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[기술특집/국내편] 역접속 가능형 단상용 누전차단기
2009-06-03

국내외 중전기기 업체별 최신 기술

역접속 가능형 단상용 누전차단기
㈜대륙 연구소_김태완 소장(031)334-3371 / www.e-daco.net개요일반 가정이나 공동 주택, 건물 등에 설치된 분전반에는 메인으로 배선용 차단기, 분기로는 다수의 누전차단기가 설치되어 부하별 누전을 감시하고 보호하는 기능을 수행한다. 급속한 산업화로 가전기기가 다양화, 첨단화 되어감에 따라 부하 용량의 증대는 배선용 차단기의 용량뿐만 아니라, 누전차단기의 설치 회로 수의 증대를 야기시키게 된다. 이는 분전반의 크기를 증대시키고, 다회로 장착에 의한 회로 수 분리를 위해 분전반 분기 차단기를 <그림 1>과 같이 상하 배열, 좌우 배열 등 <그림 2>에서 와 같은 과거 1열 배열과는 다른 형태로 분기 누전차단기를 장착시키고 있다.이러한 상하, 좌우 등 2열 배열에서는 차단기의 동작 상태를 나타내는 핸들 위치가 서로 반대로 보여지는 현상이 나타난다는 것이다. 이는 누전차단기 내부 회로의 제어 전원 문제로 인해 정접속만 허용하게 되어 ON/OFF 상태 점검 시 혼돈의 요소로 작용하고 있다. 따라서 일반 사용자들은 차단기 동작 상태에 대한 인지의 어려움이 발생하게 된다.
역접속 가능형 단상용 누전차단기1. 누전차단기의 역사누전차단기는 누전에 의한 감전 재해 예방 및 전기 화재와 아크 지락에 의한 전기 설비 사고를 방지할 목적으로 사용되는 차단기로, 1928년 독일에서 충전부에 접촉된 인체에 흐르는 전류를 영상 변류기로 검출하여 피해 발생 전에 고속 차단으로 보호하는 방법이 최초 적용됐다. 그 당시에는 인체 통전 전류의 한계치를 50㎃로 설정하고 10배의 안전율을 취하여 정격 동작 전류 50㎃인 누전차단기가 0.1초 이내에 차단이 완료되면 인체 보호는 물론 누전 화재까지 예방할 수 있는 것으로 알려졌다.1939년 영국에서는 전압 동작형 누전 차단 방식이 연구 · 발표됐으며, 미국에서는 1962년 감도 전류 5㎃의 차단 방식이 발표됐다. Biegelmeier의 연구 결과로 안전 한계 범위는 더욱 구체화되어 1969년 이후에는 IEC TC - 64를 새롭게 보완하게 됐다. 영국은 현재까지 전압 동작형 RCD를 사용하고 있으나, 누전으로 인한 피해는 누설 전압보다 누설 전류에 의해 많은 영향을 받으므로 1960년대부터 독일이나 프랑스 등 대부분의 나라에서는 전류 동작형을 개발하여 사용하고 있다.
2. 누전차단기의 동작 원리 및 기술⑴ 누전차단기 동작 원리<그림 3>과 같이 평상시에는 ZCT를 관통하는 왕로 전류 I₁과 귀로 전류 I₂는 역방향으로 값은 같아서 ‘I₁=I₂’가 된다. 이 전류에 의해 발생하는 자속 Ф₁과 Ф₂는 오른손 나사의 법칙에 의해 서로가 상쇄되어 2차 전압 e는 유기되지 않고, e =0(Ф1+ Ф2=0)가 된다. 지락시에는 누설 전류 Ig가 발생하면 왕로와 귀로의 전류에 차이가 생겨 ‘I₁=I₂+ Ig’가되며, 차전류 Ig에 의해 자속 Фg가 생겨 e≠0 (Ф₁+Ф₂=Фg)가 된다.<그림 4>는 시스템으로서의 동작 원리도를 나타낸다. 부하에 절연 열화 등에 의해 지락이 발생하면 상기에 표현한 것과 같이 왕로 전류 I₁과 귀로 전류 I₂와 지락 전류 Ig의 관계는 ‘I₁=I₂+Ig’가 되며 ZCT에는 그 차전류 Ig분의 자속 변화 Фg에 의한 2차 전압 e가 발생한다. 이 2차 전압 e는 ZCT가 미포화 상태에서는 Ig에 비례하는 관계로 미리 설정한 검출 레벨 eo에 대하여 2차 전압 e를 판별함으로써 누설 전류 Ig가 일정한 레벨 이상이 되면 누전 신호를 출력할 수 있게 되어 이 신호에 기초하여 누전차단기를 동작하게 된다.⑵ 국내 누전차단기우리나라에서는 전류 동작형 누전차단기를 채택하여 1978년 12월 31일 이전에는 220V 공급 부분에 누전차단기를 부설하거나 3종 접지 공사를 시행하도록 했다. 또한 1979년 개정된 전기 설비기술 기준에서는 누전차단기 부설을 의무화했다.홈 분전반의 적용으로 1990년에서 2006년까지 메인 차단기로써 누전차단기 사용을 의무화했으나, 누전 동작 시 전체 분기 회로가 정전되는 문제점 등이 발생했고, 2007년부터는 인체 보호에 보다 많은 초점을 맞춰 분기에 누전차단기를 설치하도록 개정했다.특히 누전차단기의 경우 회로 동작을 확인하기 위해 월 1회 누전 동작 테스트를 시행하도록 권장하고 있다. 이를 위해 차단기 제조회사는 <그림 5>와 같이 회로를 구성해 외부에 누전 테스트 버튼을 설치해 강제로 누설 전류를 흘리는 회로를 구성하여 누전차단기의 정상 동작 여부를 확인하도록 했다.정접속 시 테스트 버튼을 동작시켰을 경우 차단기가 OFF 되면 어떠한 문제도 발생하지 않는다. 그러나 역접속 시에는 차단기가 OFF 되더라도 차단기의 회로에 계속적으로 전압이 인가되어 SCR에 직렬 연결된 순시정격의 트립 코일에 연속적인 전원이 공급되어 트립 코일이 소손된다. 또한 SCR이나 IC 등 주요 전자부품까지도 과전류에 의해 소손되어 누전차단기로서의 기능을 상실하게 된다.
⑶ 해외 누전차단기일본의 경우 사용자의 차단기 동작 상태 인지 편리성을 확보하기 위해 <그림 6>과 같이 상하 배열 분전반 구성 시 상부에는 역접속 차단기를 별도로 구성하거나, 역접속이 가능한 누전차단기를 개발해 설치 · 구성하고 있다.역접속 시 <그림 7>과 같이 누전차단기가 OFF 동작 되었을 경우 누전 테스트 시 기구부와 연동된 마이크로 스위치를 구성해 회로 구동이 불가능하도록 구성한다. 또한 역접속 시 누전 동작이 발생할 경우 기구부 트립과 동시에 기구부와 연동된 마이크로 스위치가 OFF 되어 누전 검출 회로에 전원이 공급되지 않아 코일 소손을 방지하고 있다.3. 역접속 가능 누전차단기의 동작 원리상하 배열 등 다회로 누전차단기 부착 분전반 구성 시 <그림 8>과 같이 역접속이 가능한 누전차단기를 구성하기 위해 일본의 경우와 같은 역접속이 가능한 누전차단기 또는 역접속 전용 누전차단기를 개발해야 한다.그러나 역접속 전용 누전차단기의 경우 생산에서의 혼선 등으로 어려움이 있고, 일본과 같은 형태의 역접속 가능 누전차단기의 구성 시 기구부와 마이크로 스위치를 연동시킬 경우 제작의 어려움, 제작비용 상승 등의 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 <그림 9>와 같이 차단기 1차측과 2차측 기구부를 중심으로 크로스(Cross) 결선하여 차단기가 OFF 동작 상태에서는 개 회로를 구성하여 코일 소손을 방지할 수 있다.
또한 <그림 10>에서 보여지듯이 전파 정류를 사용하여 누전 검출 회로를 구성할 경우 부하측에서 전원을 공급받는 역접속 시 누전이 검출되어 차단될 경우 회로에 연속적인 전원이 공급되어 트립 코일에 연속적인 전류가 흐르게 되어 소손된다. 이를 해결하기 위해 반파 정류를 사용함으로써 반파 신호에서 트립 동작을 발생시키고 Zero점을 지난 시점에는 OFF 되어 트립 코일의 전원 공급을 차단함으로써 소손을 방지시킬 수 있다.

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