보호도체의 최소 단면적 (2024년 1회 전기기사 실기문제)

 

문제 : 자동차단을 위한 보호장치의 동작시간이 0.2초 이며, 보호장치를 통해 흐를 수 있는 예상 고장 전류 실효값이 10000A인 경우 보호도체의 최소 단면적을 구하시오.

(단, 보호도체, 절연, 기타 부위의 재질 및 초기온도와 최종온도에 따라 정해지는 계수는 143이며, 동선을 사용하는 경우이다.)

 

 

문제 조건

• 고장 전류 I=10,000 A
• 동작시간 t=0.2 초
• 계수 k=143 (동선을 사용하며 초기 및 최종 온도 기준에 따른 값)

 

 

사용되는 공식

 

• S: 보호도체의 단면적(단위: mm²)
• I: 고장 전류의 실효값(단위: A)
• t: 보호장치의 동작시간(단위: 초)
• k: 재질 및 온도에 따른 계수

 

 

계산

 

계산 결과에 따라 실제 설계에서는 안전 계수를 추가로 고려하여 상용화된 표준 단면적 35mm² 입니다.

 

*기본 이론*

보호도체의 최소 단면적

보호도체의 최소 단면적은 전기 회로에서 고장 전류가 발생했을 때, 보호장치(퓨즈, 차단기 등)가 동작하기 전까지 전류가 흐르면서 발생하는 열을 견딜 수 있도록 설계된 도체의 단면적을 의미합니다. 이 단면적은 안전하고 효과적인 전기 시스템 설계에 중요한 요소입니다.

1. 보호도체의 역할

보호도체는 전기 회로에서 다음과 같은 역할을 수행합니다.

• 고장 전류가 발생했을 때, 이를 안전하게 접지로 흘려보내 전기 설비와 사용자를 보호.
• 고장 전류로 인해 발생할 수 있는 과열과 화재를 방지.
• 보호장치(퓨즈, 차단기)가 동작할 때까지 도체의 열적 안정성을 유지.

2. 최소 단면적의 필요성

보호도체가 너무 얇으면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 고장 전류에 의해 과열되거나 녹아버려서 회로가 보호되지 못함.
• 도체가 손상되거나 절연이 타버리며 화재를 유발.

따라서 보호도체는 고장 전류가 흐를 때 발생하는 열에 견딜 수 있는 충분한 단면적을 가져야 합니다.

3. 최소 단면적 계산 공식

보호도체의 최소 단면적은 고장 전류와 보호장치의 동작시간, 재료의 열적 특성에 따라 계산됩니다. 공식은 다음과 같습니다.

계수 k 값의 의미

• k는 도체 재질(동선, 알루미늄 등) 및 초기/최종 온도 조건에 따라 달라집니다.
• 예를 들어, 동선의 경우 k=143, 알루미늄의 경우 k=94등이 사용됩니다.