UPS 단락·지락 보호

왜 배우는가: UPS 2차 회로의 단락·지락 보호는 정전 시 부하를 지키는 설비가 정작 내부 고장에서 정지하거나 화재로 번지는 것을 막기 위한 핵심 설계 요소다. 인버터와 축전지는 고장 전류를 제한하는 능력이 제한적이므로 일반 배전 보호와 다른 원리가 필요하다. 그래서 기술사 시험에서 2회 이상 반복 출제되었다.

출제 이력: 제135회 3교시 1번, 제94회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

UPS 2차 회로 보호는 인버터·축전지 출력 측의 단락·지락 사고를 빠르게 검출하여 전류를 제한하거나 차단하고, 부하와 장치를 보호하는 기능이다.

• 무정전 전원장치(UPS)
• 2차 회로(인버터 출력 측)
• 단락 보호
• 지락 보호
• 과전류 제한(전류 제한)
• 폴드백 제한
• 선택 차단

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, UPS 뒤쪽 회로에서 전선이 서로 붙거나 대지와 닿았을 때 큰 전류가 흐르지 않도록 막고, 필요하면 그 회로만 끊는 것이다. UPS의 2차 회로는 인버터가 전압을 만들어 내는 쪽이다.

정식으로는 단락 보호를 선로의 두 도체가 직접 접촉하여 임피던스가 극히 작아지는 사고에 대한 보호라고 정의한다. 지락 보호는 충전부가 대지 또는 접지된 금속부와 접촉하는 사고에 대한 보호다. 두 보호는 사고의 형태가 다르므로 검출 방식도 다르다.

일반 배전 계통에서는 차단기나 퓨즈가 큰 고장 전류를 보고 바로 끊는다. 그러나 UPS 인버터는 반도체 소자로 전압을 만들기 때문에 고장 전류의 크기가 제한된다. 인버터 소자는 과전류에 매우 약하므로, 차단기가 동작하기 전에 소자가 먼저 손상될 수 있다. 이 때문에 UPS는 제어 단계에서 출력 전류를 일정 값으로 제한하는 기능을 함께 가진다.

지락 검출은 3상 출력의 전류 합(영상 전류)이나 접지 경로의 전류를 보고 판단한다. 지락 전류는 단락 전류보다 작은 경우가 많아 검출 감도를 따로 맞춰야 한다. 다만 UPS 2차 회로는 대부분 저전압·소용량이므로, 지락 보호는 계통 지락 보호와 다른 기준으로 설계한다.

3. 등장 배경과 필요성

UPS는 정전 순간에 컴퓨터, 데이터센터, 통신 장비 같은 중요 부하에 전원을 공급한다. 이 부하가 중단되면 인명 피해나 데이터 손실이 생길 수 있다. 따라서 UPS 자체가 고장으로 멈추면 안 된다는 요구가 강하다.

초기에는 UPS 출력 측에 일반 차단기만 두는 경우가 많았다. 그러나 인버터의 고장 전류는 계통 전원보다 작고 응답이 느린 차단기로는 소자를 보호하기 어려웠다. 또한 UPS가 계통 전원과 절환되면서 고장이 생기면 정상 경로로 복귀하지 못하는 문제가 있었다.

이에 따라 현대 UPS는 제어기 내부에서 전류를 빠르게 제한하고, 단락이 지속되면 출력을 차단하는 방식을 함께 쓴다. 학술 연구에서도 과부하와 단락 시 출력 전류를 설정값으로 제한하는 제어 기법이 제안되었다. 이 기법은 전압원 인버터 기반 UPS에서 소자 파괴를 막고 복구 시간을 줄이는 목적을 가진다.

또한 UPS는 IEC 62040 계열 표준에서 일반 안전 요구사항과 시험 방법을 정하고 있다. 국내에서는 전기설비 기준에 따라 접지와 과전류 보호를 확인한다.

4. 구성요소·원리·절차

UPS 2차 회로는 인버터, 정류기, 축전지, 바이패스 회로, 정지형 자동 절환 스위치(STS), 그리고 부하측 분기 차단기로 이루어진다. 단락보호와 지락보호는 이 가운데 인버터의 출력 특성과 바이패스 경로의 큰 고장전류를 함께 고려해 설계한다. 인버터는 반도체 소자로 구성되어 과전류에 약하므로, 고장 시 출력 전류를 제어로 제한하는 것이 기본 원리다.

표 설명: 인버터 측 고장은 제어 한계로 전류를 억제하므로 차단기가 늦게 동작해도 소자가 보호된다. 바이패스 측 고장은 전원 임피던스에 의해 전류가 커지므로 차단기의 차단용량과 협조가 필요하다.

원리는 두 경로로 나누어 본다. 첫째, 인버터 경로에서는 출력 전류 상한을 설정하고 고장 시 전압을 낮추어 전류를 제한한다. 둘째, 바이패스 경로에서는 전원측 단락 용량을 기준으로 차단기의 차단 용량을 정한다. 단락 전류는 다음과 같이 근사한다.

$I_{sc}=\frac{V}{Z_s}$

여기서 I_{sc}는 단락 전류(A), V는 상전압(V), Z_s는 고장점까지의 전원측 임피던스(Ω)다. 임피던스가 작을수록 고장 전류가 커지므로 차단기 용량을 이 값 이상으로 잡는다.

지락보호는 고장 전류의 크기보다 귀로 경로와 감지 방식이 핵심이다. 접지 계통에서는 지락 전류를 영상 전류로 검출하고, 비접지 계통에서는 절연 상태를 감시하여 1선 지락을 경보한 뒤 고장 회로를 분리한다.

절차는 다음과 같다.

• 2차 회로에서 단락 또는 지락 고장이 발생한다.
• 인버터 제어가 출력 전류를 상한 값으로 제한하고 전압을 낮춘다.
• 과전류 또는 지락 신호로 보호 장치가 동작한다.
• 인버터로 공급이 어려우면 STS가 바이패스 경로로 전환한다.
• 2차 차단기가 고장 회로만 선택 차단한다.
• 경보를 내고 고장 원인을 제거한 뒤 차단기를 재투입한다.

인버터는 제어로 전류를 제한하고, 차단은 2차 차단기와 바이패스 협조로 이루어진다

5. 관련 법령·기준·표준

UPS 의 안전과 성능은 전기설비 기준과 국제 규격을 함께 따른다. 국내에서는 전기설비의 설계와 시설 기준을 한국전기설비규정(KEC)이 정한다. KEC 는 2021-01-01 부터 적용되며, 이전의 전기설비기술기준의 판단기준은 이때 대체되었다. UPS 자체의 성능과 시험은 IEC 62040 계열을 기준으로 한다. 이 계열은 안전 일반 요구사항, EMC, 성능 규정, 환경 요건으로 나뉜다.

표 설명: KEC 는 설비 설계 기준이고, IEC 62040 은 장치 성능 기준이다. 2차 회로의 보호 설계는 두 기준을 함께 적용한다. 절연저항 값은 지락 감시와 시험에서 판정 기준으로 쓰인다.

개정 연혁은 KEC 시행이 가장 중요하다. 이 시점 이후 설계 문서에는 KEC 의 조항과 용어를 사용한다. 옛 명칭인 판단기준을 현행 기준처럼 인용하지 않는다.

KEC 2021-01-01 시행

기준 수치는 설계 조건에 따라 다르므로 시험 답안에서는 기준의 이름과 적용 대상을 먼저 쓴다. 수치는 핵심 값만 제시한다.

DC 250V 시 절연저항 0.1MΩ 이상

6. 유형과 비교

UPS 2차 회로의 보호방식은 보호 대상 고장과 보호 장치의 동작 원리에 따라 나뉜다. 단락보호는 과전류를 빠르게 차단하는 방식이고, 지락보호는 누설전류를 검출하는 방식이다. 두 방식은 검출 원리와 차단 장치가 달라 함께 설계해야 한다.