한류형 파워휴즈의 특성

[황상연]

파워휴즈의 허용전류, 용단전류, 동작전류 특성

1. 허용전류(허용전류 전류특성)

   1) 허용전류(허용시간 전류특성)

       파워휴즈를 정해진 조건으로 사용 시 휴즈를 열화시키는 일이 없이 그 휴즈에 흘릴 수 있는 전류와

       시간과의 관계 특성곡선이 허용전류 특성이다. 이 특성은 적용회로에 대한 휴즈의 정격전류 선정

       시 필요하다.

   2) 용단전류(용단시간 전류특성)

       휴즈에 전류가 흘러서 소자(엘리먼트)가 용단되기까지의 전류와 시간과의 관계를 나타낸 특성이

       며, 전류는 규약전류, 시간은 규약시간으로 나타낸다. 이 곡선은 시험결과의 평균치로 나타낸다.

2. 부하별 휴즈 선정방법

   1) 변압기 적용휴즈

       변압기 적용휴즈의 정격전류 선정 중에 중요한 것은 변압기의 허용 과부하로 휴즈소자가 열화되지

       않아야 하며, 변압기 투입 시 발생하는 여자돌입전류보다 휴즈의 허용시간 특성이 커야한다. 변압

       기의 2차측 단락 시 휴즈가 동작하여 변압기를 보하할 수 있어야 한다. 여자돌입전류에 대한 허용

       특성을 계산하기 위해서는 변압기 고유의 여자돌입전류의 배수와 시상수에서 실효전류와 지속시

       간을 계산하는 방법은 다음 식을 참고한다. 즉 실효전류 I = K * I0 * A, 지속시간 T = (2t-1 / 2t 의

       전류 - 시간특성과 휴즈의 허용, 동작-시간특성을 비교하여 휴즈를 선정한다.

       통상 변압기의 여자돌입전류가 정격의 10배 이내이고 돌입전류 지속시간이 0.1초 이내이며 변압기

       의 개폐가 100회 이내로 한정하여 사용 시 휴즈의 T인 정격을 참조하여 선정하면 된다.

       (휴즈 T인 정격 〉변압기 정격전류)

                           =

       변압기 보호용의 경우 1A 졍격의 휴즈를 사용하거나 이 정격은 계기용변압기의 1차단락 및 변압기

       파괴에 의한 계통보호용으로 가능하나 일부 2차측 단락보호는 아려움이 있다.

   2) 전동기 보호용 휴즈

       전동기보호용 또는 전동기의 잦은 기동에 의한 휴즈의 열화가 없도록 선정해야 한다. M형 휴즈의

       경우 통상 기동전류가 정격전류의 5배 이내로 기동시간이 10초 이하인 전동기를 기동횟수 1만회까

       지 보증하도록 KS규격에 정의되어 있으며. 제조기술과 엘리먼트 소재기술이 발달함에 따라 최대 3

       만회까지 보증하는 경우도 있다. 대부분의 전동기는 고압전자접촉기(VC)와 조합하여 사용하며 휴

       즈의 허용시간 특성과 고압접촉기의 과전류 동작 및 차단전류를 감안하여 보호협조가 가은하도록

       휴즈를 선정해야 한다.

   3) 콘덴서 보호용 휴즈

      콘덴서회로의 허용 과부하에서 휴즈는 열회되지 않고 콘덴서의 돌입전류 시간특성이 휴즈의 허용

      특성 이내가 되도록 선정한다. 콘덴서가 병렬연결로 사용될 경우 병렬회로로 부터의 유입전류에도

      휴즈는 견딜 수 있도록 선정해야 한다.

      통상 C종 정격의 휴즈는 정격전류의 70배 돌입전류가 0.002초 동안 견딜 수 있는 개폐횟수가 100회

      이상인 것으로 규정되어 있으며 C종 휴즈의 정격전류는 콘덴서의 정격전류보다 같거나 크게 선정

      한다. 0.1초 동안 지속되는 것으로 가정하여 리액터(6%, 13%)가 있는 경우 과도전류는 콘덴서 정격

      전류의 5배 전류가 0.1초동안 지속되는 것으로 가정하여 선정한다. 이상은 표준으로 적용되는 통상

      의 휴즈정격의 경우로서 부하의 특성이 상기에 언급한 것과 차이가 있을 경우 또는 반복과전류 특

      성이 더 많이 필요 시 특성곡선을 참고하거나 제조자와 상의하는 것이 좋다.

3. 한류형 파워휴즈의 한류특성

   1) 한류효과

       한류형 휴즈의 정격전류가 작을수록, 단락전류가 클수록 한류효과가 크게 나타나나. 예를들어 M형

       휴즈 5A 졍격의 경우 40㎄ 단락전류(실효치)가 흐를 경우 피크전류에 대해서 99%의 한류효과가 있

       으며, 400A 정격의 경우 10㎄ 이하의 전류에 대하여는 없음을 알수 있다. 한류형 특성곡선에서 단

       락전류를 8㎄로 가정할 때 5A 휴즈의 경우 최대전류치가 약 1.1㎄로 전류를 제한하며 20A의 휴즈

       를 사용한 경우 약 2.2㎄로 전류를 제한함을 알 수 있다. 2.2㎄는 전류피크치를 나타내며 이 전류

       를 실효치로 환산 시 0.8㎄ 수준임을 알 수 있다. 단락전류는 회로의 역률 및 단락 위상에 따라 실

       효치의 최대 2.6배의 피크전류가 발생할 수 있다. 계통의 단락전류가 40㎄ 인 경우 피크전류가 104

       ㎄가 발생이 가능하나 120A 휴즈를 사용할 경우 예상 최대피크치의 17%수준인 18㎄로 한류특성

       이 우수함을 알수 있다.

   2) 한류차단 특성

       비한류형 휴즈는 전류영점에서 차단하나 한류형 휴즈는 아크전압을 높여 전류를 한류하는 이유로

       전압 영점에서 차단이 완료된다고 할 수 있다. 따라서 비한류형에 비교하여 한류형은 과도전압이

       크게 발생할 수 있다. 그러나 휴즈는 한류차단 시 발생하는 과도전압이 사용전압의 3배 이하로 제

       한되므로 서지 얼레스터(SA)를 사용할 필요가 없다. 다음은 정격차단과 한류차단에 따른 과도전압

       발생을 비교하여 보면 소전류 차단은 과도전압이 전혀 발생하지 않는다.

       가) 정경차단

           Arc시간 중에는 대전류로 인하여 막대한 에너지가 휴즈에 흡입되며, 초기 Arc발생 수㎲ 동안은

           휴즈의 온도가 상대적으로 낮은 상태로서 에너지 흡입효과에 의한 전압상승이 매우 급상승하여

           전원전압을 초과할 수 있다. 그러나 Arc의 도전 현상으로 이러한 큰 전압의 상승은 발생하지 않

           는다. 또한 과도전압 상승은 전류재단에 따른 순간적인 전원전압이 Step에 의한 것이다. 휴즈는

           Arc발생 에너지를 흡수함으로서 역률은 회로 고유정수로 바뀌게 된다. 따라서 전류가 Zero가

           되는 시점에서는 전압이 Zero에 가까운 상태가 되어  Arc전압이 소멸되어 감으로서 과도전압은

           발생하지 않는다고 할 수 있다. 즉,  Arc전압은 회로의 TRV 조건에 따라 수㎳ 동안 이외에는 고

           려해야 할 만큼 영향을 받지 않는다.

       나) 한류차단의 경우 역률의 변화가 적어 재단시점에서 전압 Step이 상대적으로 크다. 전류재단 수

            밀리초 동안은 고온의 Arc는 통전가능 상태이며, 열 발산에 의하여 도전율은 과도전압의 시정

            수에 비교하여 서서히 감소한다.

            즉, 휴즈에서 Arc 도전율은 과도전압을 감소시키는 역활을 하며, 감소량은 회로의 고유정수에

            관련된다.

파워휴즈의 점검 및 교체

1. 휴즈의 열화정도나 남은 수명판정은 엘리먼트의 외관, 조직, 용단시험 등의 파괴시험을 하여 종합적

    으로 판단하는 도리밖에 없다. 비파괴검사의 방법으로 휴즈의 저항을 측정하여 그 초기값에 대한 변

    화를 가지고 열화되어 있는 것을 알수 있는 경우가 있으나 일부 열화는 전체의 저항에는 거의 나타나

    지 않는 경우가 있으며, 빈번하게 저항을 측정하지 않으면 열화판정이 어렵다.

    따라서 휴즈를 선정할 때 과도전류나 개폐빈도를 기준으로 제조사가 제시하는 보증 수명횟수나 특성

    으로 내용년수를 설정하여 정기적으로 점검 및 교환하는 것이 최선이다.

    즉, 과도전류를 억제하거나 과도전류에 대해 여유를 가진 휴즈를 사용 또는 고빈도 개폐에 적합한 휴

    즈를 사용하고 그 교체주기를 지키는 것이 안정적인 사용법이다. 그 교체주기를 지키는 것이 안정적

    인 사용법이다. 한류형 휴즈는 과전류 보다는 단락보호가 주요 목적인 점을 간과하고 소전류에 대한

    보호를 겸할 목적으로 충분치 않은 정격을 사용하는 경우가 많은 것이 현실이다. 이는 한류형 휴즈의

    옳은 사용이라 할 수 없다. 반복과전류에 대한 휴즈의 열화요인은 다은 두가지로 요약된다.

      가) 과전류 누전착단기에 의한 열화

            과전류에 의한 온도상승으로 엘리먼트 증발 및 결정의 약화에 의한 열화의 가능성도 있다.

            이 경우 구리나 주석재료의 엘리멘트의 산화로 인한 요인이 될수 있으나  은(Ag) 엘리멘트의 경

            우 고온에서 산화은이 은과 산소로 분해하므로 문제가 되지 않는다.

       나) 반복 과전류에 의한 열화

            반복과전류는 엘리먼트에 변형, 피로, 소호제와의 마모손상을 일으킨다. 특히 소호제와의 마모

            현상을 일으킨다. 특히 소호제와의 마찰로 변형 및 단면이 감소와 반복응력으로 균열이 발생하

            여 열화한다. 반복과전류는 휴즈열화의 주요 원인으로서 제품수명 향상을 위하여 엘리먼트와

            소호재에 대한 재료, 구조, 설치 및 충전방식이 연구되고 있다.

2. 휴즈의 설치

   휴즈를 설치하기 전에 휴즈의 외관을 잘 관찰하여 깨어짐이 없음을 확인하고 적당한 대지, 상간거리

   를 확보하여 설치한다.

   힌지쪽을 부하쪽으로 하는 것이 표준이며, 훅 조작이 편리하고 드롭 아웃이 가능하고 이때 안전거리

   를 유의하여 설치해야 한다. 또한 휴즈는 부하전류를 개폐할 수 없음을 명심해야 한다.

3. 파워휴즈 점검 및 교체

   파워휴즈의 수명은 사용 상태별로 일정주기를 설정하여 점검 및 교체할 것을 추천한다.

   교체주기는 사용환경과 부하에 따라 그 차이가 크므로(짦게는 3~4년, 길게는 10년 이상 사용) 일정주

   기를 추천하는 것은 어렵다.

   보통 계통보호용으로 사용할 경우 10년 이상 사용하는 경우가 많으나 콘덴서나 모터 등 잦은 개폐를

   하는 부하 보호용의 경우 엘리먼트의 열화가 상대적으로 빨리 진전되므로  사용상태에 따라 일정 교

   체시기가를 설정하여 관리하는 것이 좋다. 또한 과전류나 단락사고 등의 발생 시 교체하는 것이 바람

   직하다.

   파워휴즈의 점검은 다음조건에 따라 시행한다.

     ㄱ. 일반조건 : 자주검사 6개월 정기검사 12개월에 1회 실시한다.

     ㄴ. 습기, 염수, 먼지, 부식성 가스 환경에서 사용: 자주검사는 3개월, 정기검사는 필요에 따라 증감

          한다.

     ㄷ. 자주검사는 부하개폐 횟수가 많은 경우 및 잦은 과전류 발생 시 실시한다.

     ㄹ. 휴즈의 교체 : 휴즈교체는 R,S,T 3개상을 모두 교체하는 것이 좋다. 만약 1개 또는 2개만을 교체

          시 열화된 휴즈가 동작하여 결상사고가 발생할 확률이 높아 전력공급의 신뢰성과 안정성에 영향

          을 주게된다.

○ 한류형(전압 "0"에서 차단한다)
- 특징 : 높은 아크저항을 발생하여 사고전류를 강제적으로 한류 차단하는 퓨즈를 한류형 전력퓨즈라 하고,

           현재 밀폐퓨즈 통안에 엘레멘트와 규소 등 소호제를 충전한 규소퓨즈로 대표 되고 있음.
- 장점 : 소형이며 차단용량이 크고 한류효과가 커 백업으로 가장 적당함.
- 단점 : 과전류를 발생하고, 최소차단전류가 있음.

○ 비한류형(전류 "0"에서 차단한다)
- 특징 : 소호가스를 뿜어 대어 전류 0점인 극간이 절연내력을 재기전압 이상으로 높여서 차단하는 퓨즈를

            비한류형 전력퓨즈라 하고, 붕산 혹은 파이바에서 발생가스를 이용하는 퓨즈가 실용되고 있음.
- 장점 : 과전압을 발생하지 않고, 녹으면 반드시 차단함.
- 단점 : 대형이며, 한류효과가 적음.