2.1 직류 시스템의 전원 및 접지 구성

IEC 60364-1은 AC 및 DC 시스템의 구성에 대하여 서술하였으며 전원과 접지에 따라 구분하고 있으며, 접지 구성에 따라 크게 3가지 형태(TT, IT, TN)로 구분하고 있다⁽⁷⁾.

여기서, 직류 시스템의 전원 구성은 대표적으로 2선식(단극성) 전원과 3선식(양극성) 전원으로 구분되며, 접지의 설계 형태와 접속 위치, 접속 극 등에 따라 보다 세부적으로 구분된다. 그림 1은 직류 IT 접지 시스템의 대표적인 형태를 보여주는 그림으로 2선식 음극 접지, 3선식 중성선 접지와 2선식 접지 시스템을 보여준다.

교류 시스템과 다르게 직류 시스템에서 접지극의 접속은 인체 감전 및 부식 측면에서 중요한 요인으로 작용한다. 음극 접지의 경우 양극지락 고장 발생 시 인체 감전은 손에서 발 방향으로 흐르는 하향전류가 발생하며, 설비측 접지전극에서의 전식이 발생한다. 또한 음극지락 고장 발생 시 검출이 어렵다는 특징을 가지고 있다. 반면 양극 접지의 경우 음극지락 발생 시 인체 감전은 발에서 손 방향으로 흐르는 상향 전류가 발생하며, 전원측 접지전극의 전식이 발생한다. 상향 전류는 하향 전류에 비해 절반 수준의 심실세동 한계값을 가지므로 인체감전에 취약한 시스템이다⁽⁷⁾. 또한 양극지락 고장 발생 시 검출이 어렵다는 특징을 가지고 있다.

LVDC는 IEC 60038에서 1500V 이하의 전압으로 규정하고 있지만 정격전압에 대한 표준은 이루어져 있지 않다. 따라서 24V, 48V, 230V, 380V, 750V, 1500V 등 다양한 레벨의 전압이 제시되고 연구되고 있다⁽¹⁰⁾. 안전 측면과 효율 측면을 고려해 볼 때 190V 또는 380V의 전원이 사용될 것으로 판단된다. 우리나라의 경우, 옥내전로는 전기설비기술기준의 판단기준 제 166조에 의하여 대지 전압 300V 이하로 시설하도록 규정되어 있다. 이에 따라 그림 1과 같이 단극성의 190V, 양극성의 380V, 단극성 중간선 접지를 한 형태 시스템 구성이 연구되고 있고 있으며 본 논문의 사례로 선정하였다.

2.2 LVDC 시스템에서의 감전 위험

DC 계통에서의 고장 초기의 과도전류는 전원측 또는 전력변환장치 측의 커패시터 충전 전압의 방출에 의한 고장전류의 유입에 의하여 나타난다. 참고문헌 ⁽⁵⁾는 커패시터에 의해 발생하는 초기 과도상태의 고장전류의 지속 시간(t)을 다음 식(1)과 같이 서술하였다⁽⁵⁾.

여기서, $\gamma =\arctan[(V_{0}w_{0}C\sin\beta)/(V_{0}w_{0}C\cos\beta -I_{0})]$

$\beta =\arctan(\dfrac{w}{\delta}),\: w_{0}=\sqrt{\delta^{2}+w^{2}}$

$\delta =\dfrac{R}{2L},\: w=\sqrt{\dfrac{1}{LC}-(\dfrac{R}{2L})^{2}}$

식(1)에서, Vo는 계통전압, R과 L은 선로임피던스, C는 전력변환장치 내부의 커패시터에 해당한다. 참고문헌 ⁽⁵⁾의 파라미터(R = 0.12 [Ω], L = 0.56 [mH], C = 10 [mF]) 조건에서 10 [kW], 190/380 [V] 수용가 기준 커패시터로 인한 초기 과도 고장전류 지속 시간은 4.5 [ms] 이내로 짧은 시간을 가진다. 일반적으로 수용가 측면에서의 감전사고는 캐패시터 방전에 의한 과도상태와 같이 짧은 시간의 감전사고보다는 지속적인 통전으로 인하여 발생하여 인체영향으로 이어진다. 정상상태 도달 후의 고장전류는 과도전류 보다 낮은 값이지만 긴 지속시간으로 인하여 심각한 인체영향의 발생할 수 있다.

이와 관련하여, IEC 60479-1은 인체 통전전류에 따른 인체영향을 통전시간과 전류크기에 따라 구분하였다. 표 1은 발에서 양손으로 향하는 상향전류의 직류감전이 지속될 경우 통전전류 한계값과 발생할 수 있는 인체영향을 나타낸다⁽¹¹⁾.

인체감전의 경우 1차 고장에 따른 외함 접촉을 통한 감전 또는 노출 도전부 직접 접촉에 의해 발생이 가능하다. 그림 2는 인체 감전 발생을 모의한 회로를 나타내며, 이에 대한 등가회로는 그림 3과 같다. 그림 3의 Z과 Z는 전원에서 부하까지의 전로 임피던스를 의미하고(Z= Z + Z, Z = Z + Z) Z은 대지임피던스, Z는 PE 도체, Z는 인체 임피던스를 나타낸다. 표 2의 조건에 따라 전원 및 접지, 감전 발생 유형 별로 모의가 가능하다. 표 2에서 Value는 실제 시스템에서 적용될 수 있는 임의의 값, Open은 개방된 상태를 의미하며, Z과 Z는 전원측 접지 임피던스를 나타내어 다양한 케이스를 나타낼 수 있도록 하였다.

외함 누전 및 1차 고장에 의한 인체감전의 경우 인체저항(Z)은 임피던스가 매우 낮은 PE 도체와 병렬 회로가 구성되어 인체에 흐르는 통전전류는 낮은 범위에 속한다. 반면 노출 도선부에 직접 감전시 PE 도체와 무관한 폐회로를 형성하여 높은 통전전류가 발생한다. 두 경우 모두 전원측 접지 임피던스를 통과하는 폐회로를 형성하기 때문에 접지 임피던스의 크기에 따라 인체 통전전류가 변화하게 된다. 따라서 본 논문은 노출 도선부 접촉에 의한 감전 발생시 전원 측 접지 임피던스 크기에 따른 인체 위험에 대하여 서술하였다.

3.1 Matlab 시뮬레이션 구성

본 본문에서는 LVDC의 IT 접지 LVDC 수용가의 전원측 고저항 접지 임피던스 선정 및 인체영향을 확인하기 위하여 Matlab/Simulink 소프트웨어를 활용하였다. 그림 2와 그림 3을 기반으로 구성하였으며 파라미터는 표 3에 나타내었다. 인체 임피던스 Z는 IEEE std. 80을 기반으로 1000 [Ω]을 선정하였다. 전원 측 접지(Z, Z)의 변화는 각 1 [Ω] ~ 1 [MΩ]까지의 변화를 주어 시뮬레이션을 수행하였다. 본 논문의 시뮬레이션에서 가정한 케이스는 전원 측을 고저항 접지한 형태(IT)로 표 4와 같은 5가지 경우로 선정하였다. 3선식의 경우 하나의 극에 인가되는 전압(E)으로 표기하였다.

3.2 시뮬레이션

그림 4는 누전 또는 1차 고장시 외함 접촉을 통한 감전이 발생하는 경우, 각 케이스 별 인체 통전전류를 전원 측 접지 임피던스의 변화에 따라 보여준다. 이때, 중간점 접지 (e)의 경우 2개의 전원 측 접지 임피던스(Z, Z)를 동시에 변화시켰다.

일반적으로 알려진 바와 같이 2선식 전원의 경우 같은 전압의 3선식 전원에 비하여 높은 통전전류를 확인할 수 있었다. 전원 E에 비례하여 인체 통전전류도 증가하여 같은 전원의 케이스 (a)와 (d)는 유사한 그래프를 나타내었다. 3선식 전원 방식인 케이스 (a)의 경우 다양한 전원 레벨의 공급과 전기적 안전성을 보유한 것으로 판단된다. 모든 케이스에 대하여 인체 통전전류는 40 [mA] 이하로 심실세동의 위험은 낮은 것으로 판단되며, 케이스 (c)을 제외하고 DC-2 이하의 값을 갖는 것으로 나타났다. 케이스 (e)는 2개의 전원 측 접지 임피던스로 인하여, 접지 임피던스의 크기에 따라 190 [V], 380 [V]의 전원을 사용한 케이스와 유사한 경향을 보이며 변화하였다. 하지만 20 [mA] 이하의 통전전류를 발생하여 심실세동의 위험은 낮은 것으로 확인하였다.

그림 5는 노출부 직접 접촉을 통한 감전이 발생하는 경우, 각 케이스에 대한 전원 측 접지 임피던스의 변화에 따른 인체 통전전류를 보여준다. 케이스 (c)의 경우 높은 대지 전위로 인하여 가장 큰 통전전류가 나타났으며, 케이스 (b)의 경우 대지 전위가 가장 낮기 때문에 통전 전류 또한 가장 작은 것으로 나타났다. 케이스 (a), (d)는 같은 대지 전위를 가지므로 거의 유사한 크기의 통전전류가 발생하였다. 케이스 (e)는 임피던스가 낮은 구간의 경우 케이스 (a), (d)와 유사한 경향이지만 접지 임피던스가 증가할수록 동일한 전압을 사용하는 2선식 시스템인 케이스 (c)와 유사한 경향을 나타내었다.

표 5는 그림 5에 대하여 전원 측 접지 임피던스의 변화에 따른 인체 통전전류 및 인체 영향을 정리하였다. 모든 케이스에 대하여 심실세동의 위험이 존재하였으며 적절한 접지 임피던스를 사용하여 인명피해를 감소시킬 필요가 있다.

3.3 모의 Test-bed를 통한 시뮬레이션 검증

Matlab/Simulink 소프트웨어 활용의 적절성 및 신뢰성을 확인하기 위하여 모의 LVDC 실험 설비를 그림 6과 같이 구축하였다.

2대의 직류 전원장치(DC Power Supply)를 직ㆍ병렬 변환장치(Series/Parallel Changer)를 통하여 2선식 또는 3선식 전원공급이 가능하도록 모의하였다. 또한 IEC 60364 기반의 모의 접지시스템을 구축하기 위하여 DC 접지 시뮬레이터(Ground Simulator)를 설계 및 제작하였다. 접지 시뮬레이터는 총 11개의 스위치를 조작하여 국제 표준 기반의 2선식, 3선식 접지 체계를 구성할 수 있으며, 그림 7과 같은 시스템 구성을 통하여 모의실험을 진행하였다.

실험을 통한 검증은 케이스 (a)에서 (d)까지에 대하여 전기적 위험성이 큰 노출부 직접 접촉에 의한 감전을 모의하였으며 파라미터는 표 6에 나타나 있다.

위 사양의 테스트 베드를 구성, 실험을 통하여 표 7의 결과를 도출하였다. 계측기의 분해능은 2 [mA]로 통전전류가 2 [mA] 이하인 경우는 이로 인한 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 하지만 이외의 값은 시뮬레이션을 통하여 도출한 값과 5 [%] 이하, ±2 [mA] 이내의 오차율을 확인하였다. 이를 통하여 테스트 값과 유사한 것으로 나타나 Matlab/Simulink을 활용한 시뮬레이션의 유효성을 확인하였다.

3.4 IT 고저항 임피던스 LVDC 시스템에서의 접지 임피던스 선정

그림 8은 노출 도선부 직접 접촉시 전원 측 접지 임피던스 변화에 따른 인체 통전전류를 표 1에 따라 인체영향에 대하여 구분한 그림이다. 케이스 (b)의 경우 전원측 접지 임피던스가 낮더라도 최대 통전전류가 DC-3 영역에 존재하여 심실세동 발생의 위험은 낮은 것으로 나타났다.

케이스 (d)는 380 [V]의 3선식 전원을 사용하지만 사고 발생시 한 상만 영향을 받으므로 190 [V]의 2선식 전원을 사용하는 케이스 (a)와 매우 유사한 경향이 나타났으며 DC-4영역이 존재하여 심실세동의 위험이 존재하였다.

낮은 임피던스에서 경우 케이스 (a), (d)와 유사한 경향을 보이는 케이스 (e)도 마찬가지로 DC-4의 영역이 존재하였다.

가장 높은 대지 전위의 케이스 (c)도 DC-4 영역이 존재하여 케이스 (b)를 제외한 4가지 경우는 심실세동의 위험이 존재하며 특정값 이상의 접지 저항을 사용할 필요하여 심실세동의 위험을 낮출 필요가 있다.

표 8은 외함을 통한 감전과 노출부 직접접촉을 통한 감전에 대하여 인체 영향을 최소화하기 위한 전원측 최소 접지 임피던스를 선정하여 나타내었다. 외함을 통한 감전의 경우 통전 전류가 작기 때문에 별도의 임피던스를 사용하지 않아도 심실세동(DC-4)을 피할 수 있었으며, 기타 영역도 임피던스를 필요로 하지 않거나 250 [Ω]의 작은 값의 임피던스선정을 통하여 인체 영향을 피할 수 있었다.

반면 노출부 접촉을 통한 감전은 대지전위가 낮은 케이스 (b)를 제외하고 최소 250 [Ω]에서 최대 1540 [Ω]의 전원 측 접지 임피던스를 통하여 심실세동(DC-4)의 위험을 방지해야할 필요성을 보였다.

기타 영역에서는 외함을 통한 감전에서 도출된 임피던스보다 800배 이상 큰 값의 전원측 접지 임피던스를 사용해야하는 것으로 나타났다.