저압전로 지락보호

왜 배우는가: 저압전로의 지락보호는 감전과 전기화재를 막는 기본 장치로, 누전차단기의 설치장소와 접지계통별 차단장치 시설방법이 실무 설계와 검사에서 반복해 확인된다. 시험에서도 설치 의무 장소, 접지계통(TN·TT·IT)별 차이, 440V 이상 회로 요건이 매번 함께 묻는다.

출제 이력: 제137회 4교시 1번, 제108회 4교시 1번, 제91회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

저압전로의 지락보호는 지락전류를 검출하여 누전차단기 등으로 고장회로를 자동 차단함으로써 감전과 화재를 막는 보호 방식이다.

• 지락보호
• 누전차단기(RCD)
• 영상변류기(ZCT)
• 접지계통(TN·TT·IT)
• 지락전류
• 감전보호
• 인체감전보호용 누전차단기

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 전선이나 기기 외함이 어딘가와 닿아 전기가 새어 나갈 때 그 새는 전류를 잡아 전원을 끊는 장치를 두는 것이다. 사람이 그 외함에 닿았을 때 위험한 전류가 흐르기 전에 차단하는 것이 목적이다.

정식으로는 저압전로에서 충전부와 대지 사이에 생기는 지락전류를 검출하여 설정된 시간 안에 해당 회로를 자동으로 차단하는 보호 방식을 말한다. 과전류 보호는 과부하와 단락을 보호하지만, 지락전류는 정상 부하 전류보다 작은 경우가 많아 과전류 차단기로는 잡기 어렵다. 그래서 지락을 따로 검출하는 장치가 필요하다.

누전차단기는 영상변류기로 왕복 도체 전류의 벡터합, 즉 잔류전류를 검출한다. 정상 상태에서는 왕복 전류의 합이 0이므로 동작하지 않는다. 대지로 새는 지락전류가 생기면 합이 0이 아니게 되어 검출 코일이 신호를 내고 차단기구를 동작시킨다.

영상변류기는 모든 전류 도체(충전도체와 중성선)를 한꺼번에 관통시켜 그 합을 검출하는 변류기다. 접지선은 관통하지 않아야 한다. 접지선을 넣으면 지락전류가 접지선으로 빠져나가는 것을 보지 못하기 때문이다.

접지계통은 전원 중성점의 접지 상태와 기기 외함의 접지 방식을 조합해 분류한다. TN은 전원 중성점을 직접 접지하고 기기 외함을 보호도체로 중성점에 연결하는 방식이다. TT는 전원 중성점은 접지하고 기기 외함은 별도의 접지극에 접지하는 방식이다. IT는 충전부를 대지에서 절연하거나 고임피던스로 접지하고 기기 외함은 접지하는 방식이다. 세 방식은 지락 시 고장전류의 크기와 차단 방식이 달라 시설 방법도 다르다.

인체감전보호용 누전차단기는 정격감도전류 15mA 이하, 규정된 시간 안에 동작하는 전류 동작형을 말한다. 욕실 등 물을 쓰는 장소의 콘센트 전로에 설치하여 인체 감전을 막는 용도로 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

저압 배선이 건물 전반에 퍼지면서 기기 외함의 절연 고장이 감전 사고의 주된 원인이 되었다. 과전류 차단기만으로는 사람이 흘려도 위험한 작은 지락전류를 막을 수 없어 별도의 검출 장치가 요구되었다.

접지 방식이 다양해지면서 지락보호의 방식도 함께 나뉘었다. TT 계통은 고장전류가 작아 과전류 차단기로 신속히 차단하기 어렵기 때문에 누전차단기가 사실상 유일한 빠른 차단 수단이 된다. TN 계통은 저임피던스 접지 경로 덕분에 과전류 차단기로도 비교적 빨리 차단할 수 있어, 누전차단기는 보조적 보호층으로 쓰인다. IT 계통은 첫 지락에서도 운전을 계속하도록 설계하므로 지락 검출과 경보를 따로 두어야 한다.

국내에서는 전기설비 기준이 이러한 방식별 요구를 설치 장소와 조건으로 나누어 규정해 왔다. 현행 기준은 한국전기설비규정(KEC)에 따른다. 설치 대상이 되는 장소와 예외 장소를 명확히 해야 설계와 검사가 일관되게 이루어지므로, 지락보호는 설계기준 체계의 핵心 항목이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

저압전로의 지락보호는 누전차단기(RCD, Residual Current Device)와 과전류 보호장치를 조합해 지락 전류를 검출하고 전로를 자동으로 차단하는 체계다. 구성요소는 영상변류기, 검출부, 트립장치, 차단부로 나뉜다.

지락보호의 원리는 키르히호프 전류법칙에 따른다. 건전한 회로에서는 왕복 도체 전류의 합이 0이다. 지락이 생기면 대지로 빠지는 전류만큼 합이 0이 아니게 되고, 이 차이 I_g(잔류전류)를 영상변류기가 검출한다.

$I_g = \left| \dot{I}_{L1} + \dot{I}_{L2} + \dot{I}_{L3} + \dot{I}_N \right|$

여기서 \dot{I}_{L1}~\dot{I}_{L3}는 각 상 전류, \dot{I}_N은 중성선 전류(단위 A)다. 동작 조건은 I_g가 정격감도전류 I_{\Delta n}(단위 mA) 이상일 때다.

절차는 다음과 같다.

• 지락 발생으로 대지에 누설전류가 흐른다.
• 영상변류기가 왕복 도체 전류의 벡터합 잔류전류를 검출한다.
• 검출값이 정격감도전류 이상이면 검출부가 트립 신호를 낸다.
• 트립장치가 차단기구를 동작시켜 전로를 개방한다.
• 시험버튼 또는 테스터로 동작을 확인한 뒤 재투입한다.

과전류 보호와 지락보호는 목적이 다르다. 과전류 보호장치는 과부하와 단락을 막고, 누전차단기는 감전과 지락화재를 막는다. 그래서 지락보호전용 누전차단기는 과전류를 차단하는 퓨즈나 차단기와 조합해 설치한다.

도식으로 보면 다음과 같다.

누전차단기는 영상변류기로 왕복 도체의 잔류전류를 검출해 전로를 차단한다.

영상변류기, 잔류전류, 정격감도전류, 트립장치를 답안에 함께 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

저압전로의 지락보호는 「한국전기설비규정(KEC)」(2021-01-01 시행)과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 누전차단기 설치 규정을 함께 본다. KEC는 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체했다.

누전차단기 설치 의무장소는 사용전압과 장소에 따라 다르다. 일반장소에서는 사용전압 60V를 넘고 400V 미만인 전로에서 물기 또는 습기가 많고 사람이 쉽게 접촉할 우려가 있는 장소의 금속제 외함을 갖는 전기기기에 설치한다. 주택에서는 관련 기준이 정한 대지전압 범위의 주택 옥내 전로 인입구에 설치하고, 욕실 등 물을 사용하는 장소의 콘센트 전로에는 정격감도전류 15mA 이하, 관련 기준이 정한 시간 이내에 동작하는 전류동작형 누전차단기를 부착한다.

누전차단기 설치 예외 조건은 다음과 같다.

• 발전소·변전소·개폐소 또는 이에 준하는 곳에 설치하는 경우
• 건조한 곳에 설치하는 경우
• 대지전압 150V 이하인 기계기구를 물기가 없는 곳에 설치하는 경우
• 2중절연구조 기계기구를 설치한 경우
• 전원측에 절연변압기(2차전압 300V 이하)를 설치하고 부하측을 접지하지 않은 경우

아래 표는 주요 기준값을 정리한 것이다.

표의 값은 설치장소와 전압에 따라 적용 조건이 다르므로 함께 읽는다. 중성선은 누전차단기 전원측에서 접지하고, 부하측에서는 접지하지 않는다. 서로 다른 누전차단기의 중성선은 부하측에서 공유하지 않는다.

개정 연혁으로 옛 전기설비 기준은 KEC 시행에 따라 대체됐다. 산업안전 측 누전차단기 규정은 동작 확인 의무(설치 후, 재투입 후, 사용 전)를 함께 둔다.

6. 유형과 비교

저압전로의 지락보호는 접지계통(TN, TT, IT)과 중성점 접지방식에 따라 지락차단장치의 종류와 설치 위치가 달라진다. 답안에서는 계통별 차이를 표로 정리해 보이는 것이 효과적이다.