최고의 기술력으로 전기안전 사고 예방 IEC 60364 현장 적용을 위한 축소 모델 및 평가 기법
한국전기안전공사 전기안전연구원(http://re.kesco.or.kr) 한운기 박사, 정진수 박사 (031)580-3078
개요
우리나라에서는 산업 현장의 감전사고 예방을 위해 전기설비를 ‘전기설비기술기준’및 ‘전기설비기술기준의 판단기준’에 의해 시설하고 법정 검사를 실시하고 있다. 현행 전기설비기술 기준은 IEC 60364(International Electrotechnical Commission : 국제전기표준회의) 규격의 선택적 적용이 가능하도록 규정되어 있다. IEC 60364는 국제기준이기는 하나 DIN(독일의 국가 규격), BS(영국의 국가 규격) 등 유럽국가 위주의 전기설비를 모델로 하여 제정된 것으로, 특히 저압설비에 대해 IEC에서 규정하고 있는 보호도체 방식 중 TN 방식이 본격적으로 현장에 도입될 경우 전기설비의 설계, 시공 및 검사시 많은 혼란이 예상되고 있다. 한 예로 도심지의 대규모 빌딩이나 산업 현장 등 환경적 문제로 인해 개별적인 접지 시공이 곤란한 장소에서는 공통 접지시설이 보편적임에도 불구하고, 판단기준 적용시 개별 접지를 원칙으로 하고 있어 현장에서는 공통·개별 접지와 관련해 논란이 야기되고 있다. 또한 보호도체 방식의 혼용 사용으로 인해 기존의 기기 외함 접지방식은 접지 대상물의 접지저항 값만을 고려하면 됐으나, IEC에 의한 다양한 보호도체 접지방식(TT, TN, IT)이 현장에 적용될 경우 보호도체 방식의 구분과 이에 따른 대지 접지저항(RA), 허용 접촉 전압, 판단기준에 의한 현행 전기설비와의 차이 등에서 발생되는 기술적인 문제점이 산재해 있다.
[그림 1] 교육용 축소 모델 및 등전위 단자
[그림 2] 검사용 Paper 및 루프 임피던스 최대값(영국)
여기서는 IEC 60364 현장 적용 시 발생하는 문제점을 알아보기 위해 먼저 유럽의 적용 기관 및 검사 현장을 방문해 국내 적용을 위한 교육용 시뮬레이터를 제작해 보았다. 그 결과 현장 전문가 교육 및 국내 적용 시 발생하는 문제점을 사전 검토했다. 본고에서는 그 결과를 분석하고 이에 대한 해결 방안을 모색하고자 한다.
현장 실태 조사
1. 국외(영국, 프랑스) 분석 결과 (1) 영국의 검사 기법 영국에서는 TN-C-S 방식인 PME(Protective Multiple Earthing) 시스템이 적용되며, 배전용 변압기로부터 선로의 루프 임피던스(0.35Ω)가 벗어날 경우 공급자(Utility)는 TT 또는 TN-S 방식의 일방적 적용 기준을 수용가에 통보한다. IEC 60364를 고려한 루프 임피던스, 접지 연속성은 BS-7671(TABLE 41.2, 41.3)을 적용해 검사하며, 누전차단기 트립(Trip) 시간 및 용량은 I△n*1, I△n*5 또는 정격용량 및 누설전류에 따른 차단 시간검사를 실시한다. 접지 시스템의 저저항 임피던스를 시험하여 전기설비 전체에 대해 연속성 시험을 실시하며, 검사 제도는 초기, 중간, 최종의 단계로 나누어 실시한다. 접지방식은 인입구에서 접지방식에 관계없이 등전위 접지를 하며 접지선의 최소 굵기는 10㎟이다.
(2) 프랑스의 검사 기법 프랑스의 접지 시스템 특징은 TN-S(도심지역의 주택, 빌딩 등) 방식이 대부분이며, 부하의 특징에 따라서 TT와 IT 방식이 채택되고 있다. 공급자가 계통의 중성선에서 계통 접지를 수용가에 공급하며, 수용가 인입구에서 등전위 공통 접지 시스템을 구축하는 방식으로, 영국과 달리 일방적인 접지 시스템의 한정된 방식이 아닌 수용가 특성에 적합한 방식이 적용된다. IEC 60364를 고려한 루프 임피던스, 접지 연속성, 누전차단기 시험 기법은 국내 적용이 가능하며, TN-S 방식을 국내에 적용하기 위한 차단기 규격 및 선로 임피던스 규정은 국내 실정에 적합한 기준이 요구된다. TN 방식의 적용에 따른 공통 접지 공사는 철근 등의 건물의 구조체, 수도 및 가스 등의 금속성 도체와 메인 접지 단자함에서 등전위점에 원 포인트 접지점 시스템으로 구성되어 있다. 또한 건축물 내부에서 완전 등전위를 구성하며 국내와 달리 일관성 있는 접지 시스템을 구축하고 있다. 검사 방식에는 초기, 중간, 최종 검사 제도가 적용되며, 검사 항목으로는 접지저항 측정, 보호도체 연속성, 절연저항측정, 누전차단기 성능 시험 등이 있다.
[그림 3] 현장 검사 장면(프랑스)
2. 국내 분석 결과 (1) 실태조사표 작성 국내 실태조사는 유럽(영국, 프랑스) 검사 기관의 검사 기법 및 전문가 교육 과정 전수를 통해 작성된 실태조사표를 바탕으로 현장조사를 실시했다. IEC 60364를 바탕으로 한 적용 기법은 두 나라가 유사하므로 공통점을 기반으로 추출했다. 국내 전기설비의 시공은 대부분 국제규격의 접지시스템 보호 방식 중 TT 방식과 매우 유사한 듯 보이지만 인체 보호를 위한 접지 시스템 구성에 차이가 있다. 차이를 나타내는 요소로는 보호도체의 등 전위 및 연속성, 차단기 동작 특성 및 접지 시공시 접지저항 등이 있다. 이에 국제규격(IEC 60364)의 접지 시스템 보호 방식에서 제시하고 있는 검사 방법을 이용해 고장 루프 임피던스, 차단기 동작 특성 및 보호도체의 연속성 등을 확인하고자 한다. <표 1>은 보호도체의 연속성 및 점검을 위해 제작된 것이다. 수용가로 인입된 변압기 중 AC1000[V] 이하 부분을 기점으로 분기되는 차단기 이전까지의 변압기 및 케이블의 루프 임피던스, 케이블의 절연저항, 계통의 구성 등을 측정하기 위해 제작했다. 그리고 차단기에서 시작하여 변압기를 지나 맞은편 측정 지점까지의 루프 임피던스, 케이블의 절연저항, 차단기의 정·역방향 전압, 전류, 차단 시간 및 사고전류를 측정할 수 있도록 했다. 국제규격의 접지 시스템 보호 방식을 기반으로 작성됐으며, 변압기 220/380[V] 구간부터 측정을 시작하며 변압기 명판 확인 등을 통해 전기설비의 특성을 알 수 있다. 또한 케이블의 절연저항, 케이블 규격, 케이블 특성 시험을 통한 고장 루프 임피던스 측정 등이 가능하다. 차단기 동작과 관련해서는 변압기 측정과 비슷하지만 차단기 정보, 차단기 동작 시험이 추가되어 있다. 또한 보호도체의 연속성은 시작지점과 종료 지점을 명시해 모든 구간의 연속성을 확인할 수 있도록 작성했다.
[표 1] 보호도체(PE) 연속성 및 점검용 측정표
(2) 현장 적용 결과 및 문제점 기존 기술기준에 준해 시공된 건축설비에서 측정한 결과, 영국 BS-7671의 규격을 따를 경우 차단용량이 30[A]인 고장 루프 임피던스 ZS가 0.9[Ω] 이하, 차단용량이 15[A]인 고장 루프 임피던스 ZS가 2.4[Ω] 이하일 경우 계통이 안정적이라 판단하고 있다. 따라서 실측을 실시한 설비의 경우 양호한 것으로 판단된다. 연속성을 확인한 결과 1층 접지부와 수도 파이프(Pipe)는 0.22[Ω]가 나왔으나 타 금속도체의 경우 접지와 분리되어 있는 것으로 확인됐다. 차단기 동작 특성은 IEC 60364에서 제시하고 있는 차단용량의 1배(30[㎃]), 5배(150[㎃]) 시험을 정·역방향에서 모두 실시했다. 그러나 차단기 동작으로 인한 정전 문제 때문에 차단기 2와 차단기 4에 대해서만 차단기 동작 시험을 실시했다. 시험 결과 모든 차단기의 동작 시간은 양호한 것으로 판단됐다.
실태조사 결과 전반적으로 전기설비가 양호한 것으로 판단되며, 기존 기술기준에 준한 건축전기설비의 경우 ZS값이 매우 큰 것이 일반적이지만 실태조사 설비의 경우 TT 방식이라 봐도 무관할 정도의 루프 임피던스 값이 측정됐다. 그러나 <그림 5>의 보호도체 연결 사진에서와 같이 모든 보호도체 및 접지가 독립되어 있어 사고 구간에 따라 사고전류는 큰 차이를 나타낼 것이라 판단된다. 또한 보호도체 연속성 검사 실시 결과 수배전반을 제외한 나머지 구간의 경우 모든 금속도체가 분리되어 있어 누전차단기에 의한 인체 보호가 반드시 필요하다.
(3) 국내 개선 사항 기존 설비와 IEC 60364에 준하여 시설된 전기설비에 대한 실태조사 결과, 기존 설비를 TT 접지 시스템과 동일하게 설계하기 위해 아무런 검증 없이 모든 금속도체를 등전위할 경우 차단기의 차단용량이 부족하여 인체 및 설비 보호 시 문제가 발생할 위험 요소를 내포하고 있다. TN-C-S로 설계된 건축전기설비의 경우 IEC 60364에서 제시하는 모든 시공 방법에 준해 시공됐기 때문에 추후 IEC 60364에 준하여 시공되는 건축전기설비의 표본이 될 수 있을 것으로 판단된다. 단, 실측 시험에서와 같이 정기검사를 통한 이상 차단기 검출 및 유지 관리자가 IEC 60364에 대한 이해 부족 문제를 해결하기 위해 전기설비 관리자에 대한 교육이 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 결과적으로 본 점검표를 이용하여 변압기 종류, 루프 임피던스, 차단기 동작 시험, 가스 및 수도 파이프와 같은 보조전극의 사용 유무, 보호도체 연속성 시험 등의 검사가 가능하며 본 결과를 기반으로 한 점검표를 이용할 경우 IEC 60364가 시공되더라도 점검이 가능할 것으로 판단된다.
축소 모델 구축 및 실험 결과
1. 축소 모델 구축 건축전기설비 중 인체 감전 보호를 목적으로 시설된 설비를 실험하기 위해 설계된 실험설비를 <그림 6>에 나타냈다. <그림 6>에서 모의실험 장치는 IEC 60364에서 제시하는 TT, TN 등의 접지계통 구성이 가능한 전원측과 루프 임피던스의 특성, 차단기 동작 특성, 선로저항 변환, 접지의 추가 연결 및 보호도체의 연속성 등을 모의하기 위한 부하측으로 구성된다. <표 2>는 감전 보호를 위해 구성된 실험설비의 각 부분에 대한 용어 정의를 나타냈다. 접지계통 실험을 위한 전원은 3상 4선식 380[V]/380[V], 15[㎸A] 절연 변압기를 사용했는데, 이는 지락사고 모의시 사고전류가 2차측으로 회귀하여 계통으로의 파급을 막기 위해서이다. <그림 6>은 접지계통이 N상과 보호도체(PE)의 구성에 따라 변경이 가능하도록 설계했다. <그림 6>과 같이 스위치를 이용하여 TT, TN-S, TN-C 등의 접지계통으로 변환이 가능하며 각 접지계통은 접지저항 및 선로의 임피던스 크기에 따라 인체 및 전기설비에 대한 안전성이 변경되므로 ZS와 RA를 변환시켜 모의를 실시했다.
2. 실험 결과 (1) 측정용 장비 비교 본 실험에 사용된 장비는 Chauvin-Arnoux의 Multi-meter인 F3N과 Chauvin-Arnoux의 6115N을 이용해 루프 임피던스를 측정했다. F3N과 6115N의 연속성 측정을 위한 저항 측정 방식의 경우 DC를 이용해 선로의 저항을 측정하지만, 6115N의 루프 임피던스 측정 방식의 경우 공칭전압을 측정하고 선로의 R, L값을 측정, 4단자 회로방식을 이용해 값을 나타내는 특징을 가지고 있다. <그림 7>은 장비별 루프 임피던스를 측정한 결과이다.
변압기에서 측정을 시작해 50[㎟]-30[m] 연결시, 10[㎟]-30[m] 추가 연결 시 보호도체(PE)의 저항 증가, 등전위 및 추가 접지값의 변화를 3가지 측정 장비 및 방식에 따른 차이로 도출했다. 실험 결과 F3N과 6115N의 도체도항을 측정하는 장비의 결과는 매우 유사하게 나왔다. 그러나 6115N의 루프 임피던스를 측정하는 장비의 경우 앞의 두 결과보다 높은 저항값이 나타났음을 알 수 있었다. 이는 변압기 및 케이블이 L값을 측정하지 않고 순수 R값 만을 측정하는 앞의 두 장비에 비해 R, L값을 모두 고려한 6115N의 임피던스 값이 높은 것은 당연할 것이다. 또한 변압기의 경우 L값이 매우 높으므로 L값을 고려하여 측정해야만 정확한 루프 임피던스를 측정할 수 있다. 결과적으로 건축전기설비의 루프 임피던스를 측정할 경우 변압기, 케이블 등 루프 임피던스를 측정하는 구간에 접속되어 있는 모든 도체의 저항 성분과 인덕턴스 성분을 모두 측정할 수 있는 장비를 사용해야 할 것이다.
(2) 루프 임피던스 측정을 통한 계통 비교 앞의 실험방식과 동일하게 <표 3>에서는 보호도체에 연결된 3개의 스위치를 이용하여 각각의 접지계통을 구성했다. 케이블의 경우 케이블 50[㎟]-30[m] 연결 시, 부하측 케이블 10[㎟]-30[m] 추가 연결시 보호도체의 저항 증가, 등전위 및 추가 접지의 변화에 따른 루프 임피던스를 측정했다. <그림 8>은 계통별 루프 임피던스를 나타냈다. 측정 결과 변압기 구간에서는 3가지 접지계통(TN-S, TN-C, TT)에서 모두 동일한 결과가 측정됐다. 그러나 TT 접지계통의 경우 L, N, PE를 연결하고 최대 측정 저항값이 100[Ω]인 6115N의 장비한계로 인해 더 이상의 측정은 불가능했다. 이후 TN-S 접지계통과 TN-C 접지계통의 루프 임피던스의 측정 결과는 매우 유사하다 할 수 있으나, 보호 도체의 저항이 증가할수록 TN-S 접지계통의 루프 임피던스 값이 증가함을 알 수 있다.
이와 같이 보호도체의 임피던스 값이 증가할수록 감전에 대한 위험성은 높아지게 된다. 참고로 정격전압 220[V], 주파수 60[㎐], 안전전압 44[V], 차단기 용량 15[A]를 가진 계통에서 인체 보호를 위한 최대 루프 임피던스는 약 2.9[Ω]으로, TN-S 구간에서 보호도체에 1.1[Ω]의 저항을 증가시킨 계통의 경우 3.19[Ω]을 나타내므로 지락사고 발생시 감전에 의한 인체 보호에 실패할 가능성이 있다. 이와 같은 결과만을 놓고 봤을 때 TN-C가 TN-S에 비해 보다 좋은 접지계통으로 볼 수 있으나, TN-S 접지계통의 경우 누전차단기를 사용할 수 있는 반면, TN-C 접지계통의 경우에는 계통 구성상 누전차단기 설치가 불가능하므로 감전 위험성이 높은 곳에는 TN-S로 접지계통을 시공하는 것이 유리하다.
3. 결론 모의실험을 통해 수용가 접지계통의 측정 장비, 루프 임피던스, 차단기 동작 특성 등을 실험한 결과, 루프 임피던스를 측정하는 구간에 접속되어 있는 모든 도체의 저항 성분과 인덕턴스 성분을 측정해야 한다. 인체 보호를 목적으로 할 경우 TN-S 접지계통으로 시공해야 하며 설비 보호를 목적으로 할 경우 TN-C 접지계통으로 시공해야 할 것이다. 누전차단기 특성 실험 결과 TN-S 접지계통의 경우 사고전류가 높게 측정된 것을 알 수 있었다. 이는 누전차단기가 정확하게 동작되며 차단기 동작에 실패하더라도 인체 감전으로부터 보호가 가능하다. 그러나 보호도체의 저항이 높아질수록 사고전류가 감소하는 반면 인체감전의 위험성이 증가하게 된다. TT접지계통의 경우 사고전류는 낮으나 인체 감전의 위험성을 내포하고 있어 누전차단기 설치를 통해 이를 예방할 수 있다. 접속부 불량의 경우 계측기의 발생 전류가 낮기 때문에 점검을 통해 불량 지점을 검출하는 것이 불가능하므로, 보호도체 접속부는 시공 시 확실하게 접합하여 확인하는 것이 매우 중요하다. 또한 추가 접지 시공 시 루프 임피던스는 감소하고 사고전류는 증가하는 특성을 나타냈다. 이에 접지계통 시공 후 루프 임피던스가 높게 나온다면 추가 접지 시공을 통해 이를 감소시키는 것도 하나의 좋은 방법이다.
마무리
전력계통 및 수용가용 설비의 설비 구성 방식과 사용 설비에 차이점이 있기 때문에 IEC 60364 국내 적용을 위해서는 여러 문제점을 해결해야 한다. 이러한 문제점을 극복하고 최적의 시스템 구성을 위해 다음과 같은 해결 방안을 제시했다.
① 유럽지역의 적용 사항을 조사한 결과 다음과 같다. 영국의 접지 시스템 특징은 TN-C-S 방식인 PME(Protective Multiple Earthing) 시스템이 적용되며, 배전용 변압기로부터 선로의 루프 임피던스(0.35Ω)가 벗어날 경우 공급자는 TT 또는 TN-S방식의 일방적 적용 기준을 수용가에 통보한다. 루프 임피던스, 접지 연속성은 BS-7671(TABLE 41.2, 41.3)을 적용하여 검사하며, 누전차단기 트립 시간 및 용량은 I△n*1, I△n*5 또는 정격용량 및 누설전류에 따른 차단 시간 검사를 실시, 검사 제도에 있어서는 초기, 중간, 최종의 단계로 이루어져 있다. 접지방식은 인입구에서 접지방식에 관계없이 등전위 접지를 하며 접지선의 최소 굵기는 10㎟이다. 이러한 방식은 프랑스에서도 대부분 비슷했다. ② 유럽지역의 현장 적용 사항을 바탕으로 국내실태를 조사한 결과는 다음과 같다. 접지 시스템 보호 방식 중 TT 방식과 매우 유사한 듯 보이지만 인체 보호를 위한 접지 시스템 구성에는 차이가 있다. 누전차단기 적용에 있어 산업용과 일반용의 적용방식에 구분이 없고, 이러한 부분은 루프 임피던스선정과 사용전압(220/380이 IEC에 없음)에도 큰 문제점이 있는 것으로 나타났다. 또한 현장의 루프 임피던스 값은 대부분 큰 값이 측정됐다. 국내 적용시 등전위 본딩, 시공 상의 오류 개선, 검사 방식의 표준화 등 개선 사항이 요구되며, 국내 여건과 비슷한 표준화 모델이 제안돼야 할 것이다. ③ 효과적 현장 적용을 위해 축소 모델을 제작했다. DAQ 및 부하 모델을 축소해 전문가 교육 및 현장의 설비 구성이 가능하도록 제작했으며, 국내 IEC 60364 적용 시 도움이 되리라 본다.
이처럼 IEC 60364를 이용한 국내 적용에는 많은 개선점을 요구한다. 시공에서부터 사용설비, 시공기법, 검사 기법, 측정 방법 등에 개선점이 요구되며, 가정용 제품의 차단기 개발이 이루어짐과 동시에 대규모 접지전극 접지저항 측정 기법의 표준화 적용 방안도 요구된다. 또한 수용가 설비의 저전압 적용 레벨의 적용 대상, 검사 기법의 3단계 절차 등 다수의 개선이 필요하다. 따라서 국제기준에 부합하는 현장 적용을 위해서는 지속적인 연구가 필요한 것으로 나타났다.
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