[운영가이드] kt cloud AIDC UPS 전원설비 단락사고 특성과 보호장치

 

 

[ kt cloud DC서부운용팀 서동진 님 ]

📋 요약

이 글에서는 데이터센터 UPS 전원설비에서 발생하는 단락사고의 특성과 보호장치 운용 방향을 다룹니다.

고장전류로 인한 설비 소손과 서비스 중단을 줄이기 위한 보호 관점의 중요성을 정리합니다.

#UPS #단락전류 #SSCB #StaticBypass #데이터센터

 

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UPS는 “무정전전원장치”입니다. 그리고 그 구성은 아래와 같습니다.

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1. 개요

단락전류는 어떤 모습인가?

출처: IEC-60909 Short-Cuircuit

1. 비대칭 단락전류: 단락전류가 발생하는 순간 전류가 급격히 상승하기 때문에 시간당 전류변화에 해당하는 L성분이 매우 커져 이에 따른 직류성분이 단락전류를 더욱 크게 확대시킵니다. 확대된 전류의 크기는 본래의 단락전류의 크기보다도 최대 2.83배 더 큰 전류가 흐르며 시간이 지나며 그 크기가 줄어듭니다. 이 초기 단락전류는 반사이클 후의 전류의 크기로하여 60Hz에서 2.6배 상승하는 것으로 계산합니다.
2. 대칭 단락전류: 비대칭 성분(역기전력 직류성분)이 사라진 후에는 대칭상태에서의 대전류가 흐릅니다.

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2. 단락전류에 의한 소손

1) 열적 소손

출처: [점검] 수원 영통 대형오피스텔건물 방재실 무정전전원장치(UPS) 고장 긴급조치 : 네이버 블로그 에서 이미지 발췌

그림과 같이 열에 의한 소손을 방지하려면 발열량을 줄여야합니다. 발열량을 줄이는 방법을 알아보죠.

상기 수식은 줄의 법칙으로 전기가 흐르는 도체에서 발생하는 열량을 계산하는 방법입니다. 열량에 대한 변수는 아래와 같이 정의됩니다.

• 요인
  1. 전류(I) : 제곱이므로 “~하면 할수록” 입니다. 전류가 크면 클수록 열은 더 커집니다.
  2. 저항(R) : 열로 치환될 수 있는 선로의 저항성분들입니다.
  3. 시간(t) : 통전되는 시간입니다. 차단기가 차단하는 속도가 빠를수록 발열량은 감소합니다.

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2) 기계적 소손

LS산전 케이블 단락 전자력 시험 유튜브 링크: 전력케이블의 단락시험(단시간 내력 시험) 영상, 전자기학 9강에 포함 된 영상

 

출처: 변압기 사고 유형 관련 : 네이버 블로그

영상과 그림과 같이 도체에 전류가 흐를 때 도체 안에 전자가 받는 힘(전자력)이 발생하며 이 크기가 클 경우 도체를 휘어지게 만드는 말그대로 기계적인 힘(기계력)이 작용합니다.

 

기계력은 도체와 도체가 같은 방향에 전류에서는 흡인력, 다른 방향에서는 반발력을 가져 그 힘으로 소손됩니다.

출처 : 블로그: 도체에 전류가 흐를 때 자기력의 크기와 방향에 대해 알아보자(2)

수식은 위와 같이 표현합니다.

• 요인
  1. Im(최대 단락전류)
     • 단락이 발생한 시점에서 전류의 최댓값인데 비대칭분이 있는 초기 단락전류에서는 Im이 2.6배까지 상승합니다 → 기계적 소손을 일으키는 주요 요소입니다.
  2. D(선간거리)
     • 선간거리가 증가하면 기계력은 약해집니다. UPS 설계, 제조 단계에서 기계력을 테스트합니다. 운용중에는 조절할 수 없습니다.

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3. UPS의 단락전류 보호 대책 [범인 색출하기]

UPS Static Bypass

UPS의 전력반도체 소자들은 거대한 단락전류를 견디기에는 열용량이 한없이 부족합니다. 또한, 단락전류가 발생하여 UPS를 Shut down하면 서버에 정전이 발생할 가능성이 높습니다. 따라서 UPS에는 아래와 같은 형태로 회로가 형성되며 내부 바이패스 상태로 UPS를 우회한 상태로 고장전류를 공급하여 고장이 발생한 지점에서 상위 차단기가 고장회로를 끊어내어 해당 구간만 정전시키도록 유도합니다. 마치 범인을 잡는 것처럼요

이처럼 UPS의 내부 바이패스를 통해서 사고전류를 차단하고 사고가 아닌 건전회로에 대해서는 전원공급을 유지할 수 있도록 합니다.

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4. UPS 보호 신기술 [반도체차단기에 의한 보호]

CB의 차단은 3~8cycle, 즉 50ms 정도는 사고전류가 계통에 흐르게 됩니다. 이 속도가 너무 늦어 비대칭전류를 견디기 어려우니 UPS는 사고전류를 우회하여 공급하고 부하단에서 사고전류를 견디고 차단하도록 하는 것입니다.

단, 내부 바이패스 동작이 불가한 경우 UPS는 사고전류에 소손되어 버릴 것입니다. 물론 UPS의 전후로도 CB가 있지만 차단기의 차단속도가 대전류를 방어하기에는 느립니다.

 

이에 대한 대책으로 반도체 차단기 일명, SSCB(Static state circuit breaker)에 의해 부하단에서 매우 빠른 속도, 수마이크로초에서 4ms 내로 단락사고를 차단하여 UPS를 보호하는 방식이 사용되고 있습니다.

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5. 결론

"우리는 지금 데이터센터 전력 시스템의 패러다임이 바뀌는 시점에 서 있습니다. AI 워크로드가 요구하는 막대한 전력을 공급하기 위해 UPS는 더 커지고 임피던스는 낮아졌지만, 역설적으로 이는 계통에 흐를 수 있는 고장 전류를 키우는 결과를 낳았습니다.

기존의 기계식 차단기(CB)가 가진 수 ms의 물리적 한계를 보완하기 위해 이제는 아예 아크(Arc) 없이 수마이크로초 단위로 사고를 끊어내는 SSCB 기술이 주목받고 있습니다.

 

전력 설비 엔지니어로서 우리는 이제 '공급'을 넘어 '방어'의 관점에서, 이 다양한 보호 방식들의 최적의 조합(Best Mix)을 고민해야 할 때입니다

Image: AI-Generated Content

 

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. UPS 부하의 단락사고는 무엇인가요?

A. UPS로부터 공급받는 부하 및 선로에서 전선과 전선이 맞붙는 사고를 말합니다. 전선과 전선은 매우 낮은 저항과 리액턴스(임피던스)를 가지므로 사고전류의 크기는 반대로 매우 커집니다.

Q. UPS 2차측에서의 단락사고는 왜 중요한가요?

A.  단락전류에 의한 UPS의 소손입니다. 단락전류를 빠르게 차단하지 못하면 고가의 UPS 내부에 있는 전력전자소자들에 기계적, 열적 소손이 발생하여 UPS에 영구적인 소손을 일으킬 수 있습니다.

Q. 단락사고의 파급 효과를 제한할 수 있는 방법을 없을까요?

A. 대표적으로 CB, P.F, 반도체차단기(SSCB) 등이 있으며, Static Bypass를 통하여 사고전류를 우회하여 UPS를 보호하는 방식이 있습니다.

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📚 관련/출처

IEC-60909 Short-Cuircuit [점검] 수원 영통 대형오피스텔건물 방재실 무정전전원장치(UPS) 고장 긴급조치 : 네이버 블로그 전력케이블의 단락시험(단시간 내력 시험) 영상, 전자기학 9강에 포함 된 영상 변압기 사고 유형 관련 : 네이버 블로그 도체에 전류가 흐를 때 자기력의 크기와 방향에 대해 알아보자(2)