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기획특집 전기설비기술기준 개정에 따른 저항성 누설전류(Ior)의 이론 및 현장 적용법

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 352회 작성일 19-09-16 14:24

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1. 개 요

지난 2018년 11월 22일, “전기설비기술기준 주요 제·개정(안) 및 KEC 주요 제정(안)과 적용 방향”이 발표되었고, 올해 3월 25일 산업통상자원부 공고 제2019-195호를 통해 정식 공고되었다. 이 기준은 2019년부터 2년간 기존 기준과 병행 적용되며, 2년 뒤인 2021년 1월부터 한국전기설비규정(KEC)을 통해 정식 적용될 예정이다. 이 중, 기술기준의 판단 기준 제13조(전로의 절연저항 및 절연내력)의 변경 내용을 살펴보고, 향후 전기안전관리에 혼선이 생기지 않도록 준비해야만 한다.
2. 누설 전류계의 사용 배경

사용 전압이 저압(AC 600V 이하)인 전로의 절연 관리는 기본적으로 절연저항계를 기준으로 시험을 실시하고 있다. 현행 및 개정안 참조.

이 기준을 누설 전류로 환산하면 1mA 이하로, 전로의 절연을 유지하는 것과 동등하게 간주되므로, 국내에서는 2005년부터 전기설비 기술기준에 누설전류계로 절연 저항 시험을 대용해도 좋다는 규정이 추가되었다.

2000년대 초, 누설전류계로의 절연 관리가 보급된 배경으로는 OA, FA 기기 등의 보급이 증가함에 따라 정전이 불가능한 전로가 대폭 늘었으며, 절연 측정 전압에 따른 OA, FA 기기의 고장을 일으키는 문제가 많아진 것도 있다. 또 전기 유지를 하는 전기안전관리회사의 입장에서는 부재 중인 경우, 집 외부에서 누설전류계로 관리가 가능하다는 이점도 포함되어 있다.

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3. 일반 누설전류계로 측정 시의 문제점

위와 같은 이유로 누설전류계를 사용한 절연 관리가 가능해졌지만, 한 가지 문제가 발생되었다. 그것은 선로에 존재하는 대지용량성분의 누설전류가 증가하게 된 원인으로, 누설전류의 종류와 발생 원인을 알아보고, 누설전류계와 절연저항계의 측정 방식에 의해 발생되는 장단점을 두 계측기의 측정 방식을 통해 설명하겠다.

먼저, 누설전류의 사전적 의미는 다음과 같다.
A. 전로 이외의 경로로 흐르는 전류
B. 전로의 절연체의 내부 또는 표면과 공간을 통하여 선간 또는 대지 사이에 흐르는 전류

누설전류는 지정된 경로(보호도체를 통해 접지선으로 흐름)를 통해 대지로 흐르면 감전 및 전기 화재를 예방할 수 있지만, 기준값을 초과한 누설전류가 발생하면 전기 사고를 피할 수 없게 되는 경우가 있다. 따라서 절연 관리를 위한 기본적인 관리 항목으로 규정되어 있으며, 발생 원인을 살펴보면 다음과 같다.
A. 선로 또는 기기(고압/저압)의 절연이 저하될 경우
B. 선로가 긴 경우, 선로와 대지간 정전 용량 성분(보통 1km당 약 수십 mA)
C. 전자기기 노이즈 필터의 캐패시터 성분
D. 중성선 다중 접지에 의한 불평형 부하 전류
E. 표류 부하손(유도성 순환 전류 : 통합접지 방식에 의한 폐회로 구성으로 발생)
F. 한전 계통 접지의 불평형 전류
G. 부하 측에서 중성선과 접지선이 바뀐 경우 등 다양한 원인으로 발생

전기 사고의 통계에 따르면, 전기 사고의 90% 이상이 저압반에서 발생되고, 저압 전기설비의 경우, 배전반 또는 간선보다는 분전반 분기에서 발생되는 사고, 즉 말단 부하 측에서 대부분의 문제가 발생되고 있다고 한다. 따라서, 우리는 다음과 같은 목적으로 누설전류에 대한 체계적인 관리를 통한 안전 점검을 실시해야 한다.
A. 정전 상태에서 수시로 선로 및 기기의 누설전류를 관리
B. 정전이 어려운 환경으로 인하여 절연저항 측정이 곤란한 경우
C. 누전으로 인한 감전 및 전기 화재의 예방 목적
D. 전기기기의 건전성과 경년 변화의 확인

이것을 바탕으로 누설전류계로 전기안전관리를 실시하게 되는데, 여기서 또 하나의 문제가 발생한다. <사진 1>을 참조 바란다. 

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실효값 측정 누설전류계로 현장 측정을 실시한 결과, <사진 1>과 같은 결과에 봉착하게 된다. (누설전류 측정값 : 5.07mA) 기술기준에서는 누설전류가 1mA를 초과하면 안 된다고 규정되어 있지만, 실제 측정 결과는 그 기준값을 훨씬 상회한 결과가 표시되어, 대부분의 안전관리자들은 이 측정값을 사용해야 할지, 말아야 할지에 대한 판정을 내릴 수가 없게 되는 것이다. 그렇다면, 어째서 이렇게 기준값(1mA)보다 높은 값이 측정되는 것일까? 이 의문에 대한 원인을 살펴보면 다음과 같다.

우리가 보통 누설전류(Io)라고 알고 있는 성분에는 바로 저항성분(Ior)과 용량성분(Ioc)의 누설전류가 포함되어 있는데, 이것은 벡터합으로 계산이 가능하다. 즉, 누설 전류(Io)2 = 저항성 누설전류(Ior)2 + 용량성 누설전류(Ioc)2로 구성되어 있는 것이다.

일반적인 절연 감시 장치 등에서 판정 기준으로 사용되고 있는 누설전류(Io)의 판정값에는 화재나 감전, 전력 손실의 원인이 되는, 저항성분 누설전류(Ior)와 위험한 상태로 이어지지 않는, 무효성분인 용량성분 누설전류(Ioc)가 포함되어 있기 때문이다. 이로 인해, 배선 거리가 긴 설비나 인버터 기기가 접속되어 있는 설비, 대량의 L ED 조명 설치 등, Ioc가 큰 설비에서는 절연 상태를 정확하게 판단하지 못하는 경우가 발생하는 이유이다.

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좀 더 자세하게 Ior과 Ioc를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

▶저항성 누설전류(Ior) = 전압(V)과 동일한 위상(위상차 0°)으로 흐르기 때문에, 유효 전력 환산식은

유효 전력(P) = V×Ior×cos0°(cos0° = 1) = V×Ior

즉, 유효전력으로 소비되기 때문에, 감전, 화재의 원인이 되는 누설전류로 경우에 따라서는 발열이나 발화로 이어질 가능성이 있어 매우 위험하며,
▶용량성 누설전류(Ioc) = 전압(V)에 대해 90° 앞선위상으로 흐르기 때문에, 유효 전력 환산식은
유효 전력(P) = V×Ioc×cos90°(cos90° = 0) = 0

즉, 전로와 대지 사이의 정전용량으로 인해 발생되기 때문에, 유효전력이 제로로 되어 위험한 상태로 되지 않는 것이다.
이것은 우리가 전력 계산에서 사용하는 유효전력(전압과 동위상인 전류)과 무효전력(전압과 90도 진상 또는 지상)으로 계산되는 것과 동일한 개념으로, 이것을 잘 이해한다면, 전기안전관리에서도 효과적으로 적용할 수가 있다.
즉, 과거에는 전로에 존재하는 용량 성분이 비교적 적었기 때문에, 일반 누설전류값(Io)으로도 관리가 가능했지만,


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최근에는 배선 길이가 길어지고, 에너지 절감을 위한 인버터 전자기기의 보급이 급증하고 있기 때문에, 노이즈의 대책으로 노이즈 필터, 라인 필터 등의 용량 성분이 폭발적으로 증가하여 Io값으로는 정확한 누설전류를 관리하기가 어려워졌기 때문이다. 

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그렇다면, 이 이론을 바탕으로 실제로 유효/무효성분이 미치는 영향에 대한 실험을 실시해보자.

<사진 2>는 실제로 용량 성분과 저항 성분의 차이점을 이해하기 쉽도록 키트를 제작, 전압을 인가하여 이에 따른 반응을 실험한 자료다.
<사진 2>는 상용전원(220V)을 인가한 상태(5분 경과)에서 누설전류에 의해 발생하는 발열 과정을 살펴보기 위한 실험으로, 이 실험을 위해 키트를 제작, 열화상 카메라로 촬영했다. 실화상 측정 사진의 노란색 라인을 기준으로 좌측 2개의 캐패시터는 각각 5mA/10mA의 용량성 누설전류에 상당하고, 우측의 저항은 각각 2.2mA(0.1MΩ)/0.44mA(0.5MΩ)/0.22mA(1MΩ)/0.044mA(5MΩ)/0.022mA(10MΩ)의 저항성 누설전류에 상당하는 저항들로 구성되어 있다.

전압 인가 후 5분이 경과한 상태에서의 열화상 사진을 보면, 10mA, 5mA가 흐르는 캐패시터에서는 발열이 전혀 발생하지 않지만, 2.2mA, 0.44mA, 0.22mA의 전류가 흐르는 저항에서는 발열이 발생하고 있음을 열화상 사진으로 확인할 수가 있다. 누설전류 Ioc는 10mA가 흐르고 있고, 그에 비해, Ior은 1/5의 용량 밖에 흐르지 않음에도 상당한 발열이 발생하고 있는 것을 육안으로 확인할 수가 있다. 다시 말해, 기준 전압과 90도의 위상차로 흐르는 용량 성분 누설전류와는 달리 감전, 화재의 주 원인인, 저항 성분 누설전류를 올바로 관리해야만 절연 열화로 인해 발생될 수 있는 전기사고를 예방, 대처할 수가 있다는 결론을 내릴 수가 있는 것이다. 이와 같은 기준의 불일치를 개선하기 위해 대한전기협회에서는 현행 누설전류의 관리기준의 애매한 문구를 다음과 같은 정확한 의미의 문구로 개정하게 된 것이다. <개정안 참조>

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4. 절연저항계와 누설전류계의 측정 방식에 의한 장단점

A. 절연저항계
절연저항계는 전로에 존재하는 대지 용량 성분(Ioc)을 제거하기 위해 DC 전압으로 출력, 누설되는 전류량을 검출하여 저항값으로 환산, 표시하는 계측기로써 순수 저항 성분의 누설전류의 검출이 가능하다. 따라서, 절연저항계가 검출하는 누설전류는 실제 유효 성분인 저항 성분의 누설전류이다. 그러나 이 측정 방식은 다음과 같은 문제점이 존재한다.
1. 전로에 AC 전압이 아닌 DC 전압을 인가하여 대지-전로 간의 절연 저항을 측정하기 때문에, 활선상태에서의 부하기기의 절연 상태 감시 및 부하 특성에 대한 판정이 불가능하고, 단순히 대지-전로 간의 절연저항값만 측정이 가능하다. 예를 들어, 모터에서 누전이 발생되는 기기가 있다고 가정한다면, 기기 내부에는 릴레이, 접점 등이 장비되어 있으므로, 절연저항계로 절연 측정 시에는 이 릴레이(접점)의 앞단까지만 측정이 가능하기 때문에, AC 전원을 투입, 기기를 구동시키지 않고서는 정확하게 절연 상태를 진단할 수가 없다. 즉, 현장에서의 전기사고 예방을 위한 안전 예방 조치에 한계가 드러난다.
2. 정전할 수 없는 장소에서의 절연 측정이 불가, 반드시 정전이 필요하다.
3. 과도한 전압 인가 시 전자기기가 파손될 가능성이 존재한다.

B. 누설전류계
1. 사선상태에서 절연 측정을 실시하는 절연저항계와는 달리 활선상태에서의 절연 열화와 관련된 저항성 누설전류의 측정이 가능하기 때문에, AC로 작동 중인 부하기기에 대한 활선상태에서의 절연 상태 감시 및 부하 특성에 대한 현장에서의 양부 판정이 가능하다. 다시 말해, 부하기기를 AC 전원에 접속하기 전, 대지-전로 간의 절연 상태가 양호하다고 판정된 경우라 할지라도, 실제로 전원에 접속, 작동 중인 부하기기가 절연 열화로 인해 발생하거나, 발생될 가능성이 있는 저항성 누설전류(Ior)를 현장에서 즉시 검출, 판단 기준값(1mA 이하)을 기준으로 열화 상태를 판정할 수가 있는 것이다. 또 Ior과 기준 전압으로 환산하면, 활선상태에서의 절연저항값도 산출 가능하므로, 작동 중인 부하기기의 절연에 대한 안정성 및 건전성을 판단하는데 중요한 요소라고 할 수 있다.
2. 활선상태에서 저항성 누설전류를 측정, 절연관리가 가능하다. 정전할 필요가 없다.
3. 측정이 비교적 단순하고, 검사 시간이 짧다.


5. 누설 전류 측정의 점검 방식에 대한 기준의 변화

일반적인 누설전류계는 전로에 존재하는 용량 성분(용량성분 전류 = 전압(V)과 주파수(Hz)의 크기에 비례)도 동시에 측정되어, 판단 기준인 1mA를 초과하는 측정 결과를 나타낼 수밖에 없다. 이로 인하여 누설전류계로 절연상태를 관리하는 안전관리자는 큰 혼란을 겪을 수밖에 없다. 전기설비 기술기준의 판단 기준 제13조가 개정되었지만, 이 환경적 요인의 변화로 인하여 우리는 이 간편한 점검 방식에 추가적인 요소를 고려하지 않으면 안 된다. 그 대안으로 최근 대두되고 있는 것이 바로 누설전류의 성분 중에서 실제 유효 누설 성분인 저항성 누설전류(Ior)의 검출이 가능한 계측기를 사용하여 전기안전관리에 적용하는 방법이다.


6. 결 론

KYORITSU에서는 이와 같은 소비자의 요청에 의해 KEW 5050SE라는 제품을 시장에 선보였다. 80년 전통의 정밀 전기 계측기기 제조업체인 KYORITSU는, 정밀 클램프 센싱 기술을 바탕으로 유도현상으로 인한 노이즈가 많은 환경에서도 확도가 뛰어난 Ior 누설전류계를 개발하는데 성공했다.

제품의 특징으로는 누설전류(Io), 저항성 누설전류(Ior), 실효값 누설전류(Iom), 위상각(Θ), 전압(V), 절연저항(R), 주파수(Hz), 벡터 표시, 로깅, 이벤트 기록 및 프린트 스크린, PC 데이터 분석 등, 다양한 데이터를 한 번에 기록, 해석이 가능하다는 장점이 있다.

대부분의 소비자는 업체가 소개하는 제품의 정보를 믿고, 구매할 수밖에 없는 것이 현실이다. 그러나 측정 확도에 대한 자부심과 품질 보증을 내세운 정직한 제조사는 많지 않다. KYORITSU는 현 시대의 요청에 부합하는 고품질의 제품을 공급하는데 최선을 다하고 있으며, 이 제품을 선택한 소비자들은 결코 후회하지 않을 것이다.

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