[기술노트 2] 전기재해를 혁신적으로 감소시킬 수 있는 저항성 누전 감지 칩(Igr Chip)

전기 재해를 혁신적으로 감소시킬 수 있는 저항성 누전 감지 칩(Igr Chip) 전주대학교 공과대학 소방안전공학과_최충석 교수 (063)220-3119 / choi365@jj.ac.kr * 협력업체 : ㈜IK Semicon (02)2026-3110 / www.iksemi.com 서론 인류가 태동하여 행복한 삶을 살아가는 데 결정적으로 기여한 전기에너지는 사용이 편리하고 에너지 변환 효율 및 환경 친화력이 매우 우수하다. 이처럼 아무리 우수한 에너지라 하더라도 기기나 설비가 부적절하게 설계, 설치되는 경우 감전 및 화재사고 등으로 인명 사상은 물론 경제적 손실이 발생한다. 이런 전기 재해를 예방하기 위해 설치하는 기기 중 하나가 누전차단기인데, 이것은 국가마다 표시하는 방법에 차이가 있다. 한국산업규격(KS)에서 RCD(Residual Current Protective Device)로, 일본은 ELB(Earth Leakage Breaker)로 나타낸다. 미국과 캐나다는 GFCI(Ground Fault Circuit Interrupter) 또는 GFI(Ground Fault Interrupter)로, 영국은 ELCB(Earth Leakage Circuit Breaker) 또는 ELB로 나타낸다. 그리고 유럽은 RCCB 또는 RCB(Residual Current Protective Device) 등으로 나타낸다. 누전차단기는 누전에 의한 감전 재해 및 전기 화재, 아크 지락에 의한 전기설비 사고 방지 등을 주목적으로 설치하며, 1928년 서독에서 ‘충전부에 접촉된 인체에 흐르는 전류를 영상변류기로 검출하여 피해 발생 전에 고속차단으로 보호하는 방법’으로 최초 발표됐다. 그 당시에는 인체 통전전류의 한계치를 50㎃·sec로 설정하고 10배의 안전율을 취하여, 정격 동작전류 50㎃인 누전차단기가 0.1sec 이내에 차단 완료되면 인체 보호는 물론 누전 화재까지 예방할 수 있도록 했다. 1939년 영국에서는 전압동작형 누전 차단 방식이 연구 발표됐으며, 미국에서는 1962년 감도 전류 5㎃ 차단 방식이 발표됐다. Biegelmeier의 연구 결과로 안전 한계 범위는 더욱 구체화되어 1969년 이후에는 IEC TC-64를 새롭게 보완했다. 영국은 현재까지 전압동작형 RCD를 사용하고 있지만, 누전으로 인한 피해는 누설전압보다 누설전류에 의해 많은 영향을 받으므로 1960년대부터 독일이나 프랑스 등 대부분의 나라에서는 전류동작형을 개발하여 사용하고 있다. 누전차단기에서 영상변류기(Zero-phase Current Transformer : ZCT)는 전류의 입·출력 차를 검출하고 출력 신호를 증폭하여 누설전류를 차단 동작하며 바이메탈의 간격 변화로 과부하를 검출 동작한다. 전류동작형 전자식 열동형 과부하 겸용 누전차단기는 인가 전류, 결선 방법, 바이메탈 간격 변화 등에 의해 차단 동작 유무, 동작시간, 접속부 최고 온도 등이 변하며 누전사고 시 차단기 성능에 많은 영향을 끼친다. 누전차단기가 정확한 누설전류를 검지하는 것이 전기 재해 예방의 가장 중요한 인자다. 즉, 회로 이상 발생으로 전체 누설전류(Ig)는 저항성 누설전류(Igr), 용량성 누설전류(Igc), 유도성 누설전류(Igl)의 벡터 합으로 나타난다. 여기서 전기 화재 발생의 실질적 요소는 저항성 누설전류(Igr)다. 이에 반해 용량성 누설전류(Igc)는 회로 및 시스템 오동작을 유발시키는 성분으로 기기나 장치의 신뢰성 저하는 물론 생산성 향상에도 장애 요인이 되며, 또한 회로에 포함되어 있는 유도성 누설전류(Igl)는 선로에서 무시 가능할 정도로 적은 값이다. 이상의 해석에서도 알 수 있듯이 오동작 요소로 작용하는 용량성 누설전류(Igc)는 통과시키고 전기 화재의 주범인 저항성 누설전류(Igr)만을 정확히 감지하여 차단기가 작동한다면 전기 화재 예방은 물론 시스템 오동작을 근원적으로 예방할 수 있을 것이다. 오동작을 유발하는 용량성 누설전류(Igc)는 컴퓨터, 냉장고, 세탁기, 가로등, 인버터, 형광등, 전동기, 용접기 등의 기기에서 필연적으로 발생하므로 회로에 특별한 이상이 없는데도 불구하고 누전차단기가 ‘꺼짐(Off)’으로 전환되는 일이 빈번히 발생하는 경우 사용자는 누전차단기를 제거하거나 직결(By Pass)하여 사용하다가 화재 발생은 물론 인명과 재산의 손실을 초래하게 되는 것이다. 그동안 많은 전문가들이 저항성 전류만을 감지하는 칩 개발을 위해 시간과 노력을 많이 투자했으나, 성능이 검증된 칩의 개발에는 성공하지 못했다. ㈜IK Semicon이 개발한 ‘저항성 누설전류 감지 칩(Igr Chip)’은 용량성 누설전류(Igc)는 99% 이상 통과시키고 전기 화재의 주범인 저항성 전류만을 감지하는 제품으로 누전차단기, 가전기기, 통신기기 등에 내장된다면 전기 화재 및 시스템 오동작을 근원적으로 예방할 수 있을 것이다. 누전차단기 회로 구성 및 사고 사례 1. 누전차단기 회로 구성

[그림 1] 누전차단기 구성 회로

누전차단기는 <그림 1>과 같이 누설전류를 검출하는 영상변류기와 검출된 출력 신호를 증폭하는 증폭부, 증폭기 바이어스 전압을 공급하는 전원부 및 설정된 누설전류를 초과하면 출력전압을 크게 하여 동작전류를 발생하는 출력부로 구성되어 있다. 정상상태에서는 영상변류기의 유입 및 유출 전류가 같기 때문에 영상변류기 코어에서 발생하는 자속의 벡터 합이 ‘0’이지만, 누전사고가 발생하면 누설전류가 흐르게 되고 코어 내 자속의 벡터 합 차이가 존재하게 되므로 변류기 2차 측에 유도전압이 발생한다. 이 전압은 증폭되어 트립 코일에 교류 전원이 공급되므로 트립 코일의 가동부가 차단기를 트립시키게 된다. 그리고 누전차단기 동작 상태를 확인하기 위해 시험용 버튼이 설치돼 있으며, 고감도형 누전차단기의 경우 누전을 검지하고 차단되는 시간은 0.03초 이내에 이루어지도록 규정돼 있다. 2. 누전차단기 소손 사례

(a) 누설전류 발생 (b) 누설전류에 의한 출화 [그림 2] 소손된 누전차단기 실체 사진

<그림 2>는 누전차단기에 이물질이 유입되었을 때의 소손 형태 및 출화를 나타낸 실체 사진이다. <그림 2> ⒜는 이물질이 케이스 표면에 부착됨에 따라 표면을 타고 누설전류가 흘러 단자 사이가 소손된 상태를 나타낸 것이다. 이와 같이 누설전류가 장시간 반복적으로 흐르면 결국에는 <그림 2> ⒝와 같이 출화로 이어져 사고가 확산된다. 즉, 누설전류가 흘러 발생하는 줄열(Joule Heat)은 저항 요소로 작용하고 발생한 열에 의해 화재가 발생되는 것이다. 저항성 누설전류(Igr) 검출기 및 응용 1. 영상변류기를 이용한 합성 누설전류(Ig) 검출 전선로의 대지 절연저항(Ground Insulation Resistance)이나 전선로에 접속된 전기기기의 대지 절연저항이 열화(劣化)하면 전선로에서 대지로 누설전류(Leakage Current)가 흐르고 이 값이 커지면 전기 화재가 일어난다. 대지 절연저항이 열화한 전선로나 전기기기가 인체에 접촉하면 인체를 통해 대지로 누설전류가 흐르고 이 값이 크면 감전으로 인명사고가 발생한다. 이와 같은 누설전류를 저항성 누설전류(Igr)라 한다. 또한 전선로에는 전선과 대지 사이의 정전 용량으로 항상 대지로 전류가 흐르고 전선로에 접속된 전기기기와 대지 사이에도 정전 용량이 있어 대지로 전류가 흐른다. 이와 같은 용량성 누설전류(Igc)는 전기 화재를 일으키지 않고 단지 시스템의 오동작 요소로 작용한다. <그림 3>은 시스템에서 발생되는 누설전류 경로와 전류 성분을 나타낸 것이다.

[그림 3] 누설전류 경로 및 전류 성분

현재는 누설전류를 검출하기 위해 영상변류기를 사용한다. 이 영상변류기를 이용하여 누설전류를 검출하면 위에서 설명한 저항성 누설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)가 합쳐진 합성 누설전류(Ig)가 검출된다. 저항성 누설전류(Igr)는 전원 전압과 동상이고 용량성 누설전류(Igc)는 전압보다 위상이 90도 앞선다. 합성 누설전류(Ig)는 저항성 누설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)의 벡터 합으로 나타낸다. <그림 4>에는 누설전류 성분을 나타냈다.

[그림 4] 누설전류 성분

2. 저항성 누설전류(Igr) 검출 앞에서 설명한 바와 같이 전기 화재나 인체 감전사고를 방지하기 위해서는 저항성 누설전류(Igr)를 검출하여 누전 경보 또는 누전 차단을 해야 한다. 그런데 영상변류기를 이용하여 검출한 합성 누설전류(Ig)에서 저항성 누설전류(Igr)를 분리하기가 쉽지 않기 때문에, 현재 대부분의 누전경보기 또는 누전차단기는 합성 누설전류(Ig)를 검출한다. <그림 5>⒜에서와 같이 Igr＞Igc인 경우에는 합성 누설전류(Ig)와 저항성 누설전류(Igr)가 비슷해 문제없지만, <그림 5> ⒝에서와 같이 Igr＜Igc인 경우에는 합성 누설전류(Ig)가 저항성 누설전류(Igr)와 크게 달라지므로 문제가 된다. 즉, 누전경보기 또는 누전차단기가 오동작을 하게 되는 것이다.

(a) lgr > lgc인 경우 (b) lgr < lgc인 경우 [그림 5] lgr과 LG의 관계

현재 국내에서는 가정용 분전반 누전차단기 동작 전류를 비교적 큰 값인 30㎃로 설정하고 있다. 이때에는 저항성 누설전류(Igr)와 합성 누설전류(Ig)가 비슷해 누전차단기의 동작전류로 합성 누설전류(Ig)를 이용해도 큰 문제가 되지 않는다. 하지만 부엌이나 목욕탕 같이 습기가 많은 곳의 누전차단기는 동작전류를 15㎃로 하고 있기 때문에 용량성 누설전류(Igc)에 의한 오동작이 발생할 가능성이 많다. 그리고 앞으로 우리나라 역시 미국, 캐나다 등의 선진국과 같이 안전하게 전기를 사용하기 위해 누전차단기 동작 전류를 5~10㎃ 수준으로 낮추어야 하기 때문에 용량성 누설전류(Igc)에 의한 오동작이 큰 문제를 유발할 것이다. 따라서 저항성 누설전류(Igr)를 정확히 검출할 수 있는 방법과 이를 이용한 누전경보기 또는 누전차단기의 연구 개발이 절실하다. 3. 저항성 누설전류(Igr) 검출 방법 ㈜IK Semicon과 ㈜에렐은 저항성 누설전류(Igr)를 검출하는 방법에 대한 다양한 특허를 확보하고 있다. 이들 특허의 기본 원리는 아래와 같이 설명이 가능하며, 전원 전압()은 정현파이므로 전압()은 다음과 같이 나타낸다. 여기서 는 전원 전압의 실효값()이고, 는 전원 주파수다. 따라서 전선로에 흐르는 합성 누설전류(Ig)도 정현파이며 다음과 같이 흐른다. 여기서 Ig는 합성 누설전류(Ig)의 실효치, θ는 전원 전압과 합성 누설전류(Ig)와의 위상각이다. 이 합성 누설전류(Ig)를 전원 전압의 극성이 정(+)일 때, 즉 0 < ωt < π 구간에서 적분한 값을 P라고 하면 다음과 같은 결과가 나온다. 그런데 이고 이기 때문에 Igr은 P에 비례한다. 또한 이 합성 누설전류(Ig)를 전원 전압 극성이 부(-)일 때, 즉 π < ωt < 2π 구간에서 적분한 값을 Q라 하면 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이 경우도 이므로 저항성 누설전류(Igr)는 절대값(Q)에 비례한다. 이상의 연산 과정을 보면 합성 누설전류(Ig)를 전원 전압의 반주기마다 적분하여 저항성 누설전류(Igr)를 검출할 수 있음을 알 수 있다. 4. 저항성 누설전류(Igr) 검출 회로

[그림 6] 저항성 누설전류(Igr) 검출 회로

저항성 누설전류(Igr)는 합성 누설전류(Ig)를 전원의 반주기 동안 적분하여 얻을 수 있다. <그림 6>은 저항성 누설전류(Igr) 검출 회로의 한 예이다. 우선 전원 전압을 검출하여 ‘동기신호 발생’에 보내 전원의 반주기마다 동기신호가 발생하게 한다. 영상변류기에서 검출한 합성 누설전류(Ig)를 ‘반파 적분기’에 보내 동기신호에 따라 전원의 반파 기간씩 적분하면 전원의 반파마다 저항성 누설전류(Ig)을 얻을 수 있다.

(a) 기존 누전차단기 (b) 개발된 저항성 누설전류(Igr) 감지 누전차단기 [그림 7] 누전차단기 구성 비교

<그림 7>은 저항성 누설전류(Igr) 검출 회로를 활용한 누전차단기 사례다. <그림 7> ⒜는 기존 누전차단기 회로다. 영상변류기로 검출한 합성 누설전류(Ig) 신호를 IL7101 Chip으로 증폭하고, 이것을 기준치와 비교하여 누전차단 신호를 출력한다. <그림 7> ⒝는 저항성 누설전류(Igr) 누전차단기 회로다. 영상변류기로 검출한 합성 누설전류(Ig) 신호를 IK7102 Chip에서 전원의 반파 기간마다 디지털 적분한 후 이것을 기준치와 비교하여 누전차단 신호를 출력한다. 개발된 IK7102 Chip(㈜IK Semicon과 ㈜에렐)은 기존 IL7101 Chip에 비해 전선로에 흐르는 저항성 누설전류(Igr)를 항상 감시할 수 있고 저항성 누설전류(Igr)가 어느 기준치에 도달하면 경보 신호를 발생할 수 있다. 따라서 개발된 저항성 누설전류(Igr) 감지식 누전차단기 회로에서는 기존 누전차단기 회로에서보다 ‘전압 검출 및 동기신호 발생’이 부가 추가되었음을 알 수 있다. 5. IK7102 칩 구조와 특성 곡선 개발된 IK7102 Chip은 <그림 8>과 같이 8개의 핀으로 구성되어 있고, 각 핀의 기능은 <표 1>과 같다.

[그림 8] 개발된 IK7 102 실체 사진 및 구조

영상변류기에서 검출한 누설전류는 저항성 누설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)를 포함한다. 이 중에서 저항성 누설전류(Igr)를 계산해 이것을 PWM신호로 출력하고, 기준치와 비교하여 High 또는 Low신호를 출력한다. 공급 전류가 3~4㎃ 정도기 때문에 공급전압 20V를 만드는 회로가 필요하며, 누전차단기에 사용할 때는 핀 5번은 사용하지 않는다. <그림 9>는 개발된 IK7102 Chip의 특성을 측정하여 나타낸 그래프다. <그림 9> ⒜에서 회로에서 저항성 누설전류(Igr)를 0~25㎃까지 증가시켰을 경우 누설전류의 증가에 따라 일정한 비율로 출력전압이 감지되므로 설비에 누설전류가 발생할 때 적절하게 설정된 값에서 회로를 차단할 수 있음을 알 수 있다. <그림 9> ⒝는 회로 내에 용량성 누설전류(Igc)를 증가시켰을 때의 출력전압을 나타낸 것이다. 저항성 누설전류(Igr)만 10㎃일 때 출력 전압은 약 2.05V인데, 회로 또는 시스템 내에 용량성 누설전류(Igc)를 0~25㎃까지 증가시켜도 출력전압이 거의 일정한 값을 유지함을 알 수 있다. 또한 동일한 조건에서 저항성 누설전류(Igr)를 15㎃로 증가시켜 실험한 결과, 출력은 약 3.05V로 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 따라서 이와 같은 칩이 내장된 설비의 경우 사고 위험 인자인 저항성 누설전류(Igr)에만 정확히 작동하므로 전기 화재 및 설비 오동작 예방에 크게 기여할 것이다. 6. 응용 분야 ⑴ 누전차단기 저항성 누설전류(Igr) 검출 회로를 응용하여 <그림 5> ⒝와 같은 저항성 누설전류(Igr) 감지 누전차단기를 설치하는 경우 다음과 같이 기존 누전차단기보다 많은 장점을 가진다. · 용량성 누설전류(Igc)가 큰 전선로에서도 오동작 없이 작동한다. · 현재 누전차단기 동작전류인 30㎃를 15㎃에서 5㎃ 수준까지 낮출 수 있어 전기 재해를 현재보다 현격하게 줄일 수 있다. · 저항성 누설전류(Igr)가 검출되므로 누설전류를 항시 감시할 수 있다. 따라서 누전차단기가 동작되기 전에 미리 누전의 원인을 탐지하여 제거함으로써 전기 재해를 예방할 수 있다. ※ 저항성 누전차단기가 필요한 곳 ① 용량성 누설전류(Igc)가 큰 선로 ㄱ. 가로등, 유도등 ㄴ. 산업용 기기(전동기, 용접기 등) 전선로 ㄷ. 지중 케이블 ② 고조파 또는 고주파 누설전류가 큰 선로 ㄱ. 전자식 형광등 선로 ㄴ. 인버터로 구동되는 전기기기 선로 ㄷ. 통신기기용 전원공급 선로 ③ 고감도(15, 10, 5㎃급) 누전차단기 사용이 권장되는 기기 또는 선로 ㄱ. 습기가 많은 곳(부엌, 화장실 등)에 공급하는 분기선로 ㄴ. 비데, 세탁기, 냉장고 등의 기기에 사용하는 누전차단기 ㄷ. 의료용 전기기기 ㄹ. 전자식 악기 ㅁ. 소아용 전기기기 ㅂ. 컴퓨터가 많이 설치된 곳 ⑵ 누전경보기 누전경보기는 전선로 또는 전선로에 접속된 전기기기에 흐르는 저항성 누설전류(Igr)를 검출하여 이 값이 어느 수준 이상이 되면 경보를 발생하는 것이다. 경보는 부저를 이용한 경보음이나 LED를 이용한 경보 등으로 할 수 있다. 현재 일부 진행 중이며, 향후 예상되는 응용 사례는 다음과 같다. ① 배전기기 매입형 콘센트, 어댑터형 콘센트, 이동식 콘센트에 누전경보기를 설치하여 이 콘센트에 접속된 전기기기에 누전이 발생하면 누전 경보를 울리도록 한다. 경보 전류는 10㎃급으로 한다. ② 가정용 전기기기 습기가 많은 부엌 또는 세면장에서 사용하는 전기기기에 누전이 발생하면 인체에 치명적이다. 따라서 전기세탁기, 냉장고, 화장실의 전기 비데 등에 누전경보기를 설치한다. 그 외에도 전력을 많이 소비하는 에어컨, TV, 형광등 등에 누전경보기를 설치한다. ③ 산업용 전기기기 공장, 빌딩, 학교 건물 등에서 누전차단기에 누전감시 또는 누전경보 기능을 부착하여 전기 재해를 예방할 수 있게 한다. 건설 공사장과 같이 습기, 분진이 많은 환경에서 사용하는 산업용 전기기기, 예를 들어 전기 용접기, 핸드 드릴, 핸드 그라인더 등에 누전경보기를 설치한다. ④ 공공장소의 전기기기 전기를 사용하는 벤딩 머신, 정수기, 가로등, 학교나 사무실의 형광등 등에 누전경보기를 설치한다. 마무리 전기 화재 발생을 억제하고 시스템 오동작이 발생하지 않는 IK7102 Chip을 누전차단기 및 경보기, 가전기기, 통신기기 등에 적용하여 제품을 만드는 경우 추가 비용 없이 사고 발생을 근원적으로 줄이고 예방할 수 있을 것으로 판단된다.첺 최충석(崔忠錫) 인하대학교 공과대학 공학 석·박사. 1994년 일본 구마모토 대학 객원연구원. 1996년 인하대학교 산업과학기술소 선임연구원. 1997년 한국전기안전공사 전기안전연구원 기준연구2과장. 2005년 한국전기안전공사 전기안전연구원 수석연구원/부원장. 현재 전주대학교 공과대학 소방안전공학과 교수. ■참고 문헌 1. Kurt Nowak, “Zwanzig Jahre FI-Schutzschaltung Chronologie und Entwicklung varianten” pp.7-9, aus de 16/1978. 2. A.W. Smoot, N. Magan, “Method of Calculating electrical body impedance and equipment for measuring leakage currents”, p.298, Underwiters Laboratories, USA, 1985. 3. Koepfen, “Electrounf lle und ihre Einfluß gr ßen aus medizinischer Sicht”, Heft 6. Seite 168 bis 173, M rz. 1966. 4. Paul, Schnell, “Fehlerstrom-Schutzschaltung ein wirkungsfalle Schutzmaßnahme gegen Unfall und Brandgefahr”, p.2. M ?nster/westfalen 5. Walter F.Hart, P.E., “A Five-part Resistor-Capacitor Network for measurement of Voltage and Current Levels Related to Electric Shock and Burns”, pp.183-190, Electrical Shock Safety Criteria, 1985. 6. W. Holzmann, “Magnetische Werkstoffe f r Summenstrom und Ausl ser in Fehlerstroms Schutzichalten”, pp.2-3, VACUMSCHME, Hanau, 1976. 7. 한국공업규격, KS C 4613, 한국표준협회 8. 이재복, 명성호, 조연규, 장석훈, 김점식, “누전차단기의 뇌써지 동작특성 분석 및 오동작 대책”, 대한전기학회 논문지, Vol. 51C, No. 10, pp.479-484, 2007. 9. 다카카모 나오히로, 사카이 구니요시, 데라카미 요시카즈, “저항 측정 방법”, 대한민국특허청, 공개번호 10-2004-0071673, 2004. 08. 12. 10. 오노 다케미, “누전전류차단 및 방법”, 국제특허, 국제공개번호 WO2006/035519, 2006. 04. 06. 11. 김보경, “저압 선로의 활선 절연 감시 장치”, 대한민국특허청, 공개번호 20-0401675, 2005. 11. 14. 12. 함승진, 한송엽, 고창섭, “새로운 저항성 누전전류 측정 방법”, 대한전기학회 논문지, Vol. 56, No. 8, pp.1397-1404, 2007. 08. 13. 한송엽, “대지저항성 누설전류 측정기(Analog Multiplier 사용)”, 대한민국특허청, 공개번호 10-0771583, 2007. 10. 24. 14. 한송엽, “대지저항성 누설전류 측정기(Integrator 사용)”, 대한민국특허청, 출원번호 10-2007-0064655, 2007. 06. 28. 15. 한송엽, “Measuring Instrument for an Electric Current Leakage”, PCT / KR2007 / 003732, 2007. 08. 02.