전류동작형 누전차단기

왜 배우는가: 누전차단기는 감전과 누전화재를 막는 대표 보호기기이며, 전기설비 기술사 시험에서 설치목적·동작원리·선정 계산을 묶어 반복해서 묻는다. 정상상태와 누설상태의 전류 비교 원리를 정확히 알아야 여러 교시의 답안이 일관되게 쓰인다.

출제 이력: 제121회 3교시 1번, 제114회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전류동작형 누전차단기는 영상변류기로 왕로·귀로 전류의 차(지락전류)를 검출하여 정격감도전류 이상일 때 회로를 자동으로 차단하는 장치이다.

• 누전차단기(ELB, Earth Leakage Breaker)
• 영상변류기(ZCT, Zero-phase Current Transformer)
• 정격감도전류(rated sensitivity current)
• 정격부동작전류(non-operating current)
• 동작시간(operating time)
• 감전보호용 누전차단기

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전기가 들어간 선과 나온 선의 전류를 비교해서, 그 차이가 생기면 사람이나 기기 쪽으로 전기가 새고 있다고 판단하고 전원을 끊는 장치이다. 전선 두 가닥(또는 상·중성선 전체)을 같은 영상변류기 철심에 통과시키면, 정상일 때는 두 전류의 합이 0이라 철심 자속이 상쇄된다.

정식 정의는 다음과 같다. 누전차단기는 지락검출장치, 차단기구, 인출기구로 조립된 장치로서, 누전에 의하여 전동기계·기구의 금속제 외함 등에서 발생하는 지락전류가 일정한 수치에 도달했을 때 동작시간 이내에 전로를 차단하는 것이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 영상변류기는 링 형태의 철심에 감긴 변류기로, 왕로와 귀로 전류의 차에 비례하는 자속을 2차 권선에 신호로 보낸다. 지락전류는 접촉 또는 절연파괴 사고로 충전부에서 대지로 흐르는 전류이다. 누설전류는 정전용량 등에 의해 전로와 대지 사이로 흐르는 전류로, 지락전류와 구분하여 쓴다. 정격감도전류는 주위온도 -20~40℃에서 동작전압을 정격전압의 80~110%로 한 경우, 차단기가 완전히 동작할 때의 영상변류기 1차측 검출지락전류값이다. 감전보호용은 정격감도전류 30mA 이하, 동작시간 0.03초 이내를 기준으로 한다(전기기계·기구에 설치된 경우이며, 정격전부하전류 50A 이상인 기기에 접속하는 경우 정격감도전류는 200mA 이하, 동작시간은 0.1초 이내로 할 수 있다).

정격부동작전류는 동작하면 안 되는 전류의 한계로, 정격감도전류의 50% 이상이어야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전기재해의 많은 부분이 누전에서 시작된다. 과전류 보호장치인 배선용 차단기나 퓨즈는 전류가 정격을 넘어야 동작하므로, 사람이 감전되는 수준의 작은 누설전류는 차단하지 못한다. 인체에 수십 mA 수준의 전류가 흘러도 생명에 위협이 되므로, 이를 검출하는 별도 보호장치가 필요해졌다.

이에 따라 감전 방지와 누전화재 방지를 목적으로 누전차단기 사용이 법제화되었다. 누전으로 흐르는 전류가 배선 접속부나 접촉면에서 발열하면 화재로 이어지므로, 화재 예방용 누전차단기도 함께 쓰인다. 다만 누전차단기는 전선 간 합선형 누전처럼 왕로와 귀로가 모두 정상 통전 회로 안에 있는 경우를 검출하지 못하므로, 이 한계를 함께 이해해야 한다.

누전차단기의 목적은 감전 사고 시 인체 보호와 누설전류에 의한 화재 예방이다.

4. 구성요소·원리·절차

전류동작형 누전차단기는 영상변류기(ZCT, Zero-Phase Current Transformer), 누전검출부(누전검출 IC), 트립 코일, 개폐기구로 구성된다. 전원 측 전선 여러 가닥(전로)을 영상변류기 한가운데 관통시키고, 각 전선의 전류 벡터합을 검출하는 것이 핵심이다.

원리는 키르히호프 전류 법칙(KCL)에 따른다. 정상 상태에서 부하로 들어가는 전류 I_out과 되돌아오는 전류 I_{in}은 같으므로 영상변류기 코어의 합성 자속은 0이다.

$\sum I = I_{L1}+I_{L2}+I_{N}=0$

여기서 I_{L1}, I_{L2}, I_{N}은 각 전선을 흐르는 전류(A)다. 누설전류 I_g가 대지로 흘러 나가면 합이 0이 아니게 되어 코어에 자속이 생기고, 2차 권선에 유도 신호가 나타난다.

$I_g = \sum I \neq 0 \;\Rightarrow\; \phi_g \neq 0 \;\Rightarrow\; V_2 \text{ 발생}$

절차는 다음과 같다.

• 전선이 영상변류기를 관통하고 정상 상태에서 자속이 상쇄된다.
• 절연 열화나 접촉으로 누설전류가 대지로 흘러 전류 차가 생긴다.
• 영상변류기에 자속이 생기고 2차 권선에 신호가 유도된다.
• 누전검출부가 신호를 판정하여 정격감도전류 이상이면 트립 코일을 동작시킨다.
• 개폐기구가 트립되어 주회로를 차단하고, 소호장치가 아크를 소멸시킨다.

누전차단기는 영상변류기로 전선 전류의 벡터합을 검출하여 지락을 판정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전동기계·기구 감전 방지용 누전차단기의 설치는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」과 누전차단기 설치기준 고시에서 규정한다. 한국 전기설비에서는 KEC와 NFTC 기준을 함께 적용한다. 이 절의 기준값은 다음과 같다.

• 정격감도전류는 영상변류기 1차측에서 검출된 지락전류값이다.
• 정격부동작전류는 오동작을 막기 위한 하한이며, 정격감도전류와의 차가 크면 안정성은 높지만 감도는 낮아진다.
• 누설전류는 정전용량 등에 의해 전로와 대지 사이로 흐르는 전류이며, 지락전류와 구분하여 정의한다.

개정 연혁으로는 누전차단기 설치기준 고시가 감전방지용 누전차단기의 설치 대상과 설치장소를 규정해 왔다. 최근 시행 중인 기준의 세부 번호와 개정 시점은 확인되지 않았으므로 본문에서 번호를 특정하지 않는다.

6. 유형과 비교

전류동작형 누전차단기는 동작시간 특성과 누설전류 파형에 대한 검출 능력으로 나눈다. 동작시간 특성에 따라 고속형, 시연형, 반한시형으로 구분하고, 감전 보호 목적에는 고속형 중 감전보호용을 쓴다.