누전차단기

왜 배우는가: 누전차단기는 전기기계·기구의 누설전류로 인한 감전을 막는 대표 보호장치라서 기계안전 현장의 필수 설비이며, 기술사 시험에서는 설치 대상·성능·설치 방법을 묻는 문항으로 반복 출제된다. 전기 감전 방지 기준의 출발점이 되는 개념이다.

출제 이력: 제139회 4교시 5번, 제117회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

누전차단기는 전기기계·기구의 누설전류를 감지하여 전로를 신속히 차단하는 감전방지용 보호장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 누설전류
• 감전방지용 누전차단기
• 정격감도전류
• 동작시간
• 영상변류기
• 지락보호
• 이중절연
• 접지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기기구 안으로 들어간 전기가 사람 몸을 통해 땅으로 새어 나갈 때 그 새는 양을 재서 곧바로 전기를 끊는 장치다. 사람이 전기 통로의 일부가 되는 순간을 막는 것이 목적이다.

정식 정의는 다음과 같다. 누전차단기는 전로에서 나가는 전류와 돌아오는 전류의 차이, 곧 누설전류를 영상변류기로 검출하여 정해진 감도전류 이상이 되면 정해진 시간 안에 회로를 개방하는 장치이다. 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제304조는 이를 '감전방지용 누전차단기'라고 부르며, 해당 전로의 정격에 적합하고 감도가 양호하며 확실하게 작동하는 것을 요구한다.

지락은 충전부가 대지 또는 접지된 금속체에 닿아 전류가 땅으로 새는 현상이다. 누전차단기는 이 지락 전류를 검출하는 기능이 핵심이다.

영상변류기는 전원 측 전류와 중성선 측 전류를 함께 감싸 두 전류의 합을 검출하는 부품이다. 키르히호프 전류법칙에 따르면 정상 상태에서는 두 전류가 같아 합이 0이어야 하며, 합이 0이 아니면 어딘가로 누설이 일어난 것으로 본다.

정격감도전류는 누전차단기가 동작하는 기준이 되는 누설전류 값이다. 감전방지용은 낮은 값을 쓰며, 과전류 보호용 차단기와 구별해야 한다.

동작시간은 누설이 발생한 순간부터 회로가 열릴 때까지 걸리는 시간이다. 감전 전류가 심장에 닿기 전에 끊어야 하므로 짧아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전기기계·기구는 절연이 손상되거나 외함이 충전되면 금속 외함에 전압이 걸린다. 작업자가 이를 만지면 몸을 통해 전류가 흐르고, 그 크기가 일정 값을 넘으면 심실세동 등 치명적 상해로 이어진다. 과전류 차단기나 퓨즈는 수 A 이상의 큰 전류에서 동작하므로 수십 mA 수준의 누설전류로는 동작하지 않는다. 이 간극을 메우기 위해 누설전류 자체를 검출하는 누전차단기가 필요해졌다.

또한 철판·철골 위, 습윤 장소, 임시배선 현장처럼 인체가 접지 전위에 가깝게 놓이는 곳에서는 누설 경로가 쉽게 만들어진다. 이동형·휴대형 기기는 외함 손상과 케이블 파손이 잦아 위험이 더 크다. 이런 현장 특성 때문에 산업안전보건기준에서 설치 대상을 따로 정해 두었다.

누전차단기는 감전 방지를 주목적으로 하는 장치이며, 과부하나 단락을 막는 기능은 별도의 보호장치가 맡는다. 따라서 현장에서는 두 장치를 함께 조합하여 설치하는 것이 원칙이다.

4. 구성요소·원리·절차

누전차단기는 영상변류기, 트립장치(개폐부), 시험장치로 구성된다. 영상변류기는 전로의 왕복 전류를 같은 철심에 함께 통과시켜 두 전류의 차이를 검출한다. 트립장치는 검출 신호가 기준을 넘으면 주접점을 열어 부하를 분리한다. 시험장치는 시험버튼으로 차단 동작을 강제로 일으켜 기능을 확인하는 장치다.

누전차단기의 원리는 전류 평형이다. 정상 상태에서는 전원에서 나간 전류와 중성선으로 되돌아온 전류가 같다. 누전이 발생하면 일부 전류가 대지나 사람 몸을 거쳐 흘러 두 전류가 달라진다. 이 차이가 누설전류다. 누설전류가 정격감도전류 이상이 되면 트립장치가 동작한다.

$\Delta I = I_{L} - I_{N} \geq I_{\Delta n}$

\Delta I는 누설전류(A), I_{L}은 전로에서 부하로 나가는 전류(A), I_{N}은 중성선으로 되돌아오는 전류(A), I_{\Delta n}은 정격감도전류(A)다. 정상 상태에서는 \Delta I가 0에 가깝다. 따라서 영상변류기의 합산 자속이 0이 되어 트립 신호가 발생하지 않는다.

누전차단기의 동작 특성은 정격감도전류와 동작시간의 두 값으로 정한다. 정격감도전류는 트립이 일어나는 누설전류의 기준값이다. 동작시간은 누설이 생긴 뒤 회로가 끊어지기까지 걸리는 시간이다. 누설전류가 클수록 동작시간은 짧아진다. 큰 누설이 장시간 흐르면 인체 통전 시간이 길어져 위험이 커지기 때문이다.

설치 절차는 다음과 같다.

• 보호 대상 기기의 전원, 전압, 부하 전류를 확인한다.
• 기기 종류와 사용 장소를 보고 설치 대상 여부를 판정한다.
• 전원측 분전반 또는 배전반에 누전차단기를 설치하고 보호 전로 전체가 차단되도록 결선한다.
• 상선과 중성선은 검출부에 함께 통과시키고, 보호도체는 검출부를 통과하지 않게 한다.
• 정격전류, 차단용량, 정격감도전류를 부하에 맞게 선정하고 과전류 보호장치와 협조시킨다.
• 시험버튼으로 동작을 확인한 뒤 사용을 시작한다.
• 정기 점검에서 작동상태, 배선 손상, 외함 접지 상태를 확인한다.

아래 도식은 결선 구성을 보여 준다. 접지선은 차단기를 거치지 않고 외함에 직접 연결된다.

5. 관련 법령·기준·표준

누전차단기 설치의 법적 근거는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제304조(누전차단기에 의한 감전방지)다. 이 조항은 설치 대상, 예외, 접속 기준을 정한다. 제1항의 대상 기기는 누전차단기를 설치하고, 설치하기 어려우면 제2항에 따라 작업 시작 전 접지선 연결 상태를 점검한다. 제304조는 2021-11-19 개정 이후 현행이다.

접지 기준은 같은 규칙 제302조(전기 기계·기구의 접지)에서 정한다. 누전차단기와 접지는 함께 작동해야 하므로 두 조항을 같이 본다. 충전부 방호는 제301조(전기 기계·기구 등의 충전부 방호)에서 정한다. 이중절연 기기의 기준은 「전기용품 및 생활용품 안전관리법」의 적용 여부로 판단한다.

위 표의 값은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 원문에 따른 것이다. 정격감도전류와 동작시간이 가장 중요한 수치다. 대용량 기기의 완화값은 오작동을 막기 위한 예외이므로 원칙값과 함께 기억한다.

최근 동향으로는 누전차단기의 정격 기준과 전기설비 기준이 함께 정비되는 흐름이 있다. 누전차단기 선정은 감도, 동작시간, 전로 조건을 함께 보고 판단한다. 이 절에서는 조문에 있는 기준값만 다룬다.