회로 차단기: LV, 중전압 및 전기 보호 안내서

회로 차단기의 기능과 올바른 회로 차단기 선택이 중요한 이유

회로 차단기는 과전류, 단락 또는 지락과 같은 비정상적인 전기 상태를 감지하고 장비가 손상되거나 사람이 위험에 빠지기 전에 전류 흐름을 차단하는 자동 보호 개폐 장치입니다. 작동 후 교체해야 하는 퓨즈와 달리 회로 차단기는 오류가 해결된 후 재설정되고 다시 서비스를 받을 수 있습니다. 정밀하게 조정 가능한 보호 설정과 결합된 이러한 재사용성은 회로 차단기를 가정용 240V 설치부터 유틸리티 규모의 1,200kV 전송 시스템까지 모든 전압 등급의 기본 전기 보호 장치로 만듭니다.

산업 및 상업용 전기 공학과 가장 관련이 있는 두 가지 범주는 다음과 같습니다. 저전압 회로 차단기(LVCB) , 최대 1,000V AC 또는 1,500V DC의 전압에서 작동 고압 회로 차단기(MVCB) , 1 kV ~ 약 52 kV 범위를 포괄합니다. 각 카테고리에는 고유한 기술, 표준 및 선택 기준이 포함됩니다. 차단 용량을 과소평가하거나 부하에 대한 보호 특성을 불일치시키는 등 사양을 잘못하면 안전 위험, 불필요한 트립 또는 실제 결함 제거 실패가 발생합니다.

회로 차단기가 전기 보호를 제공하는 방법: 핵심 메커니즘

모든 회로 차단기는 동일한 기본 작동 순서를 공유합니다. 즉, 비정상적인 상태를 감지하고, 트립을 시작하고, 접점을 분리하고, 접점이 열릴 때 형성되는 아크를 끄고, 수동 또는 자동으로 재설정될 때까지 개방 회로 위치를 유지합니다. 차단기 유형 간의 차이점은 각 단계가 수행되는 방식에 있습니다.

과전류 감지: 열, 자기 및 전자

트립 장치는 회로 차단기의 감지 및 의사 결정 요소입니다. 세 가지 기술이 사용됩니다.

• 열자기식 트립 장치 (몰드 케이스 회로 차단기의 표준): 부하 전류에 의해 가열되는 바이메탈 스트립은 역시간 과부하 보호 기능을 제공합니다. 즉, 과부하가 높을수록 트립이 더 빨라집니다. 자기 솔레노이드는 일반적으로 10–20× 정격 전류 . 외부 전원이 필요하지 않습니다. 완전히 독립적입니다.
• 전자 트립 장치(ETU) (기중 회로 차단기 및 고사양 MCCB의 표준): 변류기는 부하 전류를 지속적으로 측정합니다. 마이크로프로세서는 프로그래밍된 보호 곡선에 대해 신호를 평가합니다. ETU는 완전히 조정 가능한 장시간(과부하), 단시간(시간 지연 단락), 순간(순간 단락) 및 접지 오류 보호 기능을 제공합니다. LSIG 보호 기능 . 설정은 열자기 장치의 경우 ±20% 정확도에 비해 ±5% 정확도로 정확합니다.
• 마이크로프로세서 기반 보호 계전기 (중전압): 차단기 메커니즘 자체와 별도로 이 계전기는 외부 CT를 통해 전류를 측정하고 제어 케이블을 통해 차단기의 트립 코일에 트립 명령을 전달합니다. 보호 기능은 차동, 거리, 방향성 과전류 등 매우 정교할 수 있으며 하드웨어를 교체하지 않고도 펌웨어에서 업데이트할 수 있습니다.

아크 중단: 전압 등급에 따라 다른 이유

부하가 걸린 상태에서 접점이 분리되면 중단이 완료되기 전에 소멸되어야 하는 아크가 형성됩니다. 아크 에너지는 전류의 제곱에 비례하고 전압에 비례하여 증가하므로 중전압에서의 아크 중단은 저전압에서의 아크 중단과 근본적으로 다른 엔지니어링 과제입니다. 저전압 차단기는 아크 슈트(아크를 짧은 세그먼트로 나누고 차단기 하우징 내에서 아크를 냉각 및 소멸시키는 일련의 금속 분할판)를 사용합니다. 고압 차단기는 진공, SF₆ 가스 또는 (역사적으로) 오일 및 공기 분사와 같은 별도의 아크 차단 매체를 사용합니다. 진공 차단은 이제 고압 분야의 지배적인 기술입니다. , 10⁻⁶ mbar 진공 환경에서 금속 증기 플라즈마의 거의 즉각적인 응축을 통해 단일 반주기(8–10ms)에서 아크 소멸을 달성합니다.

저압 회로 차단기: 유형, 정격 및 선택

저전압 회로 차단기(다음에 따라 관리됨) IEC 60947-2 대부분의 시장에서는 UL 489(북미에서는 UL 489)가 4가지 기본 형식으로 제조되며 각각은 서로 다른 전류 범위와 응용 분야를 대상으로 합니다.

소형 회로 차단기(MCB)

MCB는 가장 작고 가장 많은 회로 차단기 유형으로, 전 세계적으로 주거용 및 상업용 조명 배전반에 수십억 개가 설치되어 있습니다. 현재 등급에서 사용할 수 있습니다. 0.5A ~ 125A 일반적으로 차단 용량은 다음과 같습니다. 6kA ~ 25kA (IEC 60898). 여행 특성은 표준화되어 있습니다.

• B형: 3–5× In에서 순간 트립. 돌입이 없는 저항 부하 및 케이블 보호에 사용됩니다.
• 유형 C: 5–10× In에서 순간 트립. 일반적인 상업용 및 경공업 부하에 가장 일반적인 유형으로 적당한 모터 돌입을 견딜 수 있습니다.
• D형: 10–20× In에서 순간 트립. 시동 전류가 매우 높은 변압기, 대형 모터, 용접 장비 등 무거운 유도 부하에 적합합니다.

배선용 차단기(MCCB)

MCCB는 다음 범위를 포괄합니다. 16A ~ 3,200A 차단 용량은 10kA ~ 200kA(Icu)입니다. 유리 섬유 강화 열경화성 하우징인 성형 케이스에는 아크 슈트, 트립 메커니즘 및 단자를 포함한 모든 구성 요소가 포함되어 있습니다. MCCB는 모터 제어 센터(MCC), 하위 배전반, 피더 보호 등 산업용 배전의 핵심입니다.

MCCB 사양의 중요한 차이점은 다음과 같습니다. Icu(극한 차단 용량) 그리고 Ics(서비스 차단 용량) . Icu는 차단기가 한 번 차단할 수 있는 최대 오류 전류이며 그 이후에는 교체가 필요할 수 있습니다. Ics는 차단기가 차단하고 완전히 서비스 가능한 상태로 유지될 수 있는 결함 전류입니다. 일반적으로 중환자실의 50~100% . 차단기가 반복되는 오류를 안정적으로 차단해야 하는 설치의 경우 Ics는 설치 지점에서 예상되는 오류 전류를 초과해야 합니다.

공기 회로 차단기(ACB)

ACB는 저전압에서 가장 높은 전류 범위를 포괄합니다. 630A ~ 6,300A , 최대 차단 용량 150kA 이 장치는 대형 저전압 주 배전반(MDB)의 주 인컴 및 버스 연결 위치를 위한 표준 보호 장치입니다. 모든 ACB는 전체 LSIG 보호 제품군을 갖춘 전자 트립 장치를 사용하며 대부분의 최신 장치는 건물 관리 및 에너지 모니터링 시스템과의 통합을 위해 Modbus, Profibus 또는 IEC 61850 프로토콜을 통한 통신을 제공합니다. ACB는 인출형(인출형)이 표준이므로 인접한 회로에 전원이 공급된 상태에서 안전하게 교체하거나 유지 관리할 수 있습니다.

과전류 보호 기능이 있는 잔류 전류 회로 차단기(RCBO)

RCBO는 MCB 과전류 보호와 잔류 전류(접지 누출) 감지를 단일 장치에 결합합니다. 잔류 전류 요소는 활성 전류와 중성 전류 사이의 불균형을 감지하여 결함이나 사람을 통해 접지로 흐르는 전류를 나타냅니다. 표준 트리핑 임계값은 다음과 같습니다. 개인 보호용 30mA (5× IΔn에서 트립 시간 <40ms) 및 화재 방지용 300mA . RCBO는 대부분의 국가 배선 규정에서 소켓 콘센트를 공급하는 회로에 필수이며 EV 충전 회로에도 점점 더 요구되고 있습니다.

중압 회로 차단기: 기술 및 응용

고압 회로 차단기(아래에 정의됨) IEC 62271-100 ) 범위에서 작동 3.6kV ~ 52kV , 유틸리티 배전 네트워크 및 산업용 전력 시스템의 전력 변압기, 피더, 모터, 커패시터 뱅크 및 버스 섹션을 보호합니다. 이러한 전압에서 아크를 차단하려면 전용 아크 소호 매체가 필요합니다. 공기만으로는 실제 개폐 장치의 물리적 크기 내에서 아크를 안정적으로 소멸하기에는 충분하지 않습니다.

진공 회로 차단기(VCB): 업계 표준

VCB는 전 세계적으로 새로운 고압 설치를 주도하고 있습니다. 진공 차단기 - 진공 상태로 진공 처리된 밀봉된 세라믹 금속 병 10⁻⁶~10⁻⁴mbar — 거의 즉각적인 아크 소멸, 탁월한 전기적 내구성 제공( 정격 단락 전류에서 오류 중단 100회 ), 유지보수가 필요 없는 작동 수명은 10~20년입니다. 중단당 접촉 침식은 마이크로미터 단위로 측정되며 밀봉된 설계로 인해 아크 소호 매체가 소모되거나 보충이 필요하지 않습니다. VCB는 3.6kV ~ 40.5kV 정격, 단락 차단 전류 16kA ~ 50kA, 일반 전류 정격 630A ~ 4,000A로 제공됩니다.

SF₆ 회로 차단기: 규제 압력을 받는 고전압 장치

육불화황(SF₆) 가스는 뛰어난 유전 강도를 갖고 있습니다. 동일압력 공기의 2.5배 — 높은 전기음성도로 인해 뛰어난 아크 소광 특성이 있습니다. SF₆ 차단기는 고전압 애플리케이션(72.5kV 이상)을 지배하며 가스 절연 개폐 장치(GIS)의 중간 전압에서 계속 작동합니다. 그러나 SF₆는 지구 온난화 가능성이 CO2의 23,500배 EU의 F-가스 규정(EU 2024/573)은 2031년부터 EU에서 새로운 중전압 SF₆ 장비를 금지하여 업계가 진공 및 대체 가스 기술로의 전환을 가속화하고 있습니다.

오일 회로 차단기: 여전히 사용 중인 레거시 장비

벌크 오일 및 최소 오일 회로 차단기는 1990년대 이전에는 표준 고압 보호 기술이었습니다. 오일은 기화 및 분해를 통해 아크를 절연하고 소멸시킵니다. 오일 차단기는 더 이상 신규 설치를 위해 제조되지 않지만 전 세계적으로 노후화된 유통 네트워크에서는 많은 수의 제품이 여전히 사용되고 있습니다. 이들의 주요 책임은 석유로 인한 화재 및 폭발 위험, 높은 유지 관리 요구 사항(1~3년마다 오일 샘플링, 필터링 및 교체), 대규모 물리적 규모입니다. 중요한 변전소 개조 작업 중에는 VCB로 교체하는 것이 표준 관행입니다.

최신 회로 차단기의 전기 보호 기능

회로 차단기에 내장되거나 이와 관련된 보호 기능은 전기 네트워크의 모든 유형의 비정상적인 조건에 선택적이고 정확하게 대응하는 능력을 정의합니다. 최신 전자 트립 유닛과 디지털 보호 계전기는 다음에 의해 지정된 표준화된 보호 기능을 구현합니다. ANSI/IEEE 장치 기능 번호 그리고 IEC protection relay designations.

LSIG: 표준 저전압 보호 제품군

ACB 및 고사양 MCCB의 전자 트립 장치는 총칭하여 LSIG로 알려진 네 가지 보호 기능을 구현합니다.

• L — 장시간(과부하): 정격 전류보다 지속적인 과전류에 대한 역시간 보호. 조정 가능한 임계값(Ir, 일반적으로 0.4–1.0× In) 및 시간 지연(tr). 지속적인 과부하로 인한 열 손상으로부터 도체를 보호합니다.
• S — 단기: 명백한 결함이지만 즉각적인 이벤트는 아닌 높은 과전류에 대한 시간 지연 보호입니다. 선택성 제공 - 다운스트림 차단기가 업스트림보다 먼저 작동하여 영향을 받는 회로의 정전을 제한합니다. 조정 가능한 임계값(Isd, 2–15× In) 및 의도적인 지연(tsd, 0.1–0.5s).
• I — 즉각적: 매우 높은 고장 전류(일반적으로 15× In 이상)에서 지연되지 않는 트립. 100ms에도 결함 에너지가 막대한 차단기 근처의 볼트 단락으로부터 보호합니다. 다운스트림 선택성이 필요한 수입원 ACB에서는 비활성화될 수 있습니다.
• G — 접지 오류: 지락을 나타내는 잔류 전류를 감지합니다. 위상 과전류 요소보다 훨씬 낮은 전류에서 작동하도록 설정할 수 있습니다(일반적으로 0.2–1.0× 안으로 ), 과전류 요소만으로는 감지할 수 없는 고임피던스 지락에 대한 보호 기능을 제공합니다.

고압 보호 기능

중간 전압에서는 회로 차단기에 트립 명령을 보내는 별도의 숫자 릴레이를 통해 보호가 수행됩니다. MV 피더 및 변압기 보호에 적용되는 일반적인 보호 기능은 다음과 같습니다.

• ANSI 50/51 - 과전류(순시/반한시): 기본적인 피더 및 장비 보호 기능. 표준 시간-전류 특성에는 IEC Normal Inverse(NI), Very Inverse(VI) 및 Extremely Inverse(EI)가 포함되며 다운스트림 퓨즈 및 차단기와 조화되도록 선택할 수 있습니다.
• ANSI 50N/51N - 접지 결함: 단상 지락을 검출하는 잔류 전류 측정. 절연 또는 피터슨 코일 접지 네트워크에서 민감한 지락 요소(ANSI 64)는 다음과 같은 낮은 지락 전류를 감지할 수 있습니다. 1~2A .
• ANSI 87 — 차동 보호: 보호 구역(변압기, 부스바 또는 모터)에 들어오고 나가는 전류를 비교합니다. 내부 결함이 있는 경우 즉시 트립됩니다. 매우 빠르고(<30ms) 결함 전류에 영향을 받지 않습니다. 값비싸거나 중요한 장비에 대한 최고 등급의 보호입니다.
• ANSI 79 — 자동 재폐쇄: 가공선의 일시적 오류로 인해 트립이 발생한 후 계전기는 정의된 데드 타임(일반적으로) 후에 회로 차단기에 다시 닫히도록 명령합니다. 순간 재폐로의 경우 0.3~1초, 지연 재폐로의 경우 15~60초 ). 가공선 오류의 약 80%는 일시적(나무 접촉, 새 또는 번개로 인해 발생)이므로 지속적인 정전을 최소화하는 데 자동 재폐쇄가 매우 효과적입니다.
• ANSI 27/59 — 저전압/과전압: 버스 전압을 모니터링하고 설정된 임계값보다 낮거나 높을 경우 트립하여 민감한 부하를 보호하고 분산 발전 애플리케이션에서 단독 운전을 감지합니다.
• ANSI 46 — 네거티브 시퀀스 과전류: 불균형 부하 또는 단상을 감지하여 역상분 전류 구성요소로 인한 심각한 회전자 가열로부터 모터를 보호합니다.

선택성과 차별성: 올바른 차단기 여행 만들기

선택성(또는 식별)은 모든 정상 회로가 계속 작동되는 동안 오류가 발생한 회로만 격리하는 보호 시스템의 기능입니다. 낮은 선택성(다운스트림 오류가 발생할 때 업스트림 차단기가 불필요하게 작동하는 경우)은 산업 플랜트 및 상업용 건물에서 가장 흔하고 비용이 많이 드는 보호 시스템 오류 중 하나입니다.

계단식 회로 차단기 간의 선택성을 달성하기 위해 네 가지 방법이 사용됩니다.

• 전류 선택성(암페어 판별): 상류 차단기의 순시 트립 임계값은 하류 차단기를 통해 흐를 수 있는 최대 사고 전류보다 높게 설정됩니다. 두 차단기 사이의 임피던스가 근거리 결함과 원거리 결함 사이에 의미 있는 전류 차이를 생성하기에 충분할 때만 달성할 수 있습니다. 낮은 임피던스 버스바에서는 그렇지 않은 경우가 많습니다.
• 시간 선택성(시간-현재 판별): 업스트림 차단기의 단시간 보호에는 의도적인 지연(tsd)이 있어 다운스트림 차단기가 먼저 결함을 제거할 수 있는 시간을 제공합니다. 등급 간격은 최소한 0.25~0.3초 인접한 차단기 사이에 필요합니다. 이는 가장 일반적인 방법이지만 업스트림 차단기가 지연 기간 동안 고장 전류를 견뎌야 하므로 적절한 단시간 내구 등급이 필요합니다.
• 구역 선택성 연동(ZSI): 물리적으로 배선된 제한 신호를 통해 인접한 차단기 간의 통신입니다. 결함이 있는 하류 차단기는 상류 차단기에 차단 신호를 보내고, 그러면 자체 트립이 지연됩니다. 차단 신호가 수신되지 않으면(상류 차단기 뒤에 결함이 있는 경우) 즉시 트립됩니다. ZSI는 선택성을 유지하면서 거의 즉각적인 업스트림 작동을 달성하여 시간 지연 작동과 관련된 에너지 방출을 제거합니다.
• 에너지 기반 선택성(백업 보호): 전류 제한에 의존 - 작동 시간이 매우 빠른(<5ms) 전류 제한 MCCB는 최대 오류 에너지를 심각하게 제한하여 조정 설정이 아닌 장치의 물리적 특성을 기반으로 업스트림 차단기가 응답하기 전에 오류를 제거합니다.

회로 차단기의 주요 선택 매개변수

회로 차단기를 지정하려면 모든 정격 매개변수가 설치 요구 사항을 충족하거나 초과하는지 확인해야 합니다. 단일 매개변수를 확인하지 못하면 위험할 정도로 부적절할 수 있습니다.

고도는 특별한 주의를 기울일 가치가 있습니다. 2,000m 이상의 고도에서는 공기 밀도가 감소하여 공기의 유전 강도와 열 정격 구성 요소의 냉각 용량이 모두 감소합니다. IEC 60947-2에서는 전압 정격을 대략적으로 낮춰야 합니다. 2,000m 이상 100m당 1.5% . 3,500m 높이에 설치된 415V 정격 MCCB는 약 395V 유효 정격으로 감소해야 하며, 종종 다음으로 높은 전압 등급을 지정해야 합니다.

회로 차단기 표준: IEC, ANSI 및 조달에 대한 의미

해당 표준은 회로 차단기의 등급 방법, 테스트 요구 사항 및 표시 의무를 결정합니다. 동일한 배전반에 IEC 등급 및 ANSI 등급 장비를 혼합하려면 등급이 실제로 동일하다는 신중한 검증이 필요합니다. 두 시스템은 서로 호환되지 않는 숫자를 생성하는 서로 다른 테스트 방법론을 사용합니다.

• IEC 60947-2: 저전압 회로 차단기(최대 1,000V AC). 유럽, 아시아, 중동 및 아프리카 시장을 위한 기본 표준입니다. Icu(극한 차단 용량), Ics(서비스 차단 용량), 활용 범주(선택성을 위한 A 및 B) 및 전기 내구성 요구 사항을 정의합니다.
• IEC 60898-1: 가정용 및 유사 설치용 MCB(최대 125A, 440V). 조정 옵션이 더 적은 IEC 60947-2보다 간단한 표준 — 최종 회로 보호에만 적합합니다.
• UL 489: 성형 케이스 회로 차단기에 대한 북미 표준입니다. IEC 60947-2와 다른 테스트 시퀀스 및 역률을 사용하여 Icu와 직접적으로 동일하지 않은 AIC(암페어 차단 용량) 등급을 생성합니다. 65kAIC 등급의 UL 489 장치는 65kA Icu의 IEC 장치와 다른 테스트를 통과했습니다.
• IEC 62271-100: 1kV 이상의 AC 회로 차단기. 정격 전압, 정상 전류, 단락 차단 전류, TRV(과도 회복 전압) 요구 사항, 작동 순서 및 기계적 내구성 등급(M1: 10,000 작동, M2: 30,000 작동)을 포함한 모든 정격 매개변수를 정의하는 글로벌 고압 표준입니다.
• ANSI/IEEE C37.04 및 C37.09: 북미 고압 회로 차단기 표준. 다른 정격 전압과 MVA 기반 정격 시스템을 사용하십시오. 현대 북미 장비는 IEC와 ANSI 모두에 대한 이중 등급을 점점 더 많이 받고 있습니다.

안전이 중요하거나 가치가 높은 설치의 경우 항상 다음이 필요합니다. 공인 실험실의 제3자 유형 테스트 인증서 (예: KEMA, CESI, DNV 또는 UL) 특정 차단기 모델이 청구된 표준 및 등급에 따라 테스트되었음을 확인합니다. 독립적인 테스트 증거가 없는 제조업체의 자체 선언은 보호 실패로 인해 심각한 안전 또는 재정적 결과가 발생할 수 있는 유틸리티, 산업 또는 데이터 센터 응용 프로그램의 경우 불충분합니다.