병렬도체 보호

왜 배우는가: 병렬도체는 대용량 간선과 분기선을 나눠 구성할 때 거의 모든 건축전기설비에서 쓰인다. 병렬로 묶인 도체는 한 도체만 보호하면 나머지 도체의 과부하·단락이 감지되지 않을 수 있어 보호 설계를 잘못하면 화재로 이어진다. 그래서 기술사 시험에서 과부하·단락 보호 위치와 방법을 묻는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 5번, 제101회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

병렬도체 보호는 둘 이상의 도체를 병렬로 접속한 회로에서 각 도체의 과부하와 단락을 개별 또는 그룹으로 검출해 차단하는 보호 방식이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓴다.

병렬도체는 병렬로 접속된 각 도체마다 과부하·단락 보호장치를 설치하거나 그룹 단위로 보호한다

핵심 키워드

• 병렬도체
• 과부하 보호
• 단락 보호
• 분기선
• 간선
• 허용전류
• 보호장치 설치 위치

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전선 한 가닥의 굵기가 부족할 때 여러 가닥을 나란히 묶어 전류를 나눠 흘리는 것이 병렬도체다. 이때 각 가닥에 흐르는 전류가 같지 않을 수 있고, 한 가닥이 끊어지면 나머지 가닥에 전류가 몰린다. 보호는 이런 불균형과 과전류를 찾아내 회로를 끊는 일이다.

정식 정의는 다음과 같다. 병렬도체 보호는 병렬도체(같은 두 점 사이에 둘 이상의 도체를 나란히 접속한 것)의 과부하 보호(정격을 넘는 지속 전류를 차단하는 것)와 단락 보호(순간적인 큰 고장 전류를 차단하는 것)를 함께 설계하는 체계다.

과부하와 단락은 원인과 시간 특성이 다르다. 과부하는 허용전류를 조금 넘는 전류가 오래 흐르는 현상이고, 단락은 임피던스가 거의 없는 경로로 매우 큰 전류가 짧은 순간에 흐르는 현상이다. 두 보호는 반시한 특성과 순시 특성이라는 서로 다른 동작 특성으로 나뉜다.

병렬도체에서 특히 주의할 점은 전류 분담이다. 병렬 도체의 임피던스가 같지 않으면 전류가 한쪽으로 치우친다. 전류가 치우친 도체는 허용전류를 먼저 넘고, 보호장치가 전체 합계 전류만 보면 이 치우침을 놓칠 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

건물의 부하가 커지면서 간선 한 줄로 전류를 감당하기 어려워졌다. 굵은 전선 한 가닥을 쓰는 것보다 같은 단면적의 전선을 여러 가닥으로 나눠 병렬로 쓰는 편이 시공성과 가요성에서 유리한 경우가 많다. 이 때문에 대용량 분기선과 간선에서 병렬도체가 널리 쓰인다.

병렬도체는 보호 측면에서 새로운 문제를 만든다. 가닥 하나가 분리되거나 접속이 느슨해지면 그 가닥의 전류가 나머지로 옮겨 가고, 보호장치가 본 전류는 정상처럼 보인다. 그래서 병렬로 묶인 각 도체의 상태를 개별로 감시할 수 없다면 보호장치가 정상 동작 여부를 알기 어렵다는 것이 필요성의 핵심이다.

따라서 병렬도체 보호는 단순히 전선 굵기를 정하는 일이 아니라, 허용전류 판정과 보호장치 위치를 함께 결정하는 설계 문제다. 이 점이 답안에서 채점 포인트가 된다.

병렬 도체 수가 많을수록 개별 전류 분담 오차를 줄이는 설계가 중요하다

4. 구성요소·원리·절차

병렬도체 보호는 여러 가닥의 도체를 병렬로 묶은 회로에서 과부하와 단락을 막는 방식이다. 병렬 도체는 한 가닥이 끊기거나 접속이 풀리면 나머지 도체에 전류가 몰리므로, 보호장치가 이 상태를 모든 도체 기준으로 판단해야 한다. 구성요소는 다음과 같다.

병렬 도체는 각 가닥의 임피던스가 같아야 전류가 고르게 나뉜다. 길이·굵기·접속 상태가 다르면 한 가닥에 전류가 편중된다. 이 편중을 막는 것이 설계의 출발점이다.

병렬 도체는 전체 전류를 나눠 흐르므로, 보호장치는 도체군 전체의 허용전류와 단락 전류로 선정한다.

원리는 두 가지다. 첫째, 정상 상태에서는 각 가닥이 전류를 나눠 분담하므로 한 가닥의 허용전류를 넘지 않는다. 둘째, 가닥 하나가 분리되면 남은 가닥이 전체 부하를 떠안아 과부하가 된다. 이때 보호장치가 이를 감지하지 못하면 개별 가닥이 과열된다.

절차는 다음과 같다.

• 병렬 도체군의 설계 전류 I_B 를 구한다. 설계 전류는 부하 전류의 합으로 산정한다.
• 병렬 도체 가닥 수 n 과 가닥당 허용전류 I_z 를 확인한다. 군 전체 허용전류는 n \times I_z 로 본다.
• 과부하 보호장치 정격 I_n 이 I_B \le I_n \le I_z 를 만족하도록 정한다.
• 단락 전류 I_{sc} 를 구하고 차단용량이 이를 견디는지 확인한다.
• 가닥 하나가 분리된 경우의 전류를 검토해 남은 가닥의 허용전류를 넘지 않는지 확인한다.
• 접속점의 접촉 상태를 점검 항목으로 정하고 정기 점검을 요구한다.

계산 예제를 보인다. 병렬 가닥 수 n=2, 가닥당 허용전류 I_z=200\text{A}, 설계 전류 I_B=300\text{A} 이다. 군 전체 허용전류는 2 \times 200\text{A}=400\text{A} 이다. 가닥 하나가 분리되면 남은 가닥 허용전류는 200\text{A} 이므로 300\text{A} 부하를 견디지 못한다. 따라서 보호장치는 가닥 분리 상황까지 고려해 200\text{A} 이하로 정해야 한다. 결과는 상식 범위에 맞다.

가닥 분리 시 잔여 가닥 허용전류 이하로 정격 선정

5. 관련 법령·기준·표준

병렬 도체 보호의 근거는 한국전기설비규정(KEC)의 과전류 보호와 간선 보호 조항이다. 현행 체계는 2021-01-01 시행된 한국전기설비규정(KEC)이며, 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체됐다.

위 표의 핵심 값은 다음과 같다. 설계전류 이상 허용전류 이하 와 최대 예상 단락전류 이상 차단용량 이 가장 중요하다.

과부하 보호는 설계전류와 허용전류 사이에 정격을 둔다. 단락 보호는 차단용량이 최대 예상 단락전류보다 커야 한다. 이 두 조건을 도체군 전체와 가닥별로 모두 확인한다.

개정 연혁은 2021-01-01 한국전기설비규정 시행이 기준이다. 이전 판단기준의 병렬 도체 조항은 이 체계에 흡수됐다. 구체적 조항 번호는 원문으로 대조해야 정확하다.

6. 유형과 비교

병렬도체 보호는 보호 대상(과부하·단락)과 보호 위치에 따라 구분해 이해해야 한다. 같은 간선이라도 병렬로 묶인 도체는 각 도체에 흐르는 전류가 분담되므로 한 도체에 대한 보호 판단과 전체 병렬군에 대한 판단이 다르다.