스위칭 과도현상(설비관리자가 전원을 내리지 않는 이유)

설비는 대개 일주일 7일, 하루 24시간 내내 전기를 켜놓게 된다. 이는 전력 손실 과 기기수명에 관계된다. 그럼에도 이를 불필요하게 계속 켜놓게 되는 것은 전기를 ON/OFF시에 제어보드 소손 또는 기타 고가의 정밀 기기 손상이 생길 가능성 때문이다. 

전자 릴레이.

이러한 이유로 경험이 많은 설비관리자분들이 전력 손실이 발생함에도 불구하고 설비를 가동중이지 않을 때에도 OFF를 안하시는 이유가 이런 이유이다.

 

그렇다면 이런 기기 손상 및 소손을 유발하는 것은 무엇인지에 대하여 알아보자.

 

단락이 일어나면 도선이 녹아서 아크가 발생하여 화재를 초래할 수 있다. 단락 시의 커다란 전기기계적 힘은 기기 등에 큰 응력을 발생시킨다. 그러므로 전류치 가 높을 때는 폭발도 생길 수 있다. 이러한 과전류와 단락 발생시 회로의 급속 개방 태세는 중요한 안전 요소인데, 이런 급속 개방시에(스위칭 시) 에 발생하는 과도 현상으로 인해 아크가 발생하게 된다.

 

릴레이는 유사시 일조의 접촉자가 닫혀짐으로 작동한다. 이는 차단기의 트립코일을 여자 시켜 회로를 차단 시키는 것이다.

전원 이상이 발생하면 이를 감지하는 것은 CT(계기용 변류기), PT(계기용 변압기), 또는 바이메탈 등에 의한다.

이 작동은 스위치를 ON/OFF 시키는 것과 유사하다.

퓨즈와 보호릴레이는 양자 모두 안전장치이지만, 작동될 때 과도현상이 발생한다. 

예시로 스위칭 과도현상을 보면 10-100usec 동안 20kV까지 올라간다면, 아크와 정반전(static discharge)을 발생시킬 수 있는 전압이다. 

 

산업기계 중에는 흔히 수백 개의 퓨즈와 보호릴레이가 있는데, 이들은 모두 하루 중에도 수 차례씩 ON/OFF 하며 복합적 과도현상을 발생시킨다. 그리고 이런 과도현상 중에는 부하에 큰 문제를 발생시킬 수 있을 만큼 높은 전압이 걸릴 수 있기 때문에 보호가 원활하지 않으면 부하가 파손된다.

 

마그니틱 릴레이 스위치가 켜질 때의(ON)  전압파형 그래프이다.

시간 0..00 msec 에서 전압은 최대치(peak voltage)인 320V 미만이어야 한다. 실제는 부압 430V, 정압 300V 정도가 되었다. 이는 마그네틱 스위치가 온 되었을 때 파형에 과도현상과 노이즈가 생성 되었음을 나타낸다.

 

이런 크기의 노이즈라면 쉽게 기기장애를 발생시킬 수 있을 것이기 때문에, 신호가 전자 부하에 송달되면, 과도현상이 가라앉을 때까지 수 미리초 동안, 그 부하장치의 움직임은 불안정할 수 밖에 없다. 또는 성능이 저하된다.

 

그렇다면 마그네틱 릴레이 스위치가 꺼질 때의(OFF) 파형을 보자.

마그네틱 릴레이 스위치를 오프 시켰을 경우의 그래프이다. 이론적으로 릴레이가 오프 된 시점의 전압은 '0'이어야만 한다. 그러나 실제로는 전압이 980V 까지 상승하고 20 msec동안 상당한 노이즈가 뒤따랐다.

이것이 릴레이 스위치가 OFF 될 때의 과도현상의 모양이며 이는 기기 오작동 및 손상 원인이 될 수 있다.