월간전기



[전기설비 안전관리를 위한 최신 기술] 차세대 전기안전관리시스템의 추진 현황 및 향후 계획

2010-10-15

한국전기안전공사 전기안전연구원(http://re.kesco.or.kr) 배석명 수석연구원 (031)580-3114 / s11myong@naver.com 개요 생활환경이 디지털화됨에 따라 전기에 대한 인류의 의존도가 더욱 높아지고 있다. 이에 따른 전력 사용의 증가는 전기에 의한 위해(危害) 상황에 노출되는 빈도를 증가시켰고, 전기재해에 대한 잠재적(潛在的) 위험성 또한 증가시킴으로써 1~3년 주기로 이루어지는 기존의 점검을 통한 전기재해 예방이 한계에 직면했다. 또한 디지털 부하의 증가에 따라 점검 시 정전시킬 수 없는 수용가가 늘어나 전기화재나 감전의 직접적인 원인 확인을 위한 기초적인 점검조차 실시하지 못하는 경우가 급속히 증가하고 있다. 설령 법에 규정된 점검을 적절히 실시했다 하더라도 당시의 부하설비를 포함한 전기설비의 조건이 모든 사용 조건에서의 안전을 확인시켜 주지는 못하기 때문에 산재된 위험요소를 제거하기가 더욱 어렵고, 전기설비에서의 사고 징후는 다른 설비에 비해 비가시적(非可視的)이므로 재해가 발생될 때까지 인지하지 못하는 경우가 대부분이다. 이 때문에 증가된 전기재해 위해요소를 반영해 점검 주기를 짧게 조정할 필요가 있다. 그러나 경제적 비용, 정전 불가 및 부재 수용가 증가 등의 이유로 현실적인 해결 방안이 될 수 없다. 일상생활 공간인 일반 주택의 경우 재해에 대한 인지 능력이 현저히 감소된 상태로 있는 경우가 많아서 인명피해가 다른 장소에 비해 상대적으로 매우 클 수밖에 없다. 그리고 전기에 대한 전문지식이 없는 일반 사용자가 1~3년 주기의 공백을 스스로 관리해야 하는 기존의 점검 체계 및 보호장치로는 재해 예방에 한계가 있다. 특히 아파트 단지와 같은 대규모 주거시설의 경우에는 자가용 전기설비로 분류되어 정기점검 대상에 포함되어 있지 않으며, 접근이 극히 제한적인 점유자의 사유공간(私有空間)이기 때문에 안전관리자에 의한 체계적인 점검이 이루어지고 있지 않은 실정이다. 또한 기존 보호 체계의 범위를 벗어나는 전기적 고장이 존재한다. 그 중 대표적인 것이 아크고장에 의한 낮은 고장전류에서의 전기화재 발생이다. 결과적으로 지속적으로 발생되는 전기재해를 예방하기 위해서는 국가의 재난관리 체계의 총체적인 개선 없이는 근본적인 대책을 강구할 수 없게 됐다. 전기화재 원인 1998년부터 2007년까지 발생된 전기화재의 원인을 보면 <그림 1>과 같이 70.1%의 단락, 8.4%의 과부하, 5.8%의 누전, 3.6%의 접촉불량(Poor Contact), 0.4%의 정전기 등의 순이다. 전기화재 원인 메커니즘은 단독 작용으로 재해를 유발하기도 하고, 복합적으로 상호 연계되어 발생하기도 한다. 이들은 대부분 전류와 상관관계를 갖는다. 도체에 전류를 통전시켰을 때 발생하는 열량은 전류의 2승과 도체저항의 곱에 비례한다. 일반적으로 전로에 쓰이고 있는 도체의 고유저항은 대단히 적기 때문에 평상시 사용 조건에서는 전로로 부터의 발열량이 매우 적어 온도가 극도로 상승하지는 않는다. 그러나 전선에 허용전류보다 큰 전류를 흘릴 경우, 또는 발생한 줄열의 발산이 저하된 경우나 배선접속부의 접촉저항이 증가한 경우, 전원의 중성선이 단선된 경우 등에는 줄열에 의한 온도 상승이 현저하게 되어 출화 요인이 된다. 또한 설계된 전로 이외의 경로로 전류가 흘러 그 경로의 금속 접합부 및 유기절연재에 형성된 탄화경로에서 발생하는 줄열도 역시 출화의 요인이 된다. 현재 주택으로 인입되어 분기되는 전원의 각 회로는 과부하 및 단락전류를 검출해 차단시키는 배선용 차단기와 영상전류를 검출해 누전에 의한 화재를 예방하는 누전차단기가 설치돼 있다. 이들의 보호기능이 적절하게 제공되면 전기재해의 예방에 대한 기본적인 조건을 갖췄다고 상정할 수도 있으나, 여러 통계자료에 따르면 많은 화재가 전기에 의해 발생되고 있으며, 실제로 국내 전체 화재의 19%를 전기화재가 점유하고 있다. 전기화재의 원인을 분석한 결과, 기존의 보호 체계로 보호될 수 있을 것으로 판단됐던 과부하 및 누전에 의한 전기화재가 지속적으로 발생하는 것으로 확인됐다. 이는 배선용 차단기와 누전차단기가 정상적인 작동을 하지 않음으로 인한 결과로 볼 수 있다. 최근 디지털 기술의 발달로 첨단 전자제품 등에 한정됐던 디지털 컨버전스(Digital Convergence)가 전기설비에도 접목되고 있다. 특히 정보통신 기술과의 융복합 기술이 정부 주도 하에 이루어지고 있다. 따라서 전기재해를 효과적으로 예방하기 위해서는 부하 사용 조건에 따라 수시로 변화하는 상황에 대응 가능한 상시 감시 체계의 확보와 전기화재의 주요 원인인 아크고장에 대한 보호장치의 도입이 요구된다. 이를 통해 현행 사후관리 위주의 전기안전관리 체계에 정보통신 기술을 융합한 국가 단위의 전기안전 체계의 구축 및 보급으로 국가 전기안전관리 체계의 효율적인 운영 방안을 추진할 필요가 있다. 차세대 전기안전관리 시스템 현황 1. 일반용 주택설비의 전기안전관리시스템 전기안전연구원에서는 유비쿼터스 환경과 접목된 원격 실시간 감시를 통한 전기안전 확보 방안에 대해 국책 연구과제에 참여한 결과로서 지능형 홈 분전반(H-SCP)의 기술이 탄생됐다. 지능형 홈 분전반에 적용된 실시간 감시요소는 전원의 전압과 부하전류, 피상전력, 순시전력, 영상전류 등이고, 기존의 보호 체계에 부가적으로 아크고장 차단 및 감시기능을 포함시켰으며, 전기안전 감시기능 외에 각 방의 온도 및 출입문 개폐 등의 일반화재 및 보안에 대한 감시기능도 추가할 수 있도록 설계했다. 수용가에서 문제가 발생하면 지능형 홈 분전반이 검출해 서버로 정보를 전송하고, 이동 중인 지정된 관리자의 휴대폰(Mobile Phone)으로 SMS 문자 정보를 전송, 현장에서 휴대폰을 통해 서버의 이력 정보를 확인하고 신속하고 정확하게 조치를 취할 수 있도록 했다. 이렇게 개발된 지능형 홈 분전반은 열악한 전기설비를 실시간으로 감시해 재해 발생의 위해요소를 순시적으로 확인 및 제거함으로써 안전을 도모하는데 기여할 수 있을 것이다. 2008년도 전주 한옥마을(28호)에서의 시범사업 또한 이와 맥락을 같이하고 있다. 이를 통해 유비쿼터스 환경을 활용한 일반용 전기설비에 대한 점검체계 모델이 구축됐고, 아크고장에 대한 검출기능과 누설전류 감시기능 등이 확보됐다. 향후 개발된 모델의 체계적인 발전을 통해 3년의 재해 잠복기간이 실시간 점검에 의해 해소될 수 있을 것이며, 타의에 의한 개혁이 아닌 한국전기안전공사가 주체가 되어 안전관리 체계의 통합적 변화가 이루어질 수 있을 것으로 판단된다. 2009년도 제2차 시범사업으로는 경주 양동마을(24호)에서는 인터넷에 가입하지 않은 가구에도 지능형 홈 분전반을 적용할 수 있도록 무선통신(ZigBee)을 이용한 네트워크를 구성해 시범사업을 실시함으로써 다양한 환경에 대응할 수 있도록 했다. 시범사업의 효과로는 전주 한옥마을에서 실외 세탁기 사용으로 2009년 6월경 비가 온 후 누전이 발생했고 담당직원이 관련 메시지를 수신, 출동해 누전에 대한 조치를 취함으로써 사전에 재해를 예방할 수 있었다. 경주 양동마을에서도 과전류, 누전 등의 이벤트에 대해 담당직원이 출동해 사용상의 주의 및 개보수 요청 등을 통해 전기재해를 예방할 수 있도록 했다(<표 1> 참조). 향후 계획으로는 영유아 보육시설의 노후 및 부적합 전기설비 개선사업과 연계해 전국의 영유아 보육시설을 대상으로 지능형 홈 분전반을 설치할 계획이며, 문화재청과 협의해 안동 하회마을 등 전국 6개 민속마을에 지능형 홈 분전반 설치를 추진할 예정이다. 2. 전기재해 취약장소의 전기안전관리시스템 전기재해 취약장소인 재래시장에서의 전기재해를 예방하기 위해 전등용 분전반과 동력용 분전반 등이 전기화재방지를 위한 아크 검출 센서, 과전류 검출용 센서, 누설전류 검출용 센서 및 분석 모듈을 포함한 센서로 신호출력이 가능하도록 제작했다. 분전반각 차단기의 과전류, 누설전류, 아크 신호와 트립 확인 등의 검출 데이터를 안전하게 서버로 전송하기 위해 메인제어보드가 시리얼(Serial)로 송신하는 데이터를 받아서 'Optic to Ethernet MUX'를 통해 서버로 전송하게 된다. 또한 침입 및 화재 감시 센서는 ZigBee 기반의 디바이스(Device)들이 무선으로 송신하는 데이터를 받아서 시리얼로 변환해 메인 제어보드를 통해 서버로 전송하도록 구성되어 있다. 또한 메인 제어보드에서 검출하는 각종 데이터의 기준 값에 대한 경고 기준 설정 및 변경, 시간 설정 등을 휴대폰과 시리얼 통신을 이용해 변경 또는 설정하도록 제작했다. 그리고 재래시장의 배전반에서 각 상가의 분전반간 배선상태를 진단하는 간선 보호제어기와 고 신뢰성 구현의 지능형 수배전반을 개발해 전기안전연구원에 테스트베드(Test Bad)를 설치했으며, 차후에는 재래시장 한 곳을 선정해 시범사업을 할 예정이다. 3. U-City의 전기안전관리시스템 U(Ubiquitous)-City는 도시기능과 관리의 효율화를 위해 기존 정보 인프라를 혁신하고 유비쿼터스 기술을 기간시설에 접목시켜서 도시 내에 발생하는 모든 업무를 실시간으로 대처하고 정보통신 서비스를 제공해 주민에게 편리하고 안전하며 안락한 생활환경을 제공하는 신개념 도시이다. U-City에 구축되는 전기설비에 전력 IT 기반에 의한 차세대 전기안전 통합관리시스템을 개발해 적용함으로써 U-City 환경에 적합한 전기재해 예방 서비스가 제공될 것이다. 이를 위해서는 전기안전보호 기술, 전기설비를 상시 감시할 수 있는 기반 기술, 설비를 원격으로 관리할 수 있는 기술과 이들의 종합적인 통합감시시스템을 개발해 전기안전연구원에 테스트 베드 구축 및 시험 후에 건설사와 연계해 시범사업 등을 진행할 예정이다. U-City 전기안전 통합관리시스템의 개발 기술은 수배전반 아크/부분방전 진단 장비 , 다 채 널 용 분 전 반(MPNP, HPNP), 홈 분전반과 홈 네트워크 연계시스템, G&B(Gateway & Black), MCC반 감시장치, 예비전원용 배터리 감시장치 등이 있다. 개발이 완료되면 U-City통합관제센터와 연계해 운영할 계획이다. 또한 녹색성장의 일환으로 추진되고 있는 스마트그리드는 양방향 통신 기술을 적용해 태양광, 풍력, 전기자동차 충전시설, 연료전지 등의 전기설비가 집 안에 설치되고 전기에너지의 효율적 이용을 도모하는 것을 목적으로 한다. 스마트그리드 제주도 실증사업에 한전 컨소시엄의 스마트플레이스 분야에 전기안전연구원(차세대기술팀)이 참여, 지능형 홈 분전반(HSCP)을 스마트그리드와 연계해 전기안전관리 및 서비스 제공 모델을 실증할 예정이다. 더 나아가 실증을 통해 스마트그리드 체제 하에서 고객 전기설비의 안전성을 확보할 수 있는 방안을 모색할 계획이다. 향후 계획 우리는 디지털 혁명시대에 살고 있다. 인간에 의해 새롭게 창조된 세상에서 또 다시 전력관리의 디지털화가 스마트그리드를 통해 진행되고 있다. 전기안전연구원에서는 전기안전관리 분야에서 인력을 기반으로 한 사후관리 체계의 둘레를 벗어나 사전예방 차원의 상시관리 체계를 갖는 환경으로 변화하기 위해 전기설비별 환경에 적합한 실시간 전기 안전 관리 시스템을 개발해 시범사업을 전개하고 있다. 부하전류, 누설전류, 아크고장, 소비전력 등 원격실시간 감시 및 관리 기술이 지능형 전기설비(HSCP 등)를 통해 실현됐고, 새로운 감시 기술이 접목된 국가전기안전망에 대한 축소 모델로 전주 한옥마을의 28호 수용가와 경주 양동마을의 24호 수용가에 지능형 홈 분전반(H-SCP)을 설치 · 운영해 지능형 분전반 및 네트워크에 대한 안정성을 평가했다. 또한 전기재해 취약장소의 대표적 설비인 재래시장과 새롭게 건설되는 유비쿼터스 도시에 대한 특화된 전기안전관리시스템을 개발해 세계적으로 차별화된 안전관리 체계를 갖추려고 노력하고 있다. 이러한 노력을 통해 상당 기간 방치된 취약 전기설비에 대한 유용성을 평가하고, 현행 사후관리 위주의 전기안전관리 체계에 정보통신 기술을 융합한 국가 단위의 사전예방 전기안전관리 체계를 구축 및 보급할 수 있는 적용방안을 검토해 봤다. 국가전기안전망(NESS : Nation Electric Safety System)이 완전히 구축될 경우 일반용 전기설비의 전기안전관리 주체를 전문지식이 없는 일반인에서 전문가로의 전환 효과를 도출할 수 있다. 뿐만 아니라 공공시설, 주거 및 일반시설, 다중 이용시설 및 새로운 시설의 전기설비에 대한 전기 안전을 실시간 감시 체계로 전환되는 효과를 통해 현재 발생하고 있는 전기화재의 80% 정도(66.7%의 단락, 7.6%의 과부하, 6.7%의 지락 등)를 예방할 수 있을 것이다. 결과적으로 전기화재 점유율을 2009년도 기준으로 6%까지 저감시킬 경우에 년 42,523백만 원의 재산피해와 년 196.3명의 인명피해를 예방할 수 있을 것으로 추산된다. 국가전기안전망(NESS) 운영은 대국민 고충 해소 및 재난 복구 · 관리 체계를 최적화할 수 있고, 국내 전기안전관리시스템 분야의 전문성 확보를 통한 신 부가가치 창출이 가능할 것이다. < Energy News >