계전기 종류 원리 동작 연결 총정리

전기 설비의 안전을 지키고 자동화의 핵심 역할을 하는 계전기, 그 종류와 원리, 연결 방법까지 상세히 알려드립니다.

1. 계전기, 전기 시스템의 숨은 영웅

1.1. 계전기란 무엇인가? (정의 및 기본 기능)

계전기(Relay)는 전기 신호를 받아 작동하는 자동 스위치 장치입니다. 마치 전기 회로의 '두뇌'처럼, 특정 조건이 만족되었을 때 미리 정해진 동작을 수행하여 다른 회로를 제어하거나 보호하는 역할을 하죠.

1. ① 전기 신호로 작동하는 자동 스위치: 사람의 조작 없이 전기적인 입력 신호에 의해 자동으로 접점을 열거나 닫습니다.
2. ② 제어, 보호, 연동 기능 수행: 단순히 전기를 켜고 끄는 것을 넘어, 복잡한 제어 로직을 구현하고, 설비를 위험으로부터 보호하며, 여러 장치 간의 동작을 서로 연결(연동)하는 데 필수적입니다.

1.2. 왜 계전기가 필요할까요? (중요성 및 역할)

계전기가 없다면 현대의 복잡한 전기 시스템은 상상하기 어렵습니다. 왜냐하면 계전기는 다음과 같은 중요한 역할을 수행하기 때문입니다.

1. ① 소 신호로 대 전력 회로 제어: 낮은 전압이나 작은 전류의 제어 신호를 사용하여 훨씬 높은 전압이나 큰 전류가 흐르는 주 회로를 안전하게 제어할 수 있습니다. 마치 작은 손가락으로 거대한 기계를 움직이는 것과 같습니다.
2. ② 제어 회로와 주 회로의 전기적 분리: 계전기의 코일(제어 회로)과 접점(주 회로)은 전기적으로 절연되어 있어, 제어 회로에서 발생하는 문제가 주 회로에 영향을 미치거나 그 반대의 경우를 방지하여 안전성을 높입니다.
3. ③ 자동화 시스템 구성의 핵심 요소: 센서, 스위치 등으로부터 입력 신호를 받아 모터, 램프 등 출력 장치를 자동으로 제어하는 데 계전기가 기본 스위칭 소자로 사용됩니다.
4. ④ 설비 및 인명 안전 보호: 특히 보호 계전기는 설비에 이상이 발생했을 때 이를 감지하고 신속하게 전원을 차단하여 설비 손상을 막고 인명 사고를 예방하는 데 결정적인 역할을 합니다.

2. 전기 설비 보호의 최전선: 보호 계전기

2.1. 보호 계전기의 역할과 중요성

전기 설비는 단락(합선), 지락(누전), 과부하 등 다양한 고장 상황에 노출될 수 있습니다. 이러한 고장은 설비의 파손은 물론 화재나 감전 사고로 이어질 수 있어 매우 위험합니다. 이때 보호 계전기가 바로 이 위험으로부터 우리를 지키는 최전선 역할을 합니다.

1. ① 전기 설비 고장(단락, 지락, 과부하 등) 감지: 보호 계전기는 평소와 다른 비정상적인 전기적 상태(과도한 전류, 비정상적인 전압, 누설 전류 등)를 실시간으로 감시합니다.
2. ② 고장 구간 신속 분리 (차단기 트립): 고장 상태를 감지하면 즉시 차단기(Circuit Breaker)에 신호를 보내 해당 구간의 전원을 차단하도록 합니다. 이를 '트립(Trip)'시킨다고 표현합니다.
3. ③ 설비 손상 최소화 및 사고 파급 방지: 고장 발생 즉시 문제가 생긴 부분만 빠르게 분리함으로써 다른 정상적인 설비로 고장이 확산되는 것을 막고, 설비의 추가적인 손상을 최소화합니다.
4. ④ 안정적인 전력 공급 유지: 고장 구간을 신속히 제거하여 전체 전력 시스템의 안정성을 유지하고, 정상적인 다른 구간에는 계속해서 전력을 공급할 수 있도록 돕습니다.

보호 계전기는 마치 설비의 '경찰관'이나 '보디가드'와 같다고 할 수 있습니다. 항상 감시하고 있다가 위험 상황이 발생하면 즉시 출동하여 문제를 해결하는 것이죠.

3. 주요 보호 계전기 종류별 원리 및 동작 특성

다양한 종류의 고장에 대응하기 위해 여러 가지 보호 계전기가 사용됩니다. 여기서는 가장 대표적인 몇 가지를 살펴보겠습니다. 각 계전기는 고유한 ANSI 번호(미국 국가 표준 협회 번호)로 식별되는데, 이는 계전기의 기능을 나타내는 표준화된 코드입니다.

ANSI 번호에 대한 더 자세한 정보는 위키백과 ANSI 표준 문서 등을 참고하실 수 있습니다.

3.1. 열동 계전기 (Thermal Overload Relay, 49/THR)

주로 전동기(모터)를 과부하로부터 보호하는 데 사용됩니다. 모터가 정격 전류 이상으로 오랫동안 운전되면 과도한 열이 발생하여 코일이 타버릴 수 있는데, 열동 계전기가 이 열을 감지합니다.

1. ① 동작 원리: 바이메탈(Bimetal)의 열 변형 이용: 서로 다른 열팽창률을 가진 두 금속을 붙여놓은 바이메탈 소자를 사용합니다. 모터 전류가 흐르는 히터 주변에 바이메탈이 위치하며, 과부하로 인해 히터가 뜨거워지면 바이메탈이 휘어집니다.
2. ② 모터 과부하 시 발생하는 열 감지: 바이메탈의 휨 정도는 전류에 의해 발생하는 열에 비례합니다. 설정된 온도 이상으로 바이메탈이 휘어지면 계전기 접점을 동작시켜 모터를 정지시킵니다.
3. ③ 주요 용도: 전동기 과부하 보호: 모터의 정격 전류에 맞춰 설정값을 조정하여 사용합니다.

3.2. 과전류 계전기 (Overcurrent Relay, 50/51/OCR)

회로에 설정값 이상의 과도한 전류가 흘렀을 때 동작하는 계전기입니다. 단락 사고나 심각한 과부하 사고를 감지하는 데 사용됩니다.

1. ① 동작 원리: 설정값 이상의 전류 감지: 계전기에 입력되는 전류를 감시하다가 미리 설정해 둔 전류값(整定値, Setting Value)을 초과하면 동작합니다.
2. ② 50번 (순한시): 설정값 초과 즉시 동작: 전류가 설정값을 넘어서는 순간 거의 지연 없이(순간적으로) 동작합니다. 매우 큰 단락 전류와 같이 즉각적인 차단이 필요한 경우에 사용됩니다.
3. ③ 51번 (반한시): 전류 크기에 반비례하여 동작 시간 결정 (전류가 클수록 동작 시간 단축): 전류가 설정값을 초과하더라도 바로 동작하지 않고, 초과한 전류의 크기에 따라 동작 시간이 달라집니다. 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지고, 전류가 작을수록 동작 시간이 길어집니다. 이 특성 덕분에 일시적인 돌입 전류에는 동작하지 않고, 지속적인 과전류나 단락 전류에 대해 적절한 시간 지연 후 동작하여 선택 차단 협조(Selective Coordination)를 구현하는 데 유리합니다.
4. ④ 주요 용도: 단락, 과부하 등 과전류 사고 보호: 배전선로나 변압기 등 다양한 전기 설비의 주 보호 장치로 활용됩니다.

3.3. 기타 주요 보호 계전기 (간략 소개 및 ANSI 번호)

이 외에도 다양한 종류의 보호 계전기가 특정 고장 유형을 감지하기 위해 사용됩니다.

1. ① 지락 계전기 (Ground Fault Relay, 50G/51G/64): 전기가 땅으로 새는 지락 전류를 감지하여 차단합니다. 인명 감전 사고 예방에 매우 중요합니다.
2. ② 부족 전압 계전기 (Undervoltage Relay, 27): 회로의 전압이 설정값 이하로 떨어졌을 때 동작합니다. 전압 강하로 인한 설비 오동작이나 손상을 방지합니다.
3. ③ 과전압 계전기 (Overvoltage Relay, 59): 회로의 전압이 설정값 이상으로 상승했을 때 동작합니다. 과전압으로 인한 설비 손상을 방지합니다.
4. ④ 결상 계전기 (Phase Failure Relay): 3상 전원에서 특정 상의 전원이 끊기거나(결상) 상 간의 전압 불균형이 심할 때 이를 감지하여 모터 등의 손상을 방지합니다.

4. 계전기 회로 연결의 기본 개념

계전기를 사용하려면 제어 회로와 주 회로를 올바르게 연결하는 방법을 이해해야 합니다. 계전기의 가장 큰 장점 중 하나가 바로 이 두 회로를 전기적으로 분리하여 안전하게 제어할 수 있다는 점입니다.

계전기 연결에 대한 기본적인 이해는 DigiKey의 계전기 개요 및 사용법과 같은 자료에서도 얻을 수 있습니다.

4.1. 제어 회로와 주 회로의 분리 이해

계전기는 크게 두 부분으로 나뉩니다.

1. ① 저전압/저전류의 제어 회로로 고전압/고전류의 주 회로 제어: 계전기의 코일 부분은 비교적 낮은 전압과 작은 전류로 동작하는 제어 회로에 연결됩니다. 이 제어 회로의 신호에 따라 계전기의 접점이 동작하며, 이 접점은 높은 전압과 큰 전류가 흐르는 주 회로에 연결되어 주 회로의 전원을 켜거나 끕니다.
2. ② 안전성 및 효율성 확보: 제어 회로와 주 회로가 분리되어 있기 때문에, 제어 회로를 조작하는 사람은 고전압의 위험으로부터 안전할 수 있으며, 복잡한 제어 로직을 저전력으로 구현할 수 있어 효율적입니다.

4.2. 계전기 단자 이해 및 연결 방법

일반적인 전자석 계전기는 주로 다음과 같은 단자들로 구성됩니다.

1. ① 코일 단자 (A1, A2 등): 제어 신호 입력부: 이 단자에 제어 전압(예: DC 24V, AC 220V 등)을 인가하면 계전기 내부의 코일에 전류가 흘러 전자석이 됩니다. 제조사나 모델에 따라 단자 번호는 다를 수 있지만, 보통 A1, A2 등으로 표기됩니다.
2. ② 접점 단자 (NO, NC, COM): 주 회로 연결부: 코일에 전원이 인가되었을 때 상태가 변하는 스위치 부분입니다.
   • COM (Common): 공통 단자입니다. 주 회로의 전원 입력선이 연결되는 경우가 많습니다.
   • NO (Normally Open): 평상시 열려 있는(Open) 접점입니다. 코일에 전원이 인가되면 닫힙니다(Close).
   • NC (Normally Closed): 평상시 닫혀 있는(Closed) 접점입니다. 코일에 전원이 인가되면 열립니다(Open).
3. ③ 코일에 전원 인가 시 접점 상태 변화를 이용한 회로 개폐: 제어 회로에서 코일 단자에 전원을 인가하면, COM 단자에 연결된 주 회로의 전원이 NO 단자를 통해 흐르게 되거나(스위치 ON), NC 단자를 통해 흐르던 전원이 차단됩니다(스위치 OFF). 이 원리를 이용하여 모터, 램프, 히터 등 다양한 부하의 전원을 제어합니다.

5. 전자 계전기(SSR) vs. 전자석 계전기(릴레이) 비교

계전기는 크게 물리적인 접점을 사용하는 전자석 계전기(일반적으로 '릴레이'라고 불림)와 반도체 소자를 사용하는 전자 계전기(Solid State Relay, SSR)로 나눌 수 있습니다. 각각의 특징과 장단점이 있어 적용 분야가 다릅니다.

5.1. 동작 방식 및 구조 차이

1. ① 전자석 계전기 (Electromagnetic Relay): 코일의 전자력으로 물리적 접점 개폐: 코일에 전류가 흐르면 발생하는 전자석의 힘으로 금속 접점을 물리적으로 움직여 회로를 연결하거나 끊습니다. 기계적인 움직임이 발생합니다.
2. ② 전자 계전기 (Solid State Relay, SSR): 반도체 소자를 이용한 무접점 스위칭: 트라이악(Triac), SCR, 트랜지스터 등 반도체 소자를 사용하여 전기 신호로 회로를 스위칭합니다. 물리적인 접점의 움직임이 전혀 없습니다.

5.2. 주요 특징 비교

구분	전자석 계전기 (릴레이)	전자 계전기 (SSR)
동작 방식	전자력에 의한 물리적 접점 개폐	반도체 소자를 이용한 전기적 스위칭
구조	코일, 가동 철편, 접점 스프링, 접점 등 기계 부품 포함	입력부(LED 등), 광커플러, 출력부(반도체 소자) 등 전자 부품
수명	상대적으로 짧음 (접점 마모, 기계적 피로)	매우 김 (기계적 마모 없음)
스위칭 속도	느림 (기계적 동작 시간 필요)	매우 빠름 (반도체 스위칭)
소음 및 진동	있음 (접점 개폐 시)	없음 (무접점)
가격	상대적으로 저렴함	상대적으로 비쌈
절연 성능	우수함 (물리적 접점 간 간격)	상대적으로 제한적 (누설 전류 발생 가능)
취급 용량	다양함 (저용량부터 고용량까지)	주로 중/저용량에 적합 (고용량은 방열 문제)
극성	AC/DC 부하 모두 제어 가능 (접점 용량 내)	AC용, DC용 구분 필요 (반도체 특성)

5.3. 어떤 계전기를 선택해야 할까? (적용 분야별 고려사항)

어떤 계전기를 사용할지는 요구되는 성능과 환경에 따라 달라집니다.

• 전자석 계전기 (릴레이): 가격이 저렴하고 다양한 용량에 적용 가능하며 절연 성능이 우수하여 범용적으로 사용됩니다. 스위칭 빈도가 높지 않거나 가격이 중요한 경우, 또는 높은 절연이 요구되는 경우에 적합합니다.
• 전자 계전기 (SSR): 수명이 매우 길고 스위칭 속도가 빠르며 소음과 진동이 없어 반도체 생산 장비, 정밀 제어 시스템, 높은 스위칭 빈도를 요구하는 애플리케이션 등에 유리합니다. 다만 가격이 비싸고 방열 대책이 필요하며, 특정 부하(AC/DC)에 맞는 제품을 선택해야 합니다.

6. 용어 정리: 계전기, 릴레이, 전자 계전기

6.1. 혼동하기 쉬운 용어, 명확하게 구분하기

계전기, 릴레이, 전자 계전기라는 용어가 혼용되어 사용되기도 하지만, 정확한 의미는 다음과 같습니다.

1. ① 계전기 (Relay): 전기 신호로 작동하는 자동 스위치 장치 전반을 의미하는 가장 포괄적인 용어입니다. 전자석 계전기, 전자 계전기, 보호 계전기 등 모든 종류의 Relay를 포함합니다.
2. ② 릴레이 (Relay): 일반적으로 '계전기'라고 할 때 가장 흔하게 떠올리는, 코일의 전자력을 이용하여 물리적인 접점을 개폐하는 전자석 계전기를 지칭할 때 많이 사용됩니다. 계전기의 한 종류입니다.
3. ③ 전자 계전기 (Solid State Relay, SSR): 물리적인 접점 없이 반도체 소자를 이용하여 스위칭하는 계전기를 특별히 구분하여 부르는 용어입니다. 역시 계전기의 한 종류입니다.

따라서 릴레이와 전자 계전기는 모두 계전기라는 큰 범주 안에 속하는 특정 종류라고 이해하시면 됩니다.

7. 자주 묻는 질문 (FAQ)

7.1. Q: 계전기 접점 용량이 중요한 이유는 무엇인가요?

A: 계전기 접점은 주 회로의 전류를 직접 통전시키거나 차단하는 부분입니다. 만약 부하 전류보다 접점의 허용 용량이 작으면, 접점이 과열되거나 아크(Arc) 발생으로 손상되어 제대로 동작하지 않거나 화재의 위험이 있습니다. 따라서 제어하려는 부하의 최대 전류를 충분히 견딜 수 있는 용량의 계전기를 선택하는 것이 매우 중요합니다.

7.2. Q: 보호 계전기 설정값은 어떻게 결정하나요?

A: 보호 계전기의 설정값(전류, 전압, 시간 등)은 보호 대상 설비의 정격 용량, 예상되는 고장 전류 크기, 다른 보호 장치(차단기, 다른 계전기)와의 협조(Coordination) 등을 종합적으로 고려하여 결정합니다. 너무 낮게 설정하면 불필요한 동작(오동작)이 발생하고, 너무 높게 설정하면 고장 발생 시 제때 동작하지 않아 설비를 보호할 수 없게 됩니다. 전기 기술 기준, 제조사 매뉴얼, 시스템 설계 기준 등을 참고하여 전문가가 신중하게 결정해야 합니다.

7.3. Q: 전자 계전기는 왜 수명이 긴가요?

A: 전자 계전기(SSR)는 물리적으로 움직이는 부품이나 접점이 없습니다. 스위칭 동작이 반도체 소자의 전기적인 특성 변화로 이루어지기 때문에, 전자석 계전기에서 발생하는 접점의 마모, 소손, 기계 부품의 피로 등이 전혀 없습니다. 이로 인해 반복적인 스위칭에도 성능 저하가 거의 없어 수명이 매우 깁니다.

7.4. Q: ANSI 번호는 무엇이며 왜 사용하나요?

A: ANSI 번호는 미국 국가 표준 협회(ANSI)에서 제정한 보호 계전기 및 관련 장치의 기능을 나타내는 표준 식별 번호입니다. 예를 들어 51은 반한시 과전류 계전기, 27은 부족 전압 계전기를 의미합니다. 이 번호를 사용하면 제조사나 모델에 관계없이 계전기의 기본적인 기능을 통일된 방식으로 이해하고 의사소통할 수 있어 설계, 설치, 유지보수 시 혼동을 줄이고 효율성을 높일 수 있습니다.

7.5. Q: 계전기 고장 시 나타나는 증상은 무엇인가요?

A: 계전기 고장은 다양한 증상으로 나타날 수 있습니다. 가장 흔한 것은 '붙음 고장(Welding)'으로 접점이 떨어지지 않아 회로가 계속 연결되어 있거나, 반대로 '떨어짐 고장(Failure to pick up)'으로 코일에 전원을 인가해도 접점이 붙지 않는 경우입니다. 전자석 계전기의 경우 코일 소손 시 타는 냄새나 연기가 나거나, 접점 불량으로 인해 접촉 불량, 과열, 소음(떨림) 등이 발생할 수 있습니다. 보호 계전기의 경우 설정값과 다르게 동작하거나, 고장 상황에서 동작하지 않는 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

8. 결론: 전기 시스템의 필수 요소, 계전기

8.1. 글 요약 및 핵심 정리

지금까지 전기 시스템의 숨은 영웅인 계전기에 대해 알아보았습니다. 계전기는 작은 전기 신호로 큰 전력을 제어하고, 제어 회로와 주 회로를 분리하며, 자동화 시스템의 핵심 부품이자 설비와 인명을 보호하는 중요한 안전 장치입니다. 특히 열동 계전기(49/THR)는 모터 과부하를, 과전류 계전기(50/51/OCR)는 단락 및 과전류 사고를 감지하여 설비를 보호하는 대표적인 보호 계전기입니다. 계전기를 회로에 연결할 때는 제어 회로의 코일 단자와 주 회로의 접점 단자를 구분하여 올바르게 연결하는 것이 중요합니다. 또한, 물리적 접점을 사용하는 전자석 계전기(릴레이)와 반도체 소자를 사용하는 전자 계전기(SSR)는 각각의 장단점을 가지므로 적용 환경에 맞춰 신중하게 선택해야 합니다.

8.2. 계전기 이해의 중요성 재강조 (안전, 자동화, 설비 보호)

계전기에 대한 깊이 있는 이해는 전기 시스템을 다루는 모든 사람에게 필수적입니다. 계전기의 원리와 동작 특성을 정확히 알 때, 우리는 설비를 더욱 안전하게 운영하고, 효율적인 자동화 시스템을 구축하며, 예상치 못한 사고로부터 소중한 자산과 생명을 보호할 수 있습니다. 계전기는 단순한 부품이 아니라, 현대 전기 기술의 발전과 안전을 뒷받침하는 없어서는 안 될 핵심 요소입니다.