전기회로의 지락보호 목적 및 방식

장마철에는 비가 많이 오기 때문에 전기회로 감전 및 지락 사고가 많이 발생할 수 있습니다. 이러한 지락 사고를 방지하기 위해 전기회로에서 지락 보호의 목적과 방식에 대해 알아보고자 합니다.

 

목차 1. 전기회로의 지락보호 목적     1.1 감전방지     1.2 화재방지      2. 전기회로의 자락보호 방식     2.1 보호접지 방식     2.2 과전류 차단방식     2.3 누전차단방식     2.4 누전경보방식     2.5 절연변압기방식

 

 

1. 전기회로의 지락보호 목적

전기회로의 지락 보호 목적은 감전, 화재, 폭발 및 전기 회로 기기 손상 방지입니다. 이때 지락 전류의 크기는 회로의 영상 임피던스(Zero-sequence Impedance)가 회로의 접지방식에 따라 다르며, 사고점의 고장 임피던스 크기에 좌우됩니다. 이에 따라 지락 전류는 수 mA에서 수 KA까지 넓게 분포됩니다.

여기서 보호 목록에 따라 일반적인 보호 목표 값으로 하는 보호 대상 지락 전류는 다음과 같습니다.

보호목적	보호대상 지락전류 기준
감전방지	수 mA 이상
화재방지	100 mA 이상
아크에 의한 전기설비의 손상방지	수 A 이상

 

1.1 감전방지

1) 고장전압과 접촉전압

감전 방지를 고려할 때에는 인체에 위험을 미치는 접촉 전압에 관하여 고려할 필요가 있습니다. 기기의 회로가 지락 된 경우에, 외함과 기준대지 간에 걸리는 전압을 고장 전압(Ep)이라 하며, 그 외함에 인체가 접촉되었을 때 인체에 인가된 전압을 접촉 전압(Ea)이라 합니다. 접촉 전압은 고장 전압의 일부이며, 인체가 서 있는 위치에 따라, 기기의 외함과 동전 위로 될 수도 있고 만약 기준대지에 서 있게 되면 고장 전압과 같게(Ef=Eb) 될 수도 있습니다.

일반적으로 인체의 위험도를 취급하는 접촉 전압을 논할 때는 최악의 조건을 고려해야 하므로, 접촉 전압은 고장 전압과 같은 것으로 합니다. 즉 전원측 변압기의 제2종 접지 저항 R, 및 회로 저항 RL이 기기 외함의 3종 접지 저항 R에 비하여 현저히 적기 때문에 지락 사고 시 고장 전압은 회로 전압이 되고, 접촉 전압은 최악의 경우 회로 전압과 같습니다.

 

2) 허용 접촉전류

인체가 전기 회로에 접촉할 때 인체에 대한 위험도는 인체에 흐르는 전류값에 따라 결정됩니다. 전류가 흐를 때 인체에 일어나는 반응은 다음과 같습니다.

• 감지 전류: 인체에 흐르는 전류가 몇 mA를 초과하면 자극을 일으키며, 개인에 따라서 1mA 이하에서도 감각을 일으키는 경우도 있습니다.
• 이탈한계 전류: 도체를 꽉 쥐고 있는 상태에서 전류를 증가시켜 5mA에서 20mA 영역에 이르면 근육에 경련이 일어나 잡고 있던 도체를 놓을 수 없게 됩니다. 이러한 정도의 전류를 이탈한계 전류라고 합니다.
• 심실세동 전류: 인체 통과 전류가 10mA를 넘으면 활발히 움직여야 하는 심장의 근육이 경련을 일으켜 혈액 공급 작용이 정지되어 육체 각 부에 신선한 피를 공급할 수 없어 생명이 위태하게 됩니다.

감전 방지를 목적으로 하는 경우 이탈한계 전류를 대상으로 보호하는 것이 최선입니다. 그러나 전류 중에는 인체로 흐르는 전류 이외에도 선로의 누설 전류 및 잔류 전류가 포함되므로 크기가 적은 이탈한계 전류를 구별하기 어렵습니다. 따라서 일반적으로 특수한 악조건을 제외하고는 심실세동 전류 검출 대상 전류로 하여 보호합니다.

심실세동 전류에 관한 연구는 미국의 Dalziel씨와 독일의 Koeppen 씨에 의해 전류의 통과 시간 허용 한계가 있음을 확인했습니다.

미국의 Dalziel씨와 독일의 Koeppen 씨의 전류치를 비교할 때 Koeppen의 허용값이 보다 안전하다고 할 수 있으며, 실용상으로는 Koeppen의 허용값인 50mA•S에 대하여 안전율 1.67을 적용한 30mA•S를 허용값으로 적용합니다. 허용 전류 한계값이 결정되면 인체 저항으로부터 접촉 전압이 정해집니다. 그러나 인체 저항에는 개인 차가 있으며, 피부의 건습 상태나 접촉 상태의 크기에 따라서도 변화되어 항상 일정한 값으로 볼 수 없게 됩니다.

인체 통과 전류 30mA•S에 상당하는 전압은 50V가 됩니다. 이러한 것은 신체 조건이 통상의 조건에서 허용 접촉 전압을 고려한 것이지만, 손발이 도전성의 용액으로 적셔져 있는 경우에는 피부 표면의 각질층 저항이 현저히 저하되어 인체 저항이 500Ω으로 될 우려가 있는 경우에는 25V로 하는 것이 일반적입니다. 또한, 허용 접촉 전압 이상이 걸리는 경우에는 인체에 미치는 영향이 크므로 허용 통과 시간을 제한하여 짧게 하여야 합니다.

전기안전을 위해 규정하는 접촉상태별 허용접촉전압은 아래 표와 같습니다.

 

[표. 허용접촉전압]

종류	접촉상태	허용접촉전압
제1종	인체의 대부분이 물송에 잡겨 있는 상태	2.5V 이하
제2종	인체가 현저히 젖어 있는 상태 또는 금속제 전기기계 장치나 구조물에 인체의 일부가 상시 접촉되어 있는 상태	2.5V 이하
제3종	제1종 및 제2종 이외의 경우로서, 통상의 인체 상태에 있어서 접촉 전압이 가해지면 위험성이 높은 경우	50V 이하
제4종	제1종 및 제2종 이외의 경우로서, 통상의 인체 상태에서 접촉 전압이 가해쳐도 위험성이 낮은 상태 또는 접촉전압이 인가되지 않은 경우	제한 없음

 

1.2 화재방지

전기가 원인인 화재에는 누전에 의한 화재와 아크 발생에 의한 화재가 있습니다. 전로가 절연 파괴되면 일반적으로 수 A의 누설 전류가 구조물 내의 도전물체를 통해 흐르게 되고, 이 때 발생되는 Joule 열에 의해 화재가 발생합니다. 지락 보호의 목푯값이 100mA 이상이므로 일반적인 화재 방지 보호로 충분히 감지할 수 있지만, 발열점에 있는 물질의 종류나 건조 상태에 따라 수 mA 이하에서도 화재가 발생할 수 있어 화재 방지가 어려울 수 있습니다.

아크 지락은 400V급 회로에서 많이 발생하며, 지락이 발생하면 주변에 다량의 열 에너지가 발생합니다. 이 열 에너지에 의해 도체, 구조물 등이 용융 기화되어 이온화되어 급속히 확산됩니다. 이때 아크 발생 정도가 이동하여 전로, 전기 기기 및 구조물에 큰 피해를 일으키는 경우가 많습니다.

통상 아크 단락 사고로 발생하지만, 아크 저항에 의해 전류가 크지 않아 과전류 보호장치에 의한 단시간 검출이 어려워 피해가 확대될 수 있습니다. 그러나 지락 사고 단계에서 아크 전류를 감지하여 고속도(6~9 cycles) 차단을 실시하면 아크 단락으로 확대되기 전에 막을 수 있습니다.

그 밖에도 지락에 의한 손상 중에는 직접 접지 계에서 과대한 지락 전류에 의한 전자력으로 인한 것이 있을 수 있습니다. 그러나 그 크기가 통상 3상 단락 전류(완전 단락 전류)보다는 적으므로 최대 단락 전류에 대한 내력을 검토하는 것으로 대신할 수 있습니다.

 

2. 전기회로의 자락보호 방식

2.1 보호접지방식

이 방식은 대부분 감지 및 예방을 목적으로 합니다. 회로에 지락이 발생하더라도 인체에 걸리는 접촉 전압이 안전 기준 이하가 되도록, 기계 기구의 외형, 배전용 금속관, 금속 덕트 등에 접지 전기 저항 값을 부여하여 억제합니다. 이 방식은 인체에 대한 안전성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 이러한 안전장치를 적용하여 장비의 안전성을 향상하는 것이 가능합니다.

2.2 과전류 차단방식

과전류 차단 방식은 회로의 손상을 방지하기 위해 사용됩니다. 이 방식에서는 단락 및 과전류 보호장치를 사용하여 지락 보호를 하며, 이 방식은 저압 간선, 발전소, 공장 등의 소내 저압 회로에서 많이 채용됩니다.

보호장치가 고속으로 동작하게 하려면 충분한 지락 전류가 흐를 수 있어야 합니다. 따라서 회로와 병행하는 접지 전용선을 설치하거나 금속관 또는 금속 덕트를 완전히 전기적으로 접속하여 접지선의 역할을 할 수 있도록 합니다.

이 방식은 안전과 신뢰성을 보장하기 위해 매우 중요합니다. 따라서 이러한 방식은 고객이 안심하고 제품을 사용할 수 있도록 기업에서 엄격한 품질 관리를 수행해야 합니다. 이를 위해 기업은 각종 테스트를 수행하고, 전문가들이 검사하는 품질 관리 시스템을 구축하여 안정적인 제품을 생산합니다. 또한, 기업은 이러한 과정을 투명하게 고객에게 알리고, 고객의 피드백을 수집하여 제품 개선을 지속적으로 진행합니다.

2.3 누전차단방식

이 방식은 회로에 직류가 발생될 때 나타나는 영상 전압 또는 영상 전류를 검출하여 차단합니다. 이 방식은 일반적으로 감전 방지를 위해 사용됩니다. 검출 대상에 따라 전류 동작형, 전압 동작형 및 전압 전류 동작형으로 구분됩니다.

 

1) 전류 동작형

이 방식은 영상 변류기(ZCT)에 소세력 직류와 전류계전기 또는 지락 전류 감지 회로를 연결하여 지락을 검출합니다. 누전 차단 방식 가운데에서 가장 많이 사용됩니다. 최근에는 주로 영상 변류기 및 과전류 요소 검출부와 차단기 역할을 하는 차단부를 조합하여 일체식으로 제작한 누전 차단기를 사용하고 있습니다. 누전 차단기의 동작 원리는 영상 변류기에서 검출된 미소 영상 전류를 증폭시킨 후 조정부에서 일정 레벨(Level)을 초과하는지 여부에 따라 보조 계전기를 동작시켜 차단 신호를 내게 됩니다. 일반적으로 누전 차단기의 감도는 영상 변류기 1차 측 환산값으로 15-200mA•S 정도로 여러 단계로 조정하여 사용 가능합니다. 전류 동작형 누전 차단기의 동작 특성상, 보통 상태에서 감전 사고 방지에 충분한 감도를 가집니다.

 

2) 전압 동작형

전압 동작형은 전기 회로에 속하지 않지만 도전성을 갖는 금속체와 기준 대지 간에 발생하는 고장 전압을 검출합니다. 이 방식은 기기 외함을 대지로부터 절연하고, 이 외함과 기준 대지에 해당하는 접지극 간에 계전기를 연결하여 사고 시 나타나는 전압에 동작합니다. 기기를 보호 접지하지 않는 대신 기기 외함을 절연하는 것과 기준 대지에 해당하도록 접지극을 시설해야 하는 어려움이 있어 요즘에는 잘 사용하지 않습니다.

 

3) 전압 전류 동작형

대규모 저압 배전 계통(예: 400V급 배전 방식)에서는 다수의 회로 중에 고장 회선을 선택해야 하므로 전압 요소와 전류 요소를 조합시킨 지락 방향 계전기 67F를 사용합니다. 이 방식의 개요는 고압 배전선의 지락 방향 계전기와 같지만, 중성점 직접 접지방식의 400V급 계통에서는 지락 시 영상 전압이 비접지계의 1/3밖에 나타나지 않아 방향 판정 기준 전압으로서 앞선 상의 선간 전압을 사용하거나 영상 전압을 증폭시키는 등의 조치가 필요합니다.

 

2.4 누전경보방식

누전 경보 방식은 전기 안전에 관한 중요한 문제입니다. 비상등 회로와 같이 차단 장치를 갖추는 것이 좋습니다. 이 방식은 전압 동작형과 전류 동작형으로 나뉘며, 각 방식은 누전 차단 방식과 비슷합니다. 전압 동작형은 전기 회로에서 전압이 상승할 때 작동하며, 전류 동작형은 전기 회로에서 전류가 증가할 때 작동합니다. 이러한 누전 경보 방식은 접지 사고 시 회로를 즉시 차단하여 회로를 보호하고 소방법에 의한 화재 경보 장치로 사용됩니다. 이 방식은 벨 또는 버저 등의 경보 장치로 대체할 수 있습니다. 이러한 방식은 안전하고 효과적으로 전기 안전을 유지하는 데 도움이 됩니다.

 

2.5 절연변압기방식

이 방식은 보호 대상 회로를 접지하지 않거나 단독 중성점 접지식 전로로 구성하여, 접촉 전압을 억제하기 위해 절연 변압기를 사용합니다. 이를 통해 인체가 외부에 접촉되어도 지락 전류의 경로가 성립되지 않아 감전이 방지됩니다.

비접지식 방식의 경우, 전기 기기의 지락 사고로 인해 인체가 외부에 접촉되어도 감전이 방지됩니다. 그러나, 이 방식에서는 회로의 절연이 불충분하거나, 선로의 대지에 대한 정전용량이 큰 경우 등에는 누설 전류나 충전 전류가 발생하여 위험해질 수 있습니다.

중성점 접지식 방식은 절연 변압기의 2차 측 중성점을 접지하여, 고장 전압을 허용 가능한 접촉 전압 이하로 유지합니다. 이 방식은 보통 100V 이하의 2차 전압을 유지하며, 감전 위험을 최소화할 수 있습니다.

 

위와 같이 전기회로의 지락보호 목적 및 방식을 살펴보았습니다. 이 글이 전기공학에 대한 전문적인 지식 습득에 도움이 되었기를 바랍니다. (끝)