단로기(DS)로 부하전류를 개방하면 안되는 원리

단로기로 부하전류를 개방하면 안되는 원리는?

사고가 일어나지 않았으면 더 좋았겠지만, 큰 사고로 이어지지 않고 이렇게 타산지석으로 공유하게 되어서 다행입니다. 차단기는 부하 전류가 흐르고 있는 상태에서 접점을 개방할 때 발생하는 아크를 소호 하는 기능을 가지고 있습니다. 여기서 "소호"라 함은 전극에서 발생하는 아크의 모양이 개방하는 양쪽 전극의 전위의 분포에 따라 양전극을 중심으로 원호(활시위를 당긴 활) 형태의 모양으로 만들어 지므로 이 아크를 제거한다는 의미로 "소호(원호가 사라짐)"라는 용어를 사용하는 것입니다. 차단기에서 아크를 소호 하기 위해서 여러 가지 방법을 사용합니다.

1. 절연유 속에 전극을 넣는 형(유입 차단기 OCB)

2. 고압의 압축공기로 아크를 불어서 소멸시키는 형(공기 차단기 ABB)

3. 자기장을 이용해서 아크를 불어서 소멸시키는 형(자기 차단기 MBB)

4. 전극을 진공 속에 넣어서 아크를 완화시키는 형(진공차단기 VCB)

5. 절연가스로 전극 주변을 둘러싸서 아크를 완화시키는 형(가스차단기 GCB)

등등의 방법이 있습니다. 그러면 도대체 차단 시 아크라는 것은 왜 생기는 것일까요? 그 근원 원리를 알면 지금과 같은 상황이 왜 발생하였는지 알 수가 있습니다! 같이 생각해 보겠습니다. 대전류(大電流)를 순간적으로 끊을 때는 전극과 전극 사이에 과도 전압이 유기됩니다. 과도 전압이 유기되는 원리는 다음과 같습니다. 전자기학에서 전자유도 법칙(패러데이 발견)과 랜쯔의 법칙(랜쯔 발견)이라는 용어를 들어 보셨을 것입니다. 전자유도 법칙은 어떤 자계(磁界) 속에서 도체를 움직일 때 도체에 기전력이 유기된다는 원리입니다 수식으로 표현하면 "e= - L*(dΦ/dt )"라고 표현하지요! 즉 유기 기전력은 도체의 인덕턴스와 자기장의 시간 변화율의 곱에 비례한다는 의미이지요! 이 것을 미소 시간당의 변화를 의미하는 미분 개념으로 표현한 것입니다. 랜쯔의 법칙은 "e= - L*(dΦ/dt )"의 식에서 "-"부호를 의미합니다. 즉 도체에 유기되는 기전력은 도체가 움직이면서 상대적으로 변화하게 되는 자계의 자속 변화를 억제하는 방향으로 자기장을 유기하는 방향으로 발생하더라는 의미입니다. 이러한 유기 기전력은 이 자연계의 안정 복원력에서 기인한 것입니다. 패러데이와 랜쯔는 다른 나라 사람들이지만 비슷한 시기에 전자유도 현장에 대해서 연구했던 사람들입니다. 그래서 전자유도 현상으로 발생하는 기전력의 크기는 패러데이의 실험 결과를 수식으로 만들어 정립했고 "e=L*(dΦ/dt )" 랜쯔는 그 기전력의 방향을 표현하는 형태로 자신의 이름을 남긴 것입니다."e= - L*(dΦ/dt )" 여기서 생각을 해 봅니다. 대전류를 순간적으로 끊을 때 어떤 현상이 발생할까요! 전류가 흐르는 곳에는 전기장이 발생하고 전기장이 있는 곳에는 그 전기장과 직교하는 방향으로 자기장이 발생합니다. 전기장과 자기장이 서로의 길을 만들면서 공간을 전파해 나가는 것이 바로 전자기파(電磁氣波)이지요! 그런데 순간적으로 대전류를 차단하는 경우에는 "dI/dt"값이 매우 커지겠지요! 전류값은 크고 그 전류를 차단하는 시간(dt)은 매우 짧으니까 전류의 시간에 대한 변화율이 매우 커지게 되겠지요. 그러면 전류에 의해서 발생하는 전기장의 시간당 변화율도 커질 것이고, 전기장에 의해서 유기되는 자기장의 시간당 변화율도 같이 커질 것입니다. 여기서 같이 생각을 해 봅니다. 자기장의 시간당 변화율이 커지면 전류를 차단하는 지점 즉 차단 부위의 전극 간에 유기되는 기전력이 매우 커지겠죠! 이러한 원리로 순간적으로 아주 커진 기전력이 대전류를 끊는 부분에서 발생하게 됩니다. 전원 측의 전압보다도 매우 큰 전압이 차단 지점의 양전극에 유기되게 되는 것입니다. 이 과도 전압이 바로 "개폐 서지"가 되는 것입니다. 이 개폐서지를 차단기에서는 그 구조상 "소호"하여 완화 및 억제를 해줄 수 있지만, 단순한 커버나이프 스위치 기능을 하는 단로기(분리 스위치)에서는 개폐 서지에 대한 보호 기능이 아무것도 없습니다. 그래서 개폐 서지 전압에 의해서 단로기를 여는 순간에는 다음과 같은 현상이 발생하게 됩니다.

1. 공기 중에서 단로기의 접접이 열리는 순간 단로기의 극간에는 개폐 서지현 상으로 인한 매우 큰 과도 전압이 유기되게 됩니다(발생한 과도 전압이 단로기의 전원 측 전압과 중첩되는 사이클에서는 더더욱 강화되겠죠!)

2. 이로 인해 개극 간(開極間)의 공기 절연이 파괴되어 극간에 아크방전이 일어납니다.(고열 발생 극 표면 손상 유발)

3. 아크 방전으로 인해서 양극의 주변으로 공기 중의 전기 전달 이온이 활성화되게 됩니다.

4. 공기 중의 활성화 이온을 통해서 아크 방전이 확산되어 상간에 아크가 매개가 되는 단락 현상이 발생하게 됩니다.

5. 단락 대전류가 흐르면서 전력계통의 과전류 보호장치가 동작하여 차단기를 개방하게 됩니다.

위의 수순으로 OCR이 동작하여 차단기를 trip 동작시킨 것입니다. 여기서 명심해야 할 것이 하나 있습니다. 아크 단락이 발생한 단로기의 전극은 이미 손상이 된 상태입니다. 우리가 사용하는 단로기나 차단기의 접점 부위에는 도금이 되어 있습니다. 접촉면에서 전류가 잘 통전할 수 있도록 접촉면을 표면상태를 균일하게 하고 전류가 잘 통하는 은이나 백금 종류로 도금을 해두는 것입니다. 단락 아크가 발생한 단로기의 극은 표면이 손상되어 현미경으로 그 표면을 살펴보면 울퉁불퉁한 상태로 변해져 있을 것입니다. 지금은 정상적으로 문제가 없는 것 같지만, 그 부위의 접촉 저항에 의해서 단로기는 지속적으로 열화되어 사고로 이어질 수 있으니 보수 또는 교체를 하여야 합니다.