Motor 보호 방법 등

사업장에서 많이 사용하고 있는 전동기 Motor의 고장 원인 및  보호 방법에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

Motor 보호 방법 등

모터 소손 원인

모터 소손의 원인으로는 전기적인 원인과 기계적인 원인으로 구분되며, 전기적인 원인으로는 과부하, 결상, 구속, 층간단락, 권선의 지락, 순간 과전압의 유입 등이 있으며, 기계적인 원인으로는 전동기 회전자가 고정자에 닿는 경우, 베어링의 마모나 윤활유의 부족으로 발생한 열의 전도에 의한 소손 등이 있다.

 

 

► 전기적 원인

① 과부하 또는 과전류

▪ 과부하(Over Load) : 전동기에 연결된 기계(기구)에 전동기의 정격보다 많은(큰) 힘이 가해짐에 의해 전동기에 무리가 되는 것으로 기계(기구)에 중점을 두고 사용된 의미임.

▪ 과전류(Over Current) : 전동기에 그 정격전류 이상의 전류가 흐름을 의미하는 것으로 모터에 중점을 두고 사용된 의미임

 

② 결상(Phase Loss, Single Phasing) :

▪ 3상 중 단상 전압이 어떤 원인으로 3상 전동기나 3상 부하에 공급되는 것을 의미함(1.7배로 전류상승)

 

③ 역 상(Reverse Phase, Negative Phase) :

▪ 역상이란 3상의 (Phase) 회전이 바뀐(Reversed) 전원이 부하에 공급되는 것을 의미함

 

④ 지락(Earth Fault, Ground Fault, Earth Leakage) :

▪ 전류가 정상적인 전류통로가 아닌 곳으로 흐르는 것, 다시 말해서 부하가 아닌 대지로 전류가 흐르는 것을 의미함(ZCT에 의한 영상전류/지락전류 검출)

 

 

⑤ 불평형(Current unbalance) :

▪ 3상 전류 중 한 상(Phase)의 전류가 다른 2개의 상(Phase)보다 작거나 큰 전류가 흐름을 의미함

 

⑥ 단락(Short Circuit) :

▪ 전위차가 있는 2점 사이를 저항이 극히 작은 도체로 연결하는것을 의미하며 다른 표현으로는 전류가 흐르는 2선 또는 3선을 합선시키는 것으로 전동기의 단락은 층간 단락(Layer Short)과 선간 단락으로 구분함

 

⑦ 과전압(Over Voltage) :

▪ 정격전압 이상의 전압 인가를 의미함

 

⑧ 저전압(Under Voltage) :

▪ 정격전압 이하 전압 인가를 의미하며 부족전압이라고도 함(저전압 인가시 규정된 Torque에 미달함).

 

⑨ 과열 :

▪ 전동기가 절연내력 이상의 열이 발생 하는 것을 의미함.

 

 

► 기계적인 원인

① 구 속(Locked Rotor) :

▪ 전동기가 기동시 과중한 부하로 인해 회전하지 못하고 정지된 상태를 말하며 계속적으로 전원이 투입되어 있을 경우, 이때 흐르는 전류는 정격 전류의약 6배가 흐르게 되어 그 상태를 유지하게 되면 발생되는 열에 의해 전동기가 소손됨

 

② 전동기 회전자가 고정자에 닿을 경우 :

▪ 전동기의 축(Shaft)의 이상으로 회전자가고정자를 스치고 돌아갈 때 발생하는 열에 의해 전동기가 소손됨.

 

③ 축 베어링의 마모나 윤활유의 부족 :

▪ 전동기의 축 베어링에서 발생한 열이 전도에 의해전동기의 권선(Coil)까지 온도 상승을 일으켜 소손됨.

 

 

모터 보호 방법

① 과부하(Over Load:KW) 또는 과전류(Over Current) 보호

▪ 전동기에 연결된 부하에 필요한 입력의 크기는 통상적으로는 전동기의 출력(kW)에비해 작게 되어 있으며 그 비율은 [부하에 필요한 입력 kW/전동기 출력) X 100%] 50~85%, 최대 90%로 운용되어지고 있다.

▪ 전동기보호를 하기 위하여 설정하는 전류치(설정 전류값)는 그 정격전류의 110%~125%를 설정하도록 권장하고 있다. (정한시, 반한시)

▪ 디지털 모터보호 계전기는 실제로 부하가 걸린 상태에서 부하에 100%로 흐르는 전류를확인한 후 보호 레벨을 설정하기 때문에 정확한 보호를 할 수 있으며 정한시(Definite T-I) 동작형과 반한시(Inverse T-I) 동작형이 있으며 이를 계전기의 한시 동작특성이라고 부름(T-I:Time-Current)

 

② 결상 (Phase Loss) 보호

▪ 3상 전동기에 단상이 공급되면 기동을 하지 못하거나 운전 중일 경우 건전상에 정격전류의 1.732배의 전류가 흐르게 되고 그것은 결국 회전자의 구속(Locked Rotor)에 이르게 된다.

▪ 결상의 발생은 간이 수전설비의 경우 Power Fuse 또는 COS에서 발생하는 경우가많고 MCC(Motor Control Center)에서는 전자접촉기(Magnetic Contactor)가 기동정지를 빈번하게 하는 과정에서 접점 통전 용량이 낮은 경우 접점이 마모되어 일어나는 경우가 많으며 전동기가 소손되는 원인은 거의 결상으로 발생되는 것(70%)으로 봐도 될 정도로 그 빈도가 높아 반드시 신속하게 보호되어야 한다.

▪ 마이콤 적용 디지털 모터보호 계전기는 결상이 발생하면 1~5초 이내에 동작하며 시간설정은 사용자가 사용 현장 여건에 따라 가변 설정토록 하고 있으며 어느 상(Phase)에서결상이 발생했는지와 동작시의 전류값을 표시하고 있음

 

 

③ 역상 (Reverse Phase) 보호 : 한전 위상각 기준임.

▪ 3상3(4)선 간선과 보호계전기의 3CT 통과 방향이 L1→L2→L3, L2→L3→L1, L3→L1→L2이면 정상, L1→L3→L2, L2→L1→L3, L3→L2→L1면 역상임.

▪ 보호계전기를 설치한 전단에서 전원이 역상으로 공급되면 0.1초 이내에 동작되어 전동기의 역회전을 최단시간에 정지시키도록 기능함

▪ 전원 인입측의 위상을 판별하는 방식은 보호계전기의 CT에 감지된 전류의 위상을 판별하는 방법과 전원 인입 측 전압의 위상을 검출 판별하는 2가지 방안이 있음

▪ 전류 검출에 의한 방식과 전압 검출에 의한 방식의 큰 차이점은 전압 검출 방식의 동작시간이 전류검출 방식 보다 훨씬 빠름:전압 방식/ 0.1초, 전류방식/0.5초

▪ 역상 보호의 경우 가급적 빠른 동작시간을 요구하고 있는데 그 유는 부하측 기기의 회전날개, 특히 공조 압축기 팬의 경우 순간적인 역 회전도 팬을 손상시킬 수 있음

▪ 이와 같이 전압 방식과 전류 방식의 동작시간 차이가 발생되는 원인은 전류 방식에서는외부 노이스의 영향을 감안하여 최소 2~3 Cycle 이상의 파형 확인이 필요 하지만 전압의 경우는 1 Cycle의 파형으로도 확실한 판별을 할 수 있음에 기인함.

 

④ 지락 (Earth Leakage) 보호

▪ 전동기 회로 또는 전동기 내부의 권선에서 지락이 발생했을 때 여러 가지 문제를 발생시켜그 문제에 따라 적당한 대처를 해야 함.

▪ 지락이 발생했을 때, 지락(접지)전류의 크기는 그것을 이루고 있는 전원공급 계통 즉, System에 따라 달라지고 또한 지락 된 곳의 접지 저항의 크기에 따라 달라지므로 얼마라고 특정할 수가 없다.

▪ 저압계통의 배전 시스템은 접지 방식상 비 접지방식(3상 3 선식)과, 직접접지방식(3상 4 선식)으로 구분되며 완전 지락 상태에서 비 접지방식은 그 크기가 아주 미세(0.2~0.5A) 하거나 거의 전류가 흐르지 않으며, 직접접지방식은 거의 단락과 같은 크기의 전류가 흐르게 된다

 

 

⑤ 구속( Locked Rotor) 보호

▪ 전동기가 기동을 하지 못하거나 운전 중 어떤 원인에 의해 회전자가 회전을 하지 못한 상태를 구속(Locked Rotor)이라고 하며 이때 전동기에 흐르는 전류는 정격전류의 6배 정도가 흐르게 되고 그 상태가 오래 지속되면 전동기는 소손하게 된다.

▪ 보호 계전기는 기동시에 이와 같은 과도한 전류가 발생하면 그 전류를 감지하여 즉시전원을 차단하며 전동기를 보호한다.

▪ 이와 유사한 개념의 Shock/Stall 보호 기능은 전동기가 운전 중에 갑자기 정상 운전전류의 180% 이상 흐를 때 이를 감지하여 모터를 정지시키는 기능으로 컨베이어벨트, 크라셔, Mill 등의 장비가 어떤 장애물로 인하여 원활한 가동이 안될 때 매우 유용한 보호 기능임.

 

⑥ 불평형(Current Unbalance) 보호

▪ 전동기에 3상 전류가 흐를 때 각 상전류 상호 간 편차가 많으면 이때 발생된 역상 분요소에 의한 과도한 열이 발생하여 전동기의 절연 약화를 초래하며 궁극적으로는 소손에 이를 수 있음.

▪ 불평형의 주된 원인은 모터 권선 자체의 불균형(희박한 케이스), 부하 측에 단상 부하를 과도하게 인가하거나 외부적인 요인으로는 전동기로 공급되는 전선의 이상으로 전동기에만 공급되어야 할 전류가 다른 곳에 공급되는 경우, 콘택터의 접점 마모로 마모가 심한 극의 전류 통전량이 다른 상에 비해 과도하게 적은 경우, 등을 들 수 있음.

▪ 보호계전기는 [(최대상 전류-최소상 전류) /최대상 전류] *100 [%]에서 통상적으로 전류편차가 50% 이상이 되면 8초에 동작하여 전원을 차단한다.

 

⑦ 단락(Short Circuit) 보호

▪ 모터에서 단락이 발생하는 주된 요인은 모터 내 권선 간의 절연 약화로 인한 층간 단락, 베어링이나 샤프트의 휨 현상 등으로 인한 고정자와 회전자 간 마찰에 의한 권선 손상, 외적으로는 선간 단락, 등에 기인함.

▪ 보호계전기의 단락 보호라 함은 단락 발생을 근본적으로 방지하는 것이 아니고 단락사고발생 시 전원 단으로의 사고 파급을 신속히 차단하는 역할이며 동작 시간은 0.05초 이내인순시 특성을 요함.

 

Reference : 삼화 DSP 모터보호계전기 소개 자료