저압회로 지락보호

왜 배우는가: 저압회로 지락보호는 누전으로 인한 감전과 화재를 막는 가장 기본적인 안전장치이며, 접지계통 방식(TN·TT·IT)과 누전차단기 설치 기준을 함께 묻기 때문에 시험에서 반복적으로 출제된다. 설비 설계와 점검 현장에서도 보호장치 선정의 근거가 된다.

출제 이력: 제99회 4교시 2번, 제90회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

저압회로 지락보호는 전로에 지락(누전)이 생겼을 때 감전·화재·기기 손상을 막기 위해 지락전류를 감지하여 회로를 자동으로 차단하는 보호방식이다.

• 지락(Earth Fault, 누전)
• 지락보호(Earth Fault Protection)
• 누전차단기(RCD, Residual Current Device)
• 접지계통(TN·TT·IT)
• 보호접지(Protective Earth)
• 지락전류 검출
• 자동 차단 시간
• 과전류보호장치(OCPD)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전기가 원래 흘러야 할 길(충전도체→부하→중성선)이 아닌 곳, 즉 대지나 금속 외함으로 새는 현상을 지락이라고 한다. 새는 전류가 사람 몸을 통하면 감전이 되고, 누설 경로에서 열이 나면 화재가 된다. 지락보호는 이 새는 전류를 찾아 끊는 것을 목표로 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 지락은 충전부가 대지 또는 대지에 접속된 도전성 부분과 의도하지 않게 접촉하는 고장이다. 지락보호는 이 지락을 검출하여 전로를 자동으로 차단하는 보호 조치다. 전기설비기술기준 제14조(지락에 대한 보호)는 전로에 지락이 생겼을 경우 전선·전기기계기구의 손상, 감전 또는 화재의 우려가 없도록 지락으로부터 보호하는 차단기를 시설하고 그 밖에 적절한 조치를 하도록 규정한다. 다만 건조한 장소에 기기를 시설하는 등 지락에 의한 위험 우려가 없으면 예외로 한다.

지락보호의 핵심 용어는 다음과 같다.

누전차단기는 영상전류(잔류전류)를 검출하여 설정값 이상이면 회로를 여는 장치다. 전류 균형이 깨지면 동작하므로 과부하나 단락은 과전류보호장치가 맡는다.

접지계통은 전원 중성점과 설비 노출도전부의 접지 방식을 말한다. 저압에서는 TN, TT, IT 계통으로 나눈다. 지락전류의 크기와 귀로 경로가 계통마다 달라 보호장치 선정이 달라진다.

보호접지는 노출도전부를 접지선으로 대지에 연결하여 지락 시 접촉전압을 낮추는 조치다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 저압 설비는 과전류보호장치(퓨즈, 배선용차단기)만으로 고장을 처리했다. 그런데 지락전류는 부하전류보다 작은 경우가 많아 과전류보호장치가 동작하지 않고, 사람이 감전되어도 차단되지 않는 문제가 생겼다. 이 한계 때문에 전류 균형을 직접 감시하는 누전차단기가 도입되었다.

위 1문단에서 본 정의에 따르면 지락보호는 과전류보호와 목적이 다르다. 과전류보호는 허용전류 초과를, 지락보호는 전류 누설과 감전 위험을 대상으로 한다. 두 보호가 함께 있어야 저압 전로의 안전이 확보된다.

접지계통별 필요성도 다르다. TN 계통은 고장 시 금속 경로로 전류가 돌아오므로 지락 전류가 커서 과전류보호장치가 비교적 빠르게 동작한다. TT 계통은 접지저항이 커서 지락전류가 작으므로 누전차단기가 사실상 필수 보호장치가 된다. 누전차단기 설치 기준(감도 전류 등)은 정격감도전류 30mA 이하 로 널리 알려져 있으며, 이 값은 감전 보호용 기준으로 쓰인다. 다만 정격전부하전류 50A 이상 전동기계·기구에는 정격감도전류 200mA 이하를 쓸 수 있다.

설비의 용량이 커지고 전자기기가 많아지면서 누설전류 자체가 늘어난 점도 필요성을 높인다. 특히 고조파가 많은 부하는 누설전류 검출을 어렵게 하므로 보호장치 선정에 주의가 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

저압회로의 지락보호는 지락전류를 검출하여 회로를 자동으로 차단하는 방식이다. 보호장치는 검출 방식에 따라 누전차단기(RCD), 과전류차단기(MCCB·퓨즈), 지락과전류 검출방식으로 나뉜다. 접지계통(TN·TT·IT)에 따라 어떤 장치가 주된 보호 역할을 하는지가 달라진다.

지락보호는 지락전류 검출 장치와 접지 계통이 함께 작동해야 완성된다.

각 구성요소는 독립적으로 동작하지 않는다. 접지 임피던스가 낮을수록 지락전류가 커지고, 과전류차단기가 빠르게 동작한다. 반대로 접지 임피던스가 높으면 지락전류가 작아져 차단기가 동작하지 못한다.

원리는 키르히호프 전류 법칙이다. 정상 상태에서 도체 전류의 합은 0이다. 지락이 생기면 이 합이 0이 아니게 되고, 그 차이(잔류전류)를 검출하여 차단한다.

$I_g = \frac{U_0}{R_E + R_{PE}}$

여기서 I_g는 지락전류(A), U_0는 상전압(V), R_E는 접지저항(Ω), R_{PE}는 보호도체 저항(Ω)이다.

저압 지락보호 절차는 다음과 같다.

• 지락 발생으로 전로에 잔류전류 또는 지락전류가 흐른다.
• 접지 계통에 따라 누전차단기 또는 과전류차단기가 전류를 검출한다.
• 검출값이 설정치를 넘으면 차단기가 전로를 개방한다.
• 고장 원인을 제거한 뒤 재투입한다.

5. 관련 법령·기준·표준

저압 지락보호의 근거는 「전기설비기술기준」 제14조(지락에 대한 보호)이다. 전로에 지락이 생겼을 때 전선 또는 전기기계기구의 손상, 감전, 화재의 우려가 없도록 지락으로부터 보호하는 차단기를 시설하고 적절한 조치를 해야 한다. 다만 건조한 장소에 기계기구를 시설하는 등 지락 위험 우려가 없으면 예외로 한다.

현행 저압 전기설비의 세부 기준은 2021-01-01부터 시행된 한국전기설비규정(KEC)에 있다. 옛 「전기설비기술기준의 판단기준」은 대체되었다.

누전차단기의 정격감도전류는 30mA 이하로 쓰는 것이 일반적이다. 감전 보호 목적의 고속형 차단기는 정격감도전류에서 0.1초 이내(인체감전보호형은 0.03초 이내) 동작 조건을 함께 만족해야 한다. 접지저항은 TT 계통에서 RCD 동작을 보장하는 값으로 정해야 한다. 고장 전류가 RCD 감도 전류보다 충분히 커야 차단이 가능하다.

개정 연혁으로는 2021년 한국전기설비규정(KEC) 도입이 핵心이다. 이 개정으로 기존 판단기준 체계가 KEC 체계로 옮겨갔다.

Residual-current device 는 IEC 용어로 잔류전류장치를 뜻한다. 국내에서는 누전차단기로 통칭한다.

6. 유형과 비교

저압회로의 지락보호 방식은 계통의 접지 방식에 따라 달라진다. 접지 방식은 전원 측 중성점 접지와 설비의 노출도전부 접지 관계로 나뉘며, 대표 방식은 TN 계통, TT 계통, IT 계통이다.