기계력

기계력(機械力)은 자기력의 부정적인 이용이다. 기계력이 긍적으로 사용되었을 경우 전동기(모터)이다.

상세

자기력의 크기와 방향은

자기력의 크기 F = J X B

전류와 자기장이 존재하면 전류와 자기장의 외적으로 자기력의 크기와 방향을 알 수 있다. 이런 자기력을 의도적으로 이용하면 긍정적인 효과를 내지만 의도치 않게 생겨나면 부정적인 효과를 낼 수 있다.

긍정적인 효과는 대표적으로 '모터(전동기)'이다.

전동기

N극과 S극 자석에 의해 자기장이 오른쪽으로 발생하고 있고 전류가 회전자코일을 시계방향으로 회전하고 있다. 이때 각각 N극과 S극측의 전류와 자기장 방향을 이용하여 자기력의 크기 F = J X B 이 공식에 의해 외적하면 자기력의 방향을 알 수 있다. 그러면 N극 측의 회전자 코일은 아래방향으로 자기력을 받고 S극 측의 회전자 코일은 위방향으로 자기력을 받아서 회전자 코일이 회전하게 된다.

이렇게 모터처럼 자기력을 잘 이용하면 원하는 방향으로 힘을 사용할 수도 있다.

그러나 의도치 않은 자기력인 '기계력'은 설비의 손상을 발생시킬 수 있다.

기계력(흡인력, 반발력)에 의한 설비손상

위처럼 전기설비 안에 코일이 감겨있고 코일을 통해 전류가 흐른다고 해보자. 도체에 전류가 흐르면서 자기장이 발생하고 '흡인력' 혹은 '반발력'이 생긴다. 서로 당기거나 밀어내는 힘이 생긴다는 거다. 이런 힘에 의해 설비에 물리적인 힘이 가해진다.

만약 전력계통에 문제가 생겨서 대표적인 고장전류인 '단락전류'가 발생했다고 해보자.

• 단락전류(Short circuit current) : 쇼트전류, 합선전류와 같은 말이다. 두 선이 합선이 되면 두 선간의 저항이 0Ω에 가까워진 상태에서 전류가 흐르게 된다. 옴의 법칙(전류(i) = E(전압)/R(저항))에 따라서 저항이 0Ω에 가까워지니까 아주 큰 전류가 흐른다.

단락전류의 크기는 아주 크다.

그런데 기계력(F)은 전류(i)의 제곱에 비례한다.

그러므로 단락전류가 발생하면 아주 큰 기계력이 발생하여 설비에 손상을 가져올 수 있다

기계력이 위험한 이유

기계력(F)은 전류(i)의 제곱에 비례한다. (여기서 전류는 순시치이다.)

그래서 단락전류(아주 큰 고장전류)가 발생했을 경우 아주 큰 기계력이 발생한다. 게다가 이때 발생하는 단락전류의 파형이 비대칭이기 때문에 더 큰 손상이 발생할 수 있다.

• 순시치 : 시간과 함께 변화하는 양의 임의의 순간에 있어서의 값

단락전류 비대칭, 대칭 파형

파란색 파형처럼 대칭인 단락전류라면 단락전류의 최대치는 대칭 그래프의 Peak점이다. 그러나 실제로는 대칭이 아니라 빨간색 파형처럼 비대칭인 단락전류이기 때문에 최대치가 아주 커진다.

기계력(F)은 전류의 제곱에 비례하므로 단락전류가 최대치가 커진 만큼 엄청나게 큰 기계력이 발생한다.

대칭파형에서 전류 최대값(peak값)은 실효값(rms)의 루트2배(1.414배) 이다. 비대칭파형에서의 전류 최대값은 실효값(rms)의 2.6배이다.(고압, 저압에 따라 비대칭계수는 달라진다.)

기계력은 전류제곱의 비례이므로 제곱값으로 비교해보면 두 파형에서 발생하는 기계력 차이는 더 커진다. (2.6/1.414)^2 = 약 3.38배

보통 설비 앞단에 차단기가 있지만 차단기가 모든 단락전류를 막지는 못하기 때문에 문제가 발생할 수 있다.

• 비대칭계수 : 대칭파형의 Peak치에 비해 비대칭파형의 Peak치가 얼마나 높아지는지를 나타낸 계수. 고압, 저압에 따라 그 값이 달라진다.

고압(IEC 62271-100) - 2.6배

저압(IEC 60947-2) 50kA 초과 - 2.2배, 50kA 이하 - 2.1배, 20kA 이하 - 2.0배

참고자료

• 젠지노 창고, 〈9. 기계력(자기력)이 위험한 이유〉, 《티스토리》, 2020-09-25

같이 보기

• 자기력
• 차단기
• 단락전류
• 고압
• 저압

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