TN계통 감전보호

왜 배우는가: TN계통은 저압 배전에서 가장 널리 쓰이는 접지계통이며, 전원자동차단에 의한 감전보호의 기준(차단시간, 허용 접촉·스트레스 전압)을 이해해야 설계와 점검이 가능하다. 기술사 시험에서는 계통 종류별 차단시간과 고장전압 관계를 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제114회 4교시 5번, 제98회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: TN계통 감전보호는 전원의 한 점을 직접 접지하고 노출도전부를 보호도체로 전원 접지점에 연결한 뒤, 지락 시 과전류보호장치를 동작시켜 고장 회로를 짧은 시간 내 자동 차단하는 간접접촉 보호방식이다.

핵심 키워드: TN계통, 전원자동차단(ADS), 보호도체(PE), 고장루프 임피던스, 과전류보호장치, 간접접촉, 접촉전압.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, TN계통은 변압기 중성점을 대지에 직접 접지하고 기기 외함을 그 중성점과 같은 접지선에 묶어 두는 방식이다. 기기 외함이 충전되면 고장전류가 전원 쪽으로 되돌아오므로 사고 전류가 크게 흐르고, 과전류차단기가 빨리 끊는다.

정식 정의는 다음과 같다. 전원의 한 점(보통 중성점)을 직접 접지하고, 전기설비의 노출도전부를 보호도체로 그 접지점에 접속하는 계통이다. 고장 시 발생하는 고장전류가 과전류보호장치를 동작시킬 만큼 크도록 설계하여 인체 접촉 시간을 제한하는 것이 핵심 목적이다.

고장루프 임피던스는 전원-선로-고장점-보호도체-접지점을 잇는 회로의 임피던스이며, 이 값이 낮을수록 고장전류가 커서 차단이 빨라진다. TN계통은 대지 경로 대신 금속 보호도체 경로를 쓰므로 TT계통보다 임피던스가 낮다는 점이 가장 큰 장점이다.

전원자동차단은 고장 발생 시 보호장치가 자동으로 공급을 끊어 위험을 제거하는 방법이다. 간접접촉에 의한 감전을 막는 가장 일반적인 수단이다. 이때 인체가 접촉 전압에 노출되는 시간이 허용 차단시간 이내여야 한다.

보호도체(PE)는 노출도전부와 전원 접지점을 잇는 도체다. TN-S, TN-C, TN-C-S의 차이는 중성선과 보호도체를 분리하는지 합치는지에 있다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 저압 배전은 중성점 비접지 또는 대지 경로 접지가 많았다. 대지저항이 크면 고장전류가 작아 과전류차단기가 동작하지 않고, 기기 외함에 위험 전압이 오래 남았다. 이 문제를 줄이기 위해 금속 도체로 고장 경로를 만드는 방식이 도입됐다.

누전차단기(RCD)가 보급되면서 TT계통에서도 차단이 가능해졌지만, TN계통에서는 낮은 고장루프 임피던스 덕분에 과전류보호장치만으로도 짧은 차단시간을 얻을 수 있다. 따라서 TN계통은 설비 규모가 크고 저압 기기가 많은 건축물에 적합하다. 국내에서는 저압 접지계통 기준이 한국전기설비규정(KEC)에 따라 정해지며, 그 세부 차단시간과 허용 전압 값은 5절에서 다룬다.

인체는 전압이 높고 통전 시간이 길수록 위험하다. 같은 전압이라도 차단이 빠르면 심실세동 위험이 줄어든다. 그래서 전압 범위별 최대 차단시간을 정해 두는 것이 감전보호의 기본 원리다.

4. 구성요소·원리·절차

TN계통에서 감전보호는 자동차단(Automatic Disconnection of Supply, ADS)으로 이루어진다. 계통 전체가 저임피던스 지락 루프를 가지므로 지락전류가 크게 흐르고, 과전류보호장치가 제한시간 안에 회로를 끊어 접촉전압의 지속시간을 줄인다.

구성요소는 다음과 같다.

TN계통은 중성점 접지와 노출도전부를 보호도체로 잇는다. 지락이 발생하면 고장루프 임피던스 Z_s 를 따라 고장전류 I_f 가 흐른다. 고장전류는 다음과 같이 구한다.

$I_f = \frac{U_0}{Z_s}$

여기서 U_0 는 상전압[V], Z_s 는 전원에서 고장점까지의 고장루프 임피던스[Ω]이다. Z_s 가 작을수록 I_f 가 커져 보호장치가 빨리 동작한다.

고장루프 임피던스가 낮아 과전류보호장치로 자동차단이 가능하다

절차는 다음과 같다.

• 지락 발생으로 노출도전부 전위가 상승한다.
• 보호도체를 따라 고장전류가 중성점으로 귀환한다.
• 과전류보호장치가 전류를 감지하여 회로를 차단한다.
• 차단시간 안에 접촉전압이 허용 수준 이하로 떨어진다.
• 차단 후 고장 회로를 점검하고 복구한다.

전압 상승을 억제하려면 TN-S에서 보호도체를 전 구간에 고르게 접속해야 한다. 그렇지 않으면 부하 측 노출도전부의 전위가 높아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 저압 전기설비의 접지와 보호 요건은 한국전기설비규정(KEC)에 따른다. 한국전기설비규정은 2021-01-01 부터 적용됐다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체됐다. 간접접촉보호의 차단시간 기준은 KS C IEC 60364 계열 기준을 함께 참조한다.

다음 표는 TN계통 감전보호에서 자주 쓰는 기준값을 모은 것이다.

위 표의 차단시간은 상전압과 회로 위치에 따라 달라진다. 계산 시에는 KEC 해당 조문의 적용 조건을 함께 확인한다.

계산 예제는 다음과 같다. 상전압 U_0 = 220\text{V}, 고장루프 임피던스 Z_s = 1.1\Omega 일 때

$I_f = \frac{220}{1.1} = 200\text{A}$

이 전류가 과전류보호장치를 관련 기준이 정한 시간 안에 동작시키는지 시간-전류 특성으로 확인한다. 결과 200A는 일반 차단기 정격 대비 충분히 큰 값이므로 상식 범위 안의 값이다.

관련 개념과 기준 구분은 다음과 같다.

• 접촉전압: 고장 시 노출도전부와 대지 사이 전압
• 스트레스 전압: 저압기기가 견디는 전압과 시간의 조합
• 고장전압: 지락 시 계통 각부에 나타나는 전압

6. 유형과 비교

TN계통은 중성점 접지 후 노출도전부를 중성선(또는 보호도체)으로 연결하는 방식이며, 중성선과 보호도체의 분리 방식에 따라 TN-S, TN-C, TN-C-S로 나뉜다. 세 방식의 차이는 고장 루프 임피던스와 보호도체의 구성에 있다.