차단기 제어 Sequence

이 봉 희 <한전 서울연수원 교수>

1. 서론  차단기(遮斷器)는 평상시의 부하(負荷) 전류나 무부하(無負荷)선로의 충전(充電)전류 등을 지장없이 통전(通電), 개로(開路)는 물론, 전로(電路)의 고장(故障)발생시에 고장전류를 차단하여 고장전류를 건전(建全)선로에서 분리하기 위하여 사용된다.  차단기의 제어회로(制御回路)는 보호계전기의 지령(指令)에 의하여 차단기를 개폐(開閉)시키며 보호계전기 계전(繼電)방식과 차단기의 조작(操作)방식에 따라 다양한 Sequence회로를 구성하고 있다.  차단기의 Sequence회로는 동작특성상 Trip free 및 Anti-Pumping이라는 특별회로를 구비하고 있으며 각종 차단기에 사용되는 회로를 분류(分類)하면 표시등(表示燈)회로, 변류기 AC회로(CT회로), Control DC 회로, AC 회로, 경보(警報)회로(Announciator)로 나누어 진다.  그러므로 본고(本考)에서는 Sequence를 이해하기 위한 기본회로(基本回路), 차단기Sequence의 특성(特性), 차단기 종류별 Sequence에 대한 소개(紹介)를 하고자 한다.

2. sequence의 基本回路  가. Sequence 회로의 구성(構成)기기  Sequence회로를 구성하는 기기에 따라 분류하면 유접점(有接點)회로와 무접점(無接點)회로로 나눌 수 있다.    ① 유접점회로: 푸시버튼 스위치, 전자개폐기, 보조계전기, 타이머 등의 접점으로 Sequence회로가 구성된다. 기구의 수명(壽命)                   이 문제가 되는 경우에 적용되며, 현재 차단기의 고장보호(故障保護)회로는 유접점회로를 사용하고 있다.    ② 무접점회로: AND, OR, Memory 등의 무접점 계전기에 의해 Sequence회로가 구성된다. 운전빈도(頻度)가 높고 제어회로 규모가                   큰 경우에 사용된다.  나. 접점의 종류(種類)와 기능(機能)  Sequence제어란 미리 정해진 순서(順序) 또는 일정한 방법(方法)에 의해서 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계(段階)를 순서에  따라 실행해 가는 제어를 이른다.  Sequence제어는 대상(對象)설비를 조작(操作), 제어(制御), 감시(監視)하는 방식에 따라 제어장치를 구성하며 그 접점의 조합  (組合)에 의하여 회로를 실행하는 것이다.  접점의 종류에는 접점을 동작(on/off)시키는 힘의 종류에 따라 전기적(電氣的), 기계적(機械的), 수동(手動)접점이 있고 접점  동작에 따라 "a"접점과 "b"접점, "c"접점으로 구성된다.   1> 접점 동작력(動作力)에 따른 분류    ① 전기적 접점: 코일에 의한 자력으로 접점을 변경(變更)(보조계전기, 배선용차단기 등)    ② 기계적 접점: 유압(油壓), 수압(水壓), 공기압(空氣壓) 또는 기계적(機械的) 위치의 변경에 의해서 접점을 변경(Limit S.W,                    차단기접점 52a, 52b 등)         ③ 수동접점: 사람의 조작에 의해 접점을 변경(Push Button S.W, Control S.W)   2> 접점 동작(動作)에 따른 분류       ① "a"접점: 평상시에는 접점이 on상태이며 여자(勵磁)되거나 동작상태에서 on되는 접점    ② "b"접점: 평상시에는 접점이 on상태이며 여자되거나 기계적 동작이 이루어졌을 때 Off되는 접점         ③ "c"접점: 기구(器具)구조상 a접점과 b접점이 함께 있는 것으로 1조의 접점에서 a접점, b접점의 공통(共通)단자가 있어 양측                접점을 사용할 때에는 전원(電源)결선에 주의(注意)가 필요하다.  다. Sequence의 기본회로   1> AND회로   이 회로(回路)는 <그림2>와 같이 접점A, B,C 3개가 동작하면 보조계전기 R이 동작되어 보조(補助)계전기 R의 "a"접점이 동작하여   적색표시등을 점등하기 위해서는 동작조건(條件)중 A,B,C 어느 하나라도 동작되지 아니하면 점등되지 않는다.   차단기 제어(制御)회로에서도 Closing 또는 Trip을 위한 조건을 주기 위하여 접점을 설계할 때 사용되는 기본(基本)회로이다.                                <그림1 접점의 종류>                             <그림2 AND 회로>   예> 가스 차단기 Trip 조건(압축공기 조작방식)    ① Trip Signal(Control S.W 또는 보호계전기)    ② 차단기 기계적 a접점 on         ③ 차단기 SF6 Gas 일정압력이상(6.0정격 5.0[㎏/㎠]이상)    ④ 차단기 압축공기 압력 일정압력이상(15.0정격 14.0[㎏/㎠]이상)   위의 4가지 조건이 모두 충족(充足)되었을 때에만 차단기 Trip이 이루어진다.                <그림3 차단기 Trip회로(AND조건)>   2> OR회로   이 회로(回路)는 <그림4>와 같이 접점 A,B,C 3개중 어느 하나라도 동작하면 보조계전기 R이 동작(動作)되어 보조계전기R의   "a"접점이 동작하여 적색 표시등을 점등시키는 회로이다.   적색표시등을 점등하기 위해서는 동작조건중 A,B,C 어느 하나라도 동작되면 점등되는 회로이다.   차단기 제어회로에서도 Trip이나 Closing Signal을 만들기 위한 접점을 설계할 때 사용되는 기본회로이다.             <그림4 OR 회로>    예> 차단기 Closing Signal성립조건    ① 현장조작 신호    ② 원방조작 신호         ③ 재폐로계전기 재투입 신호   위의 3가지 조건중 어느 하나의 신호(信號)라도 입력(入力)되면 차단기 Closing은 이루어진다.         <그림5 차단기 Closing 회로(OR 조건)>    3> 자기유지(自己維持)회로(Self-holding 회로)   유접점(有接點)회로에서 널리 사용되며 회로의 상태를 유지시키기 위한 회로의 구성(構成)이며 <그림6>의 회로에서 Push Button2   S.W를 누르면 보조계전기 X가 여자되며 보조계전기 X의 a접점에 의하여 Push Button S.W를 놓아도 X코일은 여자(勵磁)를 지속   (持續)한다.   자기유지 회로를 복귀(復歸)시키려면 Push Button1 S.W를 누름으로 복귀된다.       <그림6 Self-Holding 회로>    4> 인터록(Inter-Lock 회로)   Sequence 제어의 대상(對象)이 되는 기계가 안전(安全)하게 동작되기 위하여 Sequence동작을 저지(沮止)하거나 운전상태의 회로   를 초기(初期)상태로 되돌리는 것을 목적(目的)으로 한다.    ① 전기적 인터록: 차단기의 재폐가능조건에서만 제어회로 또는 기계적 쇄정(鎖錠)장치의 쇄정회로가 목적하는 조작이 가능                      하도록 전기회로를 구성한 것.                      예> 단로기의 경우 개방후에만 조작가능토록 회로구성    ② 기계적 인터록: 구조적인 상태에 따라 조작을 자동적으로 규제(規制)하여 개폐가능 한 경우에만 동작시키도록 회로를 구성                      한 것                      예> MCSG CB Trip상태에서만 CB Draw in/out 가능토록 회로구성

3. 차단기 sequence의 特性  가. Trip Free  Trip Free란 투입지령(投入指令)에 의하여 최소한 접촉자의 접촉(接觸) 또는 접촉자간의 Arc에 의하여 통전(通電)상태가 되었을  때, 투입지령중이라 할지라도 Trip장치의 동작에 의하여 그 차단기를 Trip할 수 있으며 또 Trip완료(完了)후라도 투입 지령이 계  속 되어도 재차 투입동작을 하지 않고 투입 지령을 해제(解除)한 후 다시 투입 지령을 주었을 때에만 비로소 투입동작을 행하는  것을 이른다.          <그림7 Trip Free 회로>   Trip Free회로의 기본회로(基本回路)는 <그림7>과 같고 그 동작 Sequence는    ㉠ 투입용 Control S.W를 닫으면 보조계전기 X가 여자되며 X-a접점에 의하여 회로는 Self-Holding되며, 차단기 Closing Coil을       여자시켜 차단기가 투입된다.    ㉡ 차단기가 투입되면 차단기 기계적 "a"접점이 닫혀 Trip Free 보조계전기 Y가 여자되며 Y-a접점에 의하여 Self-Holding되며,       Y-b접점에 의하여 X코일의 전원을 분리시킨다.    ㉢ X코일의 여자가 풀리면 관련 X-a접점들이 떨어져 Closing Coil에 더 이상 전원이 인가되지 않는다.    ㉣ 이때 Closing S.W에서 계속 Closing Signal을 인가하여도 Trip Free 보조계전기 Y에 의하여 Closing Coil에는 전원이 인가       되지 않고, Control S.W Signal을 해제하고 난 후 재투입신호를 주었을 때에만 전원이 인가될 수 있다.  나. Anti-Pumping  차단기에 투입(投入), 개방(開放)신호가 동시에 들어갔을 때 투입과 개방이 반복되는 현상(現狀)을 Pumping이라고 하는데 Anti-  Pumping 회로는 Trip이 완료된 후에도 계속해서 투입지령을 가하였을지라도 이 투입 지령을 해제(解際)하고 다시 투입지령을  주지 않는 한, 투입되지 않는 회로이며 일반적으로 Trip Free회로에 의하여 Anti-Pumping 기능(技能)을 수행한다.  다. 결상(缺相)보호회로  차단기 투입(投入), 개방(開放)시 3상 동시에 조작되지 않는 경우 Trip을 시키는 회로로 상별 조작기구가 각각 설치된 차단기  Mechanism에 적용되는 회로이다.  각 상의 투입, 개방시 결상(缺相)이 되었을 때 결상회로(缺相回路)가 구성되어 결상보호계전기(47)가 동작하여 차단기 Trip회로  를 구성한다.     <그림8 결상보호회로>

4. 차단기 種類別 sequence  가. 가스 차단기  가스 차단기는 소호(消弧)특성과 절연(絶緣)특성이 뛰어난 SF6(Super Hexafluoride)Gas를 이용하여 아크 소호를 시키는 차단기로  외형(外形)에 따라 탱크형, 애자형, 소호원리(消弧原理)에 따라 단일압력형(單一壓力型), 이중압력형(二重壓力型)으로 구분되며  조작방식에 따라 유압조작방식, 압축공기 조작방식으로 구분된다.  가스 차단기의 Sequence는 Closing Trip회로를 포함하여 표시등회로, 경보회로등으로 구성되었고, 조작방법에 따른 관련 보호 회  로가 부가(附加)되어 압추공기 및 유압관련 회로가 포함되어 구성되어 있다. 가스절연개폐장치(GIS:Gas Insulated Switch gear)  내의 차단기 제어회로(制御回路)도 이에 포함된다.   1> 압축공기 조작방식    ㉠ Trip 회로: 보호계전기 또는 원방조작 Control S.W, 현장조작 Control S.W의 Trip신호가 주어졌을 때 압축공기 압력이                  일정압력 이상일 때, SF6 Gas 압력이 일정압력 이상일 때, 차단기 기계적 "a"접점이 on(차단기투입상태)에서                  Trip Coil이 여자되어 차단기는 개방된다.    ㉡ Closing 회로: 원방조작 Control S.W, 현장조작 Control S.W, 재폐로계전기의 Closing 신호가 주어졌을 때 압축공기 압력이                     일정압력 이상일 때, SF6 Gas 압력이 일정압력 이상일 때, 보조계전기 X코일이 여자되고, X-a접점에 의하여                     회로는 Self-Holding되며 차단기 기계적 "b"접점이 on(차단기개방상태)에서 Closing Coil이 여자되어 차단기는                     투입된다.    ㉢ Trip Free회로: 차단기가 투입된 후 차단기의 기계적 "a"접점이 on되면 Trip Free 계전기 TF가 여자되어 TF-a접점은 회로를                      Self-Holding시키고 TF-b접점은 Closing회로의 52X보조계전기를 Off하면 52X-a접점에 의하여 Closing 코일의                      전원이 끊어진다.                      이때 Control S.W에서 계속 Closing Signal을 인가하여도 Trip Free 보조계전기 TF에 의하여 Closing Coil에                      는 전원이 인가되지 않고, Control S.W Signal을 해제하고 난 후 재투입신호를 주었을 때에만 전원이 인가될                      수 있다.          <그림9 압축공기 조작방식 GCB Sequence>     2> 유압 조작방식                  <그림10 유압조작방식 GCB Sequence>      유압조작방식 GCB의 조작 Sequence는 Trip회로, Closnig회로가 압축 공기방식과 유사하지만 차단기 Mechanism이 상이함으로   차단기 동작조건 회로가 다르다.   유압조작방식의 투입 동작조건회로는 위의 회로에서는 5.0[㎏/㎠] 가스압력이상일 때, 조작 유압력 275[㎏/㎠]이상일 때에만   투입조작이 가능하다.   개방 동작조건 회로에서는 5.0[㎏/㎠] 가스압력 이상일 때, 조작 유압력 260[㎏/㎠] 이상일 때에만 Trip조작이 가능하다.   차단기 상별 조작 장치가 있는 경우에는 반드시 결상보호회로를 구성하여 결상을 탐지하고 결상보호계전기(47)를 동작시켜야 한   다.  나. 유입차단기  유입 차단기는 절연유(絶緣油)를 이용하여 절연(絶緣), 유지(維持) 및 아크소호를 시키는 차단기로, 구조(構造)에 따라 탱크형과  애자형으로 구분되며, 조작방식에 따라 압축공기, 솔레노이드 조작방식으로 나누어지며, 조작 Sequence는 솔레노이드 조작방식에  의한 회로로 대표(代表)될 수 있다.    ㉠ Trip 회로: Trip신호에 의해 차단기 기계적 "a"접점이 on(차단기투입상태)에서 회로가 구성된다.    ㉡ Closing 회로: Closing 신호에 의해 보조계전기 52cz가 여자되며 52cz-a접점에 의하여 차단기 Closing Coil 52C가 동작                     되어 차단기는 투입된다.                     차단기가 투입되면 차단기 기계적 접점보다 조금 먼저 동작하는 "a"접점에 의하여 52cy가 동작하여 52cy-b접                     점에 의하여 52cz, 52cx가 차례로 전원을 상실하여 52C의 전원이 끊어진다.(Trip Free 기능)   ※ 솔레노이드 조작방식에서는 52C에 대전류가 인가되므로 회로 불량으로 전원인가가 계속될 때 NFB를 사용하여 52C 양단을      차단시킨다.   ㉢ 표시등회로: 차단기 기계적 "a"접점에 의하여 투입상태 표시로 적색등이 점등되며, "b"접점에 의하여 개방상태 표시로 녹색등                  이 점등된다.  라. 진공 차단기  진공(眞空) 차단기는 고진공(高眞空)으로 유지된 밀폐용기내에서 접점을 개리(開離)시켜 발생하는 아크를 확산(擴散) 소호하는  차단기로 주로 전동스프링 조작방식을 이용하요 조작된다. 진공차단기는 대부분 폐쇄형 금속 배전반(MCSG:Metal Clad Switch  Gear)의 차단기 Draw-in, out 회로와 연동(連動)되는 차단기 조작회로에서    ㉠ Trip 회로: Trip 신호에 의해 차단기 기계적 "a"접점 on상태에서 회로를 구성한다.    ㉡ Closing 회로: Closing 신호가 주어졌을 떄 차단기 투입스프링 조작준비 상태(52LS2 on)에서 52C 코일이 여자되어 차단기가                     투입된다.    ㉢ Trip Free 회로: 차단기가 투입된 후 차단기의 기계적 "a"접점이 on되면 Trip Free 계전기 TF가 여자되어 TF-a접점은 회로를                       Self-Holding시키고 TF-b접점은 Closing 코일의 전원을 끊는다.    ㉣ 전동모타 조작회로: 차단기 투입완료 후 전동모터 기동용 Limit S.W 52LS1가 on되어 보조계전기 52X가 동작되어 모터를 기동                          시키며, 스프링 Charging이 완료되면 52LS1이 Off되어 모터 동작이 완료된다.                                            <그림11 OCB 조작 Sequence>                            <그림12 VCB 조작 Sequence>

5. 결론

전력계통(電力系統) 운용 및 계통보호(系統保護)를 위한 차단기의 역할(役割)은 그 중요성이 점점 더해지고 있고 그 일예(一例로 1996년 8월 말레이시아에서는 차단기의 조그마한 결함(缺陷)으로 인하여 말레이시아 반도 전체 정전(停電)을 일으킨 적도 있다.  이와같은 전력계통의 차단기의 역할의 중요성과 더불어 차단기를 제어하는 제어회로의 정확한 이해는 차단기 운영체제에서 유지보수 및 응급조치 능력을 향상시키는데 중요한 부분을 차지한다고 할 수 있다.  지금까지 기술(記述)한 차단기 제어 Sequence 기본회로 및 특성, 차단기 종류별 제어회로들은 차단기 제어 시스템을 구성하는 기본원리(原理)적인 회로들이다.  차단기의 조작방식(操作方式), 소호원리(消弧原理)별 조작 회로는 다르지만 공통적인 Sequence구성은 이러한 기본 원리적인 회로에 거의가 부합(符合)된다.  따라서 이러한 차단기 회로에 대한 학습(學習) 및 연구(硏究)를 통하여 전력설비 운용 능력 향상에 기여하며, 이를 기초(基礎)로한