MCCB(배선용 차단기)의 원리와 용도 – 전장설계 기초 교육 Part1

1. MCCB(배선용차단기) 원리와 용도

출처:LSELECRTIC

1.1. MCCB(배선용차단기) 원리

MCCB는 Molded Case Circuit Breaker의 약어로, 절연 된 케이스 내부에 있는 전기 회로 차단기입니다.

일반적으로 저압 전기 시스템에서 사용되며, 과부하, 단락 및 지락 등과 같은 전기적 위험으로부터 회로를 보호합니다.

일반적인 배선용 차단기는 열동전자식 Type 을 사용하고 있습니다. 동작원리에서는 열동전자식 Type 으로 설명 드리겠습니다. 그 외적으로 완전전자식과 전자식이 있지만 가격대가 비싸고 원가적인 부분으로 잘 사용하지 않습니다.

출처:한국미쓰비시전기오토메이션(주)

열동전자식은 서로 다른 두 종류의 금속을 맞대어 ‘바이메탈(Bimetal)’ 원리로 사용 합니다.

열팽창률이 서로 다른 물질을 사용하여, 일정량의 전류가 흐르게 되면 휘는 성질을 이용한 것으로 전류가 흐르기 전에는 평평하다가 전류를 흘려주어 일정 온도보다 높아지면, 휘는 성질으로 Trip bar 를 동작시켜 전류 공급을 차단합니다.

Trip 상태가 되면, 차단기의 스위치는 가운데에 위치하고 있고, Off로 차단기 스위치를 내린 후, ON 으로 다시 올리면, 정상 동작 합니다.

• 배선용 차단기는 대부분 ‘열동형 전자식 Type’ 을 사용.
• Trip 동작의 핵심 부분은 과전류가 흐를시 ‘바이메탈(Bimetal)’이 동작.

1.2. MCCB(배선용차단기) 용도

출처:LSELECRTIC

위 그림 중 그래프가 하나 보이는데요, 그래프가 뜻하는 것은 배선용 차단기의 Trip 곡선 입니다. Trip 곡선은 차단기가 여러 종류가 있지만, 배선용 차단기(MCCB)를 사용해야 하는 경우가 있습니다.

추가 설명으로, 회로 보호용 차단기와 다른점은 (크기, 사이즈, 정격차단전류를 제외) 가장크게 다른점은, 위 그래프와 다르게 동작 특성이 다릅니다.
[회로 보호용 차단기 설명 글]

• 회로 보호기 차단기와 차이점은 동작 특성이 다름.
• 동작 특성이 달라 차단하는 대상(용도)이(가) 다름
• 결론: 동작 특성에 따라 차단하는 대상이 다름.

1.2.1. 유도성 부하

Motor 같은 즉, 코일이 있는 부하에 사용됩니다. 앞 써, Trip 곡선에 말씀 드렸는데, 코일이 있는 부하인 경우, 전류와 90도 차이가 있습니다. “이게 무슨 말이냐?” 라고 말씀하실 수 있습니다.

아주 쉽게 설명 드리면, 자동차를 0km/h 에서 100km/h로 가속하는 경우와, 100km/h 유지하는 경우 같은 시간으로 보았을 때, 어떠한 경우가 전류가 더 소비 될까요? 당연히 첫 번째 경우 입니다.

즉, 유도성 부하인 경우, 일정한 속도로 움직여야 하는데 0부터 등기속도까지 움직여야 하기 때문에 초기 전류가 많이 소비 됩니다. 통상적으로 1~2초 이내에 정격 전류의 약 6~7배 정도 전류가 소비 됩니다.

자 그럼 다시 Trip 곡선을 볼까요? 자세히 보시면 아래는 정격전류의 배수를 뜻하고, 왼쪽은 시간을 뜻합니다. 그리고 파란 곡선에 만나는 지점이 Trip 이 된다는 건데요, 예를 들면, 정격 전류가 30A 인 Motor 가 있고, 해당 Motor 를 가동 했을 때, 해당 모터는 1~2초 이내에 약 210A까지 흐르게 됩니다. “그럼 차단기가 떨어지지 않나요?” 라고 말씀하실 수 있지만, 30A 기준 Trip 곡선을 보시면 최소 7배(210A)까지는 1초 동안 견디고, 5배(150A) 까지는 2초까지 견디게 설계 하였습니다.

그러므로, 유도성 부하에는 배선용 차단기(MCCB)를 사용하는 것 입니다.

※ 용량선정시 유도성 부하에는 위와 같은 특성으로 인해 보통 부하의 정격전류 X 1.5배를 적용하여 선정합니다.

• 배선용 차단기는 주로 유도성 부하(코일)에 사용.
• 유도성 부하는 초기 기동시 정격 전류의 6~7배 흐름.
• 배선용 차단기의 Trip 곡선은 유도성 부하의 특성에 맞춰 설계 및 제작.
• 용량 선정시 유도성 부하에는 초기 기동 특성으로 인해 정격전류의 보통 1.5배를 적용.

1.2.2. 메인 차단기

제가 처음에 신입 사원이 오면 집에 있는 두꺼비집(가정용 전기 차단 BOX)를 사진 찍어오라고 합니다.

출처:”https://opentutorials.org/module/4391/26940″

위 이미지를 보시면 메인 차단기는 MCCB(배선용차단기)로 되어있고, 나머지는 누전차단기로 구성되어 있습니다.

신입사원에게 “이게 왜 그럴까?” 라고 질문을 한다면 10의 9명은 제대로 대답을 하지 못합니다.

반대로 생각해 보시면 됩니다. 메인 차단기를 누전 차단기로 구성하고, 나머지 차단기를 배선용 차단기로 구성 하였을 때, 누전이 발생되면, 메인 차단기가 떨어지겠죠? 그럼 분배되어 있는 차단기는 떨어지지 않습니다.

즉, 어디에서 누전이 발생되었는지, 분배된 차단기에서 차단이 되어 해당 구간을 점검해야 하는데, 누전차단기가 메인에 있으니, 누전 발생 시, 메인차단기가 차단되어 전체 구간을 점검해야 하는 상황이 나옵니다.

또한, 메인 차단기는 정격차단전류가 중요합니다. 정격차단전류 란, L1, L2, L3 의 3상 전기가 들어온다고 가정했을 때, L1, L2 가 단락이 된다면…… 상상만 해도 무서운 경우인데요. 간단히 계산해보면 됩니다. “전압 V = IR, 전류 I = V/R, 저항 R = V/I” 이라는 공식은 전기를 조금이라도 관심을 가지시거나 수업을 들으셨다면, 아시는 부분인데요. 대입을 해보겠습니다.

“I = 220V/R” 에서 “R” 은 전선은 구리 이므로 저항 값이 있긴 있지만, “0” 에 가깝습니다. 그렇다면 극단적인 계산으로 “I = 220V/0” 즉, “I=∞” 으로 매우 높은 A가 흐르게 됩니다. 그러므로, 정격차단전류”kA” 가 다른 차단기 보다 높은 배선용 차단기를 사용하게 됩니다.

• 누전 차단기는 각 선로의 누전 여부를 파악하기 위해, 메인 차단기로 사용 X.
• 메인 차단기는 단락전류로 인해 단락전류(kA) 가 높은 배선용 차단기 사용.

1.2.3. 전원 분배

메인 차단기에서 다른 곳으로 분배할 때 사용합니다. 

분배 하실 때, 주의 할 점은 [SMPS의 원리와 용도 글]에서 설명이 되었지만, 30V 초과인 전압은 (공급받는 ‘Panel’에서) 위험 전기로 분류되어 기계적으로 ‘Pad lock’ 장치가 되어 있어야 합니다.

• 기구적으로 전원을 차단하고 Panel 내부에 진입 하는 구조.

분배할 시, 예를 들면, “1번 장비 GPS Power” “Controller Power” 등 전원을 분배 할 때, 사용됩니다.

• 보통 AC 전압를 분배 할 때, 배선용 차단기를 이용하고, DC 전원(ex: DC24V) 은 회로 보호용 차단기를 이용.