회로 차단기

이번 주제의 배경은 아래와 관련하여 여러분들에게 보탬이 되는 것입니다.

  • 회로 차단기에 대해 전반적으로 익숙해 지기.
  • 다양한 회로 차단기 유형들의 장점과 단점을 확인하기.
  • 회로 차단기 선정 시의 일반적인 실수들을 알아보고 예방하기.

회로 차단기 - 회로 차단기는 과부하나 단락에 의한 손상으로부터 회로를 보호하기 위해 설계된 자동으로 동작하는 전기 스위치입니다. 기본적인 기능은 결함 조건을 감지하여 “즉시” 전기의 흐름을 차단하는 것입니다. 한번 작동하면 교체해야 하는 퓨즈와는 달리, 회로 차단기는 리셋하여 정상 동작을 재개할 수 있습니다.

회로 차단기 대 퓨즈

  • 회로 차단기는 회로 차단 후 쉽고 빠르게 리셋이 가능해서 회로 고장을 바로 잡을 수 있습니다. 퓨즈가 끊어진 경우에는 교체용 퓨즈가 바로 준비되어 있지 않을 수 있습니다.
  • 회로 차단기는 운영자의 실수를 예방하는데 도움이 됩니다. 퓨즈를 사용하는 경우에는 잘못된 값의 퓨즈를 삽입할 수도 있으며, 이 경우 퓨즈가 조기에 끊어지거나 잘못으로 인해 회로에 손상을 줄 수도 있습니다.
  • 회로 차단기는 초기 비용이 높을 수 있지만 하나의 장비에 발생하는 오류의 수에 따라 시간이 흐를수록 큰 비용 절감 효과를 볼 수 있습니다.
  • 일부 회로 차단기는 회로 보호 외에 스위칭이나 표시같은 기능들을 수행할 수 있습니다. 예시 - 어떤 회로 차단기는 회로 보호기 뿐만 아니라 전원 스위치로도 사용될 수 있습니다. 반면, 퓨즈가 사용된 회로에서는 별도의 전원 스위치가 항상 필요합니다.
    이 글도 참고 바랍니다: 회로 보호 소자들의 차이점

회로 차단기의 유형

  • 자기
  • 유압 지연식 자기
  • 열 자기

  • 열 회로 차단기는 열에 반응하는 바이메탈 스트립 또는 디스크를 내장하고 있습니다.
  • 차단이 되려면 온도가 올라가야 하기 때문에 예측 가능한 지연이 있을 수 있습니다.
  • 이 유형의 차단기는 안전한 일시적 서지와 지속적인 과부하를 분별하는 특성 곡선이 비교적 느립니다.
  • 열 차단기는 전기 모터, 변압기 그리고 솔레노이드와 같은 부품의 시동 시 높은 돌입전류가 수반되는 기계류나 차량에 적합합니다.

열 차단기 동작

  • ON 상태에서 전류는 바이메탈 판을 통해 흐를 것입니다. 전류 량이 너무 높으면 바이메탈이 가열 및 수축하여 접점이 개방되면서 전류의 흐름을 차단하게 됩니다.
  • 접점이 개방되면, 개방 상태를 유지할 수 있도록 접점 사이에 절연체가 끼어들게 됩니다(따라서 온도가 낮아짐에 따라 스스로 리셋 되지 않음). 차단기가 수동으로 리셋 될 때까지 이 상태를 유지할 것입니다.
  • 작동 방식을 보면, 주변 온도가 정격 차단 전류를 낮추거나 올릴 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 이는 용도에 따라 좋게 여겨질 수도 있지만 나쁘게 여겨질 수도 있습니다.
    image

자기

  • 자기 회로 차단기는 솔레노이드를 통해 동작합니다. 접점을 개방 시키는 내부 전기자를 움직이기 위해 전자기력을 이용합니다.
  • 자기 차단기는 임계 전류에 도달하자 마자 즉시 차단됩니다.
  • 이 유형의 차단기는 제어 어플리케이션에서의 임펄스 차단이나 인쇄 회로 기판 어플리케이션에 적합합니다.

유압 지연식 자기

  • 종종 자기 회로 차단기는 전류 서지에 내성을 갖기 위해 유압 지연을 넣기도 합니다.
  • 유압 지연식 회로 차단기는 중력이 솔레노이드의 움직임에 영향을 미치지 않도록 가급적 수평으로 설치되어야 합니다. 수평이 아닌 곳에 설치할 경우 디레이팅이 필요할 수 있습니다.

자기 차단기 동작

  • 코일을 통해 흐르는 전류가 피스톤/코어를 위아래로 움직이도록 만듭니다. 정격 전류 이상이 되면 코어는 특정 지점을 넘어 이동하게 될 것입니다. 코어가 "극편(Pole Piece)"과 특정 간격 이내가 되면, 전기자를 움직일 수 있을 정도로 전자기력은 충분히 강력해져서 결과적으로 접점을 개방 시키게 됩니다.
  • 유압 지연식 자기 차단기의 설계는 완전히 동일하지만 한 가지 주요한 차이점이 있습니다. 단순한 자기 차단기에서는 코어의 이동에 저항을 거의 받지 않도록 하기 위해 코어가 공기 중에 떠 있습니다.
  • 유압 지연식 부품은 일종의 유체(fluid)가 코어를 둘러싸고 있습니다. (유체의)점도가 높을 수록 지연 시간이 길어집니다.
    image
    image

열 자기

열 회로 차단기와 자기 회로 차단기의 장점을 합친 것입니다: 정상적인 돌입 전류에 의한 불필요한 차단을 방지하는 지연과 높은 임펄스 전류에 대한 빠른 응답.

높은 과전류는 솔레노이드가 해제 장치를 빠르게 발동시키도록 하는 한편, 열 장치는 지속적인 낮은 과부하에 반응합니다.

값비싼 전기 시스템의 빠른 단락 보호를 제공하는 동시에 시스템 동작이 중단되는 위험을 최소화하는 특유의 2단계 차단 프로파일을 가지고 있습니다.

열 자기 동작

  • 열 자기 차단기는 다른 두 가지 기술이 결합되어 있습니다.
  • 정격 전류 이하에서 작동할 경우 바이메탈 소자는 움직이지 않을 것입니다. 그리고 코어는 차단기가 동작할 만큼 충분하게 끌어당기지 못할 것입니다.
  • 하지만 열 차단기처럼 주변 온도의 높은 상승과/또는 약간의 전류 상승은 차단기를 동작 시킬 수 있습니다(그림 B).
  • 또한 자기 차단기처럼 전류가 빠르게 증가할 경우 차단기는 지연없이 차단될 것입니다.
    image
    image
  • 즉각적인 차단이 필요하거나 높은 주변 온도가 제품에 부정적인 영향을 줄 수 있을 때 이러한 요소들로 인해 열 자기 회로 차단기가 올바른 선택이 될 수 있습니다.

차단 프로파일

아래는 각 회로 차단기 유형이 차단되는 방법에 대한 사진입니다.

image

가격

대부분의 경우 열 회로 차단기가 단연코 가장 저렴할 것입니다. 그 다음으로는 자기 회로 차단기입니다. 가장 비싼 것은 유압 지연식 자기 차단기와 열 자기 차단기입니다. 그러나 밀봉, 접점 정격, 구성 물질, 물리적 크기 등과 같은 사양들에 따라 가격은 달라질 것입니다.

회로 차단기를 정할 때 하는 일반적 실수들

사용에 부적합한 회로 차단기를 지정

  • 설계 엔지니어가 가장 많이 저지르는 실수는 사용에 부적합한 회로 차단기 기술을 지정하는 것입니다. 설계자들은 차단 프로파일과 차단기가 적용되는 환경에 대해 알아야 합니다.

돌입 전류나 과도 전류에 의해 발생하는 불필요한 차단을 방지하기 위해 너무 높은 정격을 지정

  • 엔지니어들은 불필요한 차단을 방지하기 위한 방안으로 퓨즈의 크기를 키우곤 합니다. 하지만 회로 차단기의 크기를 키울 필요는 없습니다.
  • 퓨즈의 정격과는 달리, 회로 차단기의 정격은 회로 차단기가 주변 실내 온도에서 지속적으로 유지할 수 있는 최대 전류를 말합니다. 따라서 10A 회로 차단기는 불필요한 차단없이 10A 전류를 유지할 수 있습니다. 사실 느린 차단 특성(slow trip profile)을 가지는 일반적인 4A 회로 차단기라면 불필요한 차단없이 일시적인 10A 전류 서지는 견딜 것입니다.
  • 주로 모터, 변압기, 솔레노이드 그리고 큰 커패시터들과 같은 특정 전기 소자들과 관련이 있는 돌입 전류에 의해 종종 불필요한 차단이 발생합니다. 이런 경우, 설계자는 지연을 가지는 회로 차단기를 지정할 필요가 있습니다.

설계 시 간격을 두지 않음

  • 온도 보상이 되지 않는 열 회로 차단기들 간의 권장 최소 간격 요건을 유지하는 것은 중요합니다.
  • 요구되는 차단기 간격은 1mm에 불과한 경우가 많습니다. 이 작은 열 간극이 없으면 회로 차단기의 온도가 올라가서는 바이메탈 트립 메커니즘의 민감도를 상승시킬 수 있습니다.
  • 차단기가 서로 붙어야 한다면, 제조사들은 정상 전류 정격의 80% 정도로 감소시키길 권장합니다(제조사 규격서에는 지정된 디레이팅 정보가 있어야 합니다).

디레이팅 하지 않음

  • 경험상 회로 차단기의 정격은 부하의 100퍼센트에 준해야 합니다. 하지만 일부 어플리케이션에서는 회로 차단기가 고온 또는 저온에서 지속적으로 동작하길 바랍니다.
  • 이런 경우 제조사의 디레이팅 지침을 따르시기 바랍니다. 예를 들어, 10A 보호를 필요로 하는 어플리케이션이 50°C에서 동작하고 있다면 12A 정격의 열 회로 차단기가 필요합니다.

불필요한 디레이팅

  • 열 회로 차단기의 성능은 주변 온도의 변동에 민감합니다. 추운 환경에서는 보다 높은 전류에 차단되고 더운 환경에서는 보다 낮은 전류에 차단됩니다.
  • 한 가지 일반적인 실수는 주변 온도의 상승을 체감할 수 있는 환경에서 열 회로 차단기는 디레이팅이 필요하다고 짐작하는 것입니다.
  • 동일한 열원에 노출되었다고 가정하면 실제로는 열 회로 차단기의 성능은 시스템의 성능 요구에 따라갑니다. 예를 들어, 모터 권선은 동일한 권선이 20°C에서 필요한 것보다 90°C에서 과열되지 않도록 더 많은 보호가 필요합니다. 콜드 모터는 시동을 걸려면 더 많은 돌입 전류가 필요하므로 추운 날에는 지연이 길수록 유리합니다.

고진동 환경 용 회로 차단기의 잘못된 유형 지정

  • 일반적으로 자기 회로 차단기의 트리거는 자기 코일의 움직임에 반응하여 닫히는 여닫이식의 메탈 전기자입니다. 이런 설계가 자기 회로 차단기(와 자기 유압 회로 차단기)를 특히 진동에 취약하게 만듭니다.
  • 대조적으로, 일반적인 열 회로 차단기는 열 구동 소자(thermal actuator)와 기계적인 걸쇠(mechanical latch)로 구성됩니다. 그래서 열 회로 차단기는 충격과 진동에 대한 내성이 높습니다. 자기 회로 차단기가 어플리케이션에 가장 적합한 유형일 경우 푸쉬-풀 스타일의 구동 소자를 사용하여 진동 저항을 개선할 수 있습니다. 이 유형의 구동 소자는 걸쇠가 설계되어 있습니다.


영문 원본: Circuit breakers