.

     ② 차단시 과전압이 발생한다.

     ③ 과도전압에 용단되기 쉽다.

     ④ 동작시간과 전류특성을 자유로이 조정할 수 없다. (시한특성 조정 불가)