제115회 건축전기설비기술사

우변전설비에서 단락전류 증가 시 문제점과 억제대책

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1. 개요

1.1 배경

전력수요의 증가에 따른 계통 용량 확대, 분산전원(태양광·ESS·연료전지) 보급 확산, 수용가 자가발전설비 설치 증가 등으로 인해 우변전설비(수용가 측 수전설비)에 유입되는 단락전류가 지속적으로 증가하고 있다. 이는 전력기기의 열적·기계적 한계를 초과할 위험을 야기하며, 차단기·보호계전기의 동작 신뢰성에도 영향을 미친다.

1.2 단락전류의 정의

단락전류란 전력계통의 절연 파괴, 오결선 등으로 인해 임피던스가 거의 0인 상태에서 흐르는 과도적 대전류를 말하며, 대칭분과 직류 감쇠분으로 구성된다.

$$i(t)=I_{ac}\sqrt{2}\sin (\omega t+\alpha -\varphi )-I_{ac}\sqrt{2}\sin (\alpha -\varphi )e^{-t/\tau }$$

여기서 $\alpha$: 전압 초기위상각, $\varphi$: 계통 임피던스각, $\tau =L/R$: 시정수

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2. 이론·원리

2.1 단락전류 기본 계산

3상 단락전류의 대칭분(실효값)은 다음과 같다.

$$I_s=\frac{V}{\sqrt{3}\cdot Z_s}\text{ [A]}$$

퍼유닛(PU)법으로 표현하면:

$$I_s=\frac{I_n}{\%Z/100}=\frac{P_n}{\sqrt{3}\cdot V_n\cdot (\%Z/100)}\text{ [A]}$$

여기서 $P_n$: 기준용량 [VA], $V_n$: 기준전압 [V], $\%Z$: 계통 합성 퍼센트임피던스

2.2 비대칭 첨두전류 (Peak Current)

$$i_{peak}=\kappa \cdot \sqrt{2}\cdot I_s$$

여기서 $\kappa$: 비대칭계수 (IEC 60909 기준 최대 $\kappa =2.0$, 통상 1.02 ~ 2.0)

$$\kappa =1.02+0.98e^{-3R/X}$$

2.3 단락전류 증가 원인 분석

증가 원인	메커니즘
계통 공급 용량 증대	전력회사 전원 임피던스 감소 → $Z_s$ 감소 → $I_s$ 증가
변압기 병렬 운전	합성 임피던스 감소
분산전원 연계	추가 전류 공급원 형성
전압 승격	동일 용량에서 선로전류 감소하나 단락용량 증가
수전 전압 및 케이블 굵기 증가	계통 임피던스 감소

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3. 단락전류 증가 시 문제점

3.1 기기의 열적 손상 (Thermal Stress)

단락 시 도체에서 발생하는 열량은 다음과 같다.

$$Q=I_s^2\cdot R\cdot t_k\text{ [J]}$$

여기서 $t_k$: 단락지속시간 [s]

• 변압기: 권선의 허용 단락시간 초과 시 절연 열화 및 소손
• 케이블: IEC 60364 및 KEC 기준 단락 시 도체 최고허용온도 초과 위험
  • XLPE 절연케이블: 허용 단락온도 250°C
  • PVC 절연케이블: 허용 단락온도 160°C
• 모선(Bus-bar): 열팽창 및 접속부 산화·용융 위험

3.2 기기의 기계적 손상 (Mechanical Stress)

단락전류에 의한 전자기력은 다음과 같다.

$$F=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\cdot \frac{i_{peak}^2\cdot l}{d}\text{ [N]}$$

여기서 $l$: 도체 길이 [m], $d$: 도체 간격 [m]

• 변압기 권선: 첨두 단락전류에 의한 축방향·반경방향 전자기력으로 권선 변형
• 모선 지지애자: 굽힘 응력 초과 시 파손
• GIS·배전반 내부: 기계적 공진, 부스바 이탈 위험

3.3 차단기 차단 능력 부족

$$S_{sc}=\sqrt{3}\cdot V_n\cdot I_s\text{ [VA]}$$

• 기설치 차단기의 정격차단전류 ($I_n$) 초과 시 차단 불능 → 폭발·화재
• KEC 212.3 기준: 차단기 차단용량 ≥ 설치점 단락전류 × 계통전압

3.4 보호계전기 협조 불량

• 단락전류 증가 시 계전기 동작영역 중첩 → 선택차단 불능
• CT(변류기) 포화 → 보호계전기 오동작

3.5 전압강하 및 플리커 확대

• 단락 발생 순간 계통 전압 급강하 → 인근 부하설비 오동작
• 반복 단락 시 전압 플리커 문제 발생

3.6 통신 및 제어설비 장애

• 단락 시 발생하는 전자기적 노이즈(EMI)가 통신·제어 케이블에 유도장해 유발

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4. 단락전류 억제대책

4.1 임피던스 증가 방식

(1) 한류 리액터 (Current Limiting Reactor) 설치

$$I_s^{\prime }=\frac{V}{\sqrt{3}(Z_s+X_L)}\text{ [A]}$$

• 계통 임피던스에 직렬로 리액터 삽입
• 장점: 확실한 억제 효과 / 단점: 평상 시 전압강하, 손실 발생
• 설치 위치: 주변압기 2차 측 모선 또는 피더 구간

🖼 [그림] 한류 리액터 설치 위치 및 단선 결선도 (주변압기 2차 측 모선 및 피더 적용 예)

(2) 고임피던스 변압기 채용

• 변압기 %Z를 표준치(56%)보다 높게 설계 (710%)
• 신설 설비에 적용 용이, 기존 설비 교체 시 비용 발생

(3) 분할모선 운전 (Bus Section 분리)

$$I_s^{(분할)}=\frac{1}{2}\cdot I_s^{(병렬)}\text{ [A (대략)]}$$

• 모선을 구간별로 분리 운전하여 단락전류 공급 회로 수 감소
• 단점: 모선 간 전력융통 불가, 부하 불평형 발생 가능

4.2 한류 퓨즈 및 고속 차단방식

(1) 한류형 퓨즈 (Current Limiting Fuse)

• 단락전류가 첨두에 도달하기 전에 용단하여 통과전류 억제
• 저압(600V 이하) 및 고압(6.6kV) 계통 분기회로에 적용

(2) Is-limiter (단락전류 제한기)

• 단락전류 감지 즉시 ($<1\text{ ms}$) 폭발 방식으로 한류 삽입
• 대용량 수변전설비 모선 연결부에 적용

4.3 계통 구성 변경

대책	내용	적용 조건
수전 전압 승격	고전압 수전으로 임피던스 증대	신설 또는 대규모 증설
변압기 분산 설치	단일 대용량 → 다수 소용량 분산	부하 분산이 가능한 경우
루프 계통 → 방사상 변경	단락전류 공급 경로 단순화	공급신뢰도 허용 시
분산전원 계통 연계 방식 변경	인버터 한류 기능 활용	신재생에너지 설비

4.4 차단기 및 보호기기 교체·증설

• 차단기 차단용량 적정 선정: 설치점 단락전류 계산 후 여유율 확보
  • 통상 계산값의 120% 이상 차단용량 선정 권장
• CT 비 및 보호계전기 정정값 재검토
• 디지털 보호계전기(Numerical Relay) 도입으로 협조 정확도 향상

4.5 초전도 한류기 (SFCL: Superconducting Fault Current Limiter)

$$Z_{SFCL}=\{\begin{array}{ll}0& (정상상태)\\ Z_{quench}\gg 0& (단락시퀀치발생)\end{array}$$

• 정상 시 임피던스 = 0 (초전도 상태), 단락 시 퀀치(quench) 발생으로 고임피던스 전환
• 장점: 평상 시 전압강하·손실 無, 자동 복구
• 단점: 고가, 냉각 시스템 필요 → 현재 실증 단계

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5. 실무 적용 시 고려사항

5.1 단락전류 계산 절차

1. 전력회사 수전 측 단락용량($S_{sc}$) 확인 (한국전력 기술기준)
2. 계통 내 모든 임피던스 요소 환산 ($Z_{sys}$, $Z_{tr}$, $Z_{cable}$)
3. 합성 임피던스 산출 → 단락전류 계산 ($I_s$, $i_{peak}$)
4. 기기 정격과 비교 → 여유율 검토

5.2 KEC 관련 기준 적용

기준 항목	내용
KEC 212.3	과전류 보호장치 차단용량 = 설치점 단락전류 이상
KEC 232.4	케이블 단락 시 허용온도 기준 적용
KEC 341	특고압 수전설비 차단기 선정 기준

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6. 결론

단락전류 증가는 수변전설비 전반에 걸쳐 열적·기계적 손상, 차단 불능, 보호협조 불량 등 복합적이고 연쇄적인 문제를 유발한다. 억제대책은 단순히 차단기 용량을 높이는 수동적 대응에서 벗어나, 계통 구성 단계에서 임피던스를 적정 수준으로 유지하는 근본적 설계 접근이 필요하다.

기술사로서는 다음 사항을 권고한다.

1. 설계 초기 단계에서 단락전류 상세 계산을 실시하고, 계통 확장을 고려한 여유율 확보
2. 한류 리액터 또는 분할모선 운전을 기본 억제수단으로 우선 검토
3. 디지털 보호계전기 및 Is-limiter 적용으로 차단 신뢰성 향상
4. 분산전원 확대에 따라 양방향 단락전류 유입 경로를 반드시 검토
5. KEC 및 IEC 60909 기준에 따른 주기적 단락용량 재계산 및 기기 적정성 검토를 정기 점검 항목에 포함

단락전류 관리는 전력설비의 안전성·신뢰성 확보의 핵심이며, 계통 환경 변화에 능동적으로 대응하는 설비 운영 전략이 요구된다.