보호도체 단면적

왜 배우는가: 보호도체 단면적은 고장 시 외함에 걸린 전압을 안전하게 처리하는 도체의 굵기를 정하는 기준이다. 현장 설계와 감리에서 매번 확인하는 항목이고, 시험에서도 선정 방법과 산정식을 묻는 형태로 반복해 나온다.

출제 이력: 제135회 1교시 2번, 제126회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

보호도체 단면적은 고장전류가 흐를 때 보호도체가 열적으로 손상되지 않도록 선도체 단면적과 차단시간에 따라 한국전기설비규정(KEC)이 정한 굵기다.

• 보호도체
• 선도체 단면적
• 고장전류
• 차단시간
• 열적 안전성
• 단면적 선정표
• 단열 조건식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전기기기 외함에 전기가 새는 사고가 났을 때 그 전류를 전원으로 돌려보내는 길이 보호도체다. 이 길이 가늘면 큰 고장전류에 도체가 달아올라 녹아 끊어진다. 그러면 외함이 계속 위험 전압으로 남는다. 그래서 굵기를 미리 정해 둔다.

정식으로는 보호도체를 감전 보호를 위해 노출도전부, 계통외도전부, 주접지단자 등을 서로 연결하거나 접지극에 연결하는 도체라고 정의한다. 보호도체 단면적은 고장전류가 보호장치에 의해 차단될 때까지 도체가 열적으로 견딜 수 있는 최소 굵기다.

선정 방법은 두 가지다. 첫째는 선도체 단면적에 따른 표 방식이다. 둘째는 단열 조건식으로 계산하는 방식이다. 두 방식 모두 결과가 안전 쪽으로 정해지도록 만든다.

위 표는 선도체가 굵어질수록 보호도체를 줄일 수 있다는 점을 보인다. 굵은 선도체는 고장전류를 충분히 감당하므로 보호도체 부담이 줄어든다는 원리다.

단열 조건식은 다음과 같다.

$S = \frac{\sqrt{I^2 t}}{k}$

여기서 S는 보호도체 단면적(mm²), I는 고장전류의 실효값(A), t는 보호장치 차단시간(s), k는 도체 재질과 절연 종류에 따른 계수다. 구리 도체에 PVC 절연을 쓰는 경우 k는 도체 재질과 절연 종류에 맞는 기준 값을 쓴다. 식의 뜻은 차단시간 동안 도체에 쌓이는 열량이 도체가 견딜 열량을 넘지 않도록 하는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

전기설비는 사고 시 외함과 주변 도체에 위험 전압이 생길 수 있다. 보호도체가 충분하지 않으면 감전 사고가 나도 보호장치가 제때 동작하지 못한다. 또 보호도체가 먼저 타 버리면 접지 연속성이 깨져 사고가 커진다. 그래서 보호도체 굵기를 기준으로 정해 설계와 시공이 같은 기준을 쓰도록 했다.

국내에서는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되면서 이전 전기설비기술기준의 판단기준을 대신하게 되었다. 이 과정에서 보호도체 선정 방식도 국제 기준 체계에 맞춰 정리되었다. 따라서 답안은 KEC 체계의 선정 표와 산정식을 기준으로 써야 한다.

배경을 이해하면 두 가지 물음을 구분할 수 있다. 하나는 어떤 방법으로 굵기를 고르는가이고, 다른 하나는 그 굵기를 어떻게 계산으로 확인하는가이다. 실무에서는 표로 먼저 고르고, 표 기준보다 작은 값이 필요하거나 차단시간이 특수한 경우에 계산식으로 검토한다. 이 흐름을 알고 있으면 답안의 구성도 자연스럽게 나온다.

시험에서는 이 배경을 한두 문장으로 밝히고 본론으로 넘어가는 것이 좋다. 배경을 길게 쓰면 선정 기준과 산정식 설명이 줄어 감점 요인이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

보호도체는 간접접촉 사고 때 노출도전부에 생긴 고장전류를 전원 쪽으로 되돌려 보내는 도체다. 선도체, 보호도체, 본딩도체의 역할을 나누어 봐야 단면적 선정 조건이 정리된다.

단면적 선정의 원리는 단열 조건이다. 고장전류가 보호도체를 흐르는 짧은 시간 동안 도체 온도가 절연 한계를 넘지 않아야 한다. 발열량은 전류의 제곱과 시간에 비례하므로 단열 조건은 다음 식으로 쓴다.

$S \ge \frac{\sqrt{I^2 t}}{k}$

S는 보호도체 단면적(mm²), I는 고장전류의 실효값(A), t는 자동차단 시간(s), k는 도체 재료와 절연 종류에 따른 계수다. 구리 도체에서 별도의 보호도체로 쓸 때 k는 도체 재질과 절연 종류에 맞는 기준 값을 쓴다.

선도체 단면적과 보호도체 최소값의 관계는 별도의 구간 규정이다. 선도체가 16mm² 이하이면 보호도체는 선도체와 같은 값으로 한다. 선도체가 16mm²를 넘고 35mm² 이하이면 보호도체는 16mm²로 한다. 선도체가 35mm²를 넘으면 보호도체는 선도체 단면적의 1/2로 한다. 이 구간 규정은 보호도체가 지나치게 얇아지지 않도록 최소 도체 성능을 확보하는 기준이다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 선도체 단면적 S를 부하전류와 전압강하 조건으로 확정한다.
• S의 구간에 따라 최소 보호도체 값을 구간 규정으로 정한다.
• 고장전류 I와 자동차단 시간 t로 단열 조건 식의 값을 계산한다.
• 구간 규정 값과 단열 조건 값 중 큰 값을 보호도체 단면적으로 선정한다.
• 보호도체가 케이블 또는 케이블 용기의 일부인지 확인하고, 본딩도체 최소값과 비교한다.

계산 예제를 보자. 선도체 단면적 S = 120mm², 고장전류 I = 10kA, 자동차단 시간 t = 0.1s, 구리 보호도체(k는 재질과 절연에 맞는 기준 값)로 한다. 단열 조건 값은 $S_{th} = \frac{10000 \times \sqrt{0.1}}{k}$ 이다. 구간 규정 값은 선도체가 35mm²를 넘으므로 120 / 2 = 60mm²다. 두 값 중 큰 값인 60mm²를 보호도체 단면적으로 선정한다. 결과는 선도체보다 작고 단열 값보다 크므로 상식 범위에 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

보호도체 단면적은 한국전기설비규정(KEC)의 접지설비 보호도체 규정에 따른다. 이 규정은 2021-01-01 전면 시행됐고, 구 '전기설비기술기준의 판단기준'의 해당 내용을 대체했다. 기준값은 다음 표와 같다.

표의 값은 선도체 단면적 구간과 보호도체 구성 방식에 따라 적용이 갈린다. 보호도체가 케이블 또는 케이블 용기의 일부이면 본딩도체 최소값 규정은 적용되지 않는다. 기계적 보호 여부는 설치 방식으로 판정한다.

개정 연혁에서 중요한 것은 보호도체 규정이 구 판단기준에서 KEC 체계로 옮겨졌다는 점이다. 옛 기준의 용어와 구분을 그대로 쓰면 감점이 되므로 현행 용어로 답한다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

보호도체 단면적은 두 가지 방법으로 정한다. 하나는 상전선 단면적에 따라 정해진 표로 고르는 방법이고, 다른 하나는 고장전류와 차단시간으로 계산하는 방법이다. 두 방법을 모두 만족해야 하므로 실무에서는 큰 값을 선정한다.

표 방식은 상전선과 보호도체의 재질이 같을 때 적용한다. 상전선 단면적 S가 작을수록 보호도체는 상전선과 같은 크기로 두고, 중간 구간에서는 16mm² 이상을 확보한다. 큰 단면에서는 S/2까지 줄일 수 있다.

표는 상전선이 굵어질수록 보호도체의 허용 축소 폭이 커진다는 원리를 보여준다. 재질이 다르면 도전율 차이를 고려해 환산한 뒤 표에 대입한다.