강해권
(Hae-Gweon Kang)
1iD
한가람
(Ga-Ram Han)
1iD
최동환
(Dong-Hwan Choi)
1iD
김재진
(Jae-Jin Kim)
1iD
유인호
(In-Ho Ryu)
†iD
-
(Electrical Safety Research Institute, Korea Electrical Safety Corporation, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
KEC, Earthing system, Grounding value, TN-C-S, TT, Matlab/Simulink, Touch voltage, Body current
1. 서 론
한국전기설비규정(KEC)은 전기설비기술기준의 판단기준을 토대로 국제표준 부합화 요구에 따라 IEC(International Electrotechnical
Commission) 기준을 준용하여 2021년부터 적용되었다. KEC의 주요 내용 중 접지 관련 기준은 기존 접지공사의 종류(1종, 2종, 3종,
특3종)에 따른 접지저항 기준값의 규정에서 접지계통의 종류(TN, TT, IT)에 따른 접지방식 구분 및 안전기준으로 변경 적용되고 있다. 그에 따라
인체 감전 보호를 위해서는 위험전압의 허용 기준이 수용가의 접지저항값 기준보다 중요해졌으나 국내 일반용 저압 전기설비의 경우 접지 관련 설계를 하지
않아 위험전압을 산출하기 어려운 실정이다. KEC에서는 감전 보호 체계를 직접 접촉에 의한 보호와 간접접촉에 의한 보호로 세분하여 여러 가지 보호
수단을 조합하여 적용함으로써 모든 경우에 대해 안전성을 보장하도록 한다. 특히, 간접접촉에 의한 보호의 경우 전원의 자동 차단에 의한 보호가 주요하나
설비의 특성상 이를 만족할 수 없는 경우 보조 보호 등전위 본딩을 실시하도록 규정하고 있다(1).
본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 국내에 적용이 가능한 저압 수전 전기설비의 접지 계통을 모델링하고, 각 접지방식 별로 인체 감전 사고 사례를 모의하여
감전 보호 측면에서 접지저항값에 따른 접지시스템의 안전성을 검토한다.
2. KEC 기준 적용에 따른 국내 저압 전기설비 접지시스템
IEC 및 KEC의 기준에 따라 국내 저압 수전 방식의 일반용 전기설비의 접지시스템을 구분하면 대부분 설비가 책임분계점을 기준으로 전력 공급자 측이
TN-C 계통이고 수용가 측은 TT 계통이며, 이는 접지시스템이 혼재된 방식이다. NEMA의 보고서에 따르면 TN 계통과 TT 계통은 서로 공유할
수 없는 방식으로 발표되어 있고, 이런 경우 수용가의 개별접지로 인한 전위 간섭 문제와 누전차단기의 오부동작 및 보호기기 선정 등의 문제가 발생할
수 있다(2). 이를 개선하기 위해서는 공급 측과 수용가 측의 접지방식을 일치시켜야 하며, 현재 대부분의 저압 수용가에 적용 중인 누전차단기의 안정적인 동작을
위해 영국의 사례를 모티브로 수용가 측의 접지방식을 TN-C-S로 구성하는 방법이 있으나 이를 강제 할 수 있는 규정은 없고, 기존 설비에 적용하기
위한 방법에도 한계가 있다. 또한 TT 계통의 경우 감전 보호를 위해 대부분 누전차단기를 사용하지만, 누전차단기로 보호하지 못하는 회로(주 차단기가
배선용차단기인 경우 등)가 존재할 수 있으며, 이때 전원의 자동 차단 조건을 만족하기 위해서는 접지저항값이 매우 낮아야 한다. 따라서 이런 경우에는
보조 보호 등전위 본딩을 시설해야 하지만 국내 일반용 저압 전기설비에서 등전위 본딩 시설 규정의 적용과 이를 점검하는 방법에 한계가 있다. 등전위
본딩은 건물 공간에 있어 금속 도체의 접속이며 이로써 전위를 같게 만드는 등전위화를 도모할 목적으로 시공되는 것이고, 보조 보호 등전위 본딩은 전기기기의
외함, 금속관, 철근 등의 상호 간에서 인간이 동시에 접근 가능한 노출된 도전성 부분에 추가로 실시하는 본딩이다(3). IEC 60364-4-41 및 KEC 기준에 따라 접지 방식 별로 전원의 자동 차단에 의한 고장 보호를 위한 보호장치의 최대차단시간은 표 1과 같다(1,4). 국내 대부분의 교류 저압 전기설비의 공칭 대지 전압은 220V 이므로 정격 전류 32A 이하 회로에서 요구되는 차단시간은 TN 계통에서 0.4초,
TT 계통에서 0.2초이다. 일반적으로 TN 계통은 루프임피던스가 작아 과전류보호장치를 이용하여 고장 시 전원의 자동 차단이 가능하나, TT 계통은
수용가 접지저항의 영향으로 루프임피던스가 커서 주로 누전차단기를 사용한다.
표 1 보호장치의 최대차단시간(1,4)
Table 1 Maximum blocking time of the protective device
|
공칭대지전압
(U0)
|
고장 시 최대차단시간(s)
|
|
32A 이하 분기회로
|
32A 초과 회로
|
|
교류
|
직류
|
|
TN
|
TT
|
TN
|
TT
|
TN
|
TT
|
|
50V<U0≤120V
|
0.8
|
0.3
|
*
|
*
|
5
|
1
|
|
120V<U0≤230V
|
0.4
|
0.2
|
1.0
|
0.4
|
|
230V<U0≤400V
|
0.2
|
0.07
|
0.4
|
0.2
|
|
U0>400V
|
0.1
|
0.04
|
0.1
|
0.1
|
|
*비고 : 차단은 감전에 대한 보호 외에 다른 원인에 의해 요구될 수도 있다.
|
*비고 : 차단은 감전에 대한 보호 외에 다른 원인에 의해 요구될 수도 있다.
KEC의 적용에 따라 기기와 인체 보호를 위한 접지시스템의 안전성 확보를 위해서는 수용가의 접지저항값 보다 위험전압(접촉전압, 스트레스전압 등)의
허용 기준이 중요해졌으며, 접지저항의 기준값은 접지계산서 등의 설계값을 통해 산출된 값을 적용하도록 되어 있다. 그런데 국내 거의 모든 일반용 저압
전기설비의 접지공사는 TT 계통으로 손쉽게 구성이 가능한 접지봉 시공 방법을 채택하고 있으며, 접지 관련 설계를 하지 않아 접촉전압, 스트레스전압
등을 산출하기 어려운 실정이다.
기존 논문 ‘IEC 60364의 접지방식에 기반한 안전성 평가 시험장치의 모델링 및 구현에 관한 연구’에서는 PSCAD/EMTDC 시뮬레이터를 이용하여
TN, TT 접지 계통을 모델링하고 기기의 직접접촉 및 간접접촉에 의한 사고를 고려하여 고장점 임피던스를 변화시킴에 따른 인체 통과전류와 접촉전압을
비교 분석하여, TT 계통보다 TN 계통이 감전 보호 측면에서 안전함을 증명하였다(5). 그런데 기존 논문에서는 수용가의 접지저항값, 건습 조건에 따른 인체 및 대지저항, 등전위 구성 등에 따라 변화되는 결과값을 반영하지는 못하였다.
따라서 본 논문에서는 저압 전기설비의 접지시스템을 국내에서 적용이 가능한 TN-C-S와 TT 계통으로 구성하여 모델링하고, 시뮬레이션을 통해 각 접지계통
별로 수용가의 접지저항값, 인체 및 대지저항, 등전위 구성 여부에 따른 인체 감전 사례를 모의하고 다음에서 제시하는 인체 감전 보호의 안전성 측면에서
허용 접촉전압과 인체 통전전류 한계를 기준으로 접지저항값에 따른 접지시스템의 안전성을 검토한다. 인체 감전 보호의 안전성을 검토하기 위해 IEC 61200-413
및 KEC에서 제시하는 인체의 전기적 임피던스와 인체 통과전류를 고려하여 표 2와 같이 차단시간의 제약이 없을 때 허용접촉전압의 기준을 50V 이하로 적용한다(1,6).
표 2 추정접촉전압과 최대 차단시간과의 관계(1,5)
Table 2 Relation between estimated touch voltage and maximum blocking time
|
추정 접촉
전압(V)
|
임피던스
(Ω)
|
인체통과
전류(mA)
|
차단시간
(s)
|
|
≤ 50
|
1,725
|
29
|
∞
|
|
75
|
1,625
|
46
|
0.60
|
|
100
|
1,600
|
62
|
0.40
|
|
125
|
1,562
|
80
|
0.33
|
|
220
|
1,500
|
147
|
0.18
|
|
300
|
1,460
|
205
|
0.12
|
|
400
|
1,425
|
280
|
0.07
|
또한, 인체 통과전류의 위험성을 판정하는데 있어 Kӧeppen은 감전전류의 안전한계로서 전류와 시간의 관계가 50[mA·s]로 식 (1) 및 그림 1의 ‘A’ 선과 같이 정의 하였다. 그림 1의 ‘B’ 선은 식 (1)에 안전율 1.67을 감안한 형태로 유럽의 여러 나라에서 ‘B’선을 기준으로 안전한계를 적용해왔다(3).
그림 1 감전전류와 통전 작용시간의 관계(3)
Fig. 1 Relation between electric shock current and energization time
3. 접지계통 안전성 분석을 위한 시뮬레이션
3.1 모델 계통
국내 저압 수전 방식 전기설비를 모델링 하기 위해 MATLAB/ Simulink를 이용하여 그림 2∼3과 같이 접지시스템을 TN-C-S와 TT 계통으로 구성하여 모델링 하였다. 저압 계통에서 지락 사고 발생 시, 사고 전류의 크기는 특고압 측 전원임피던스
보다 변압기의 임피던스가 매우 크게 영향을 미치기 때문에 전원은 22.9kV, 60Hz의 이상전원을 적용하고, 변압기는 300kVA 용량의 삼상 변압기를
IEEE 기준 임피던스를 참고하여 %R은 1.7, %X는 4.7로 적용하였다. 인체 감전 사고 모의는 1선 지락 사고 발생 시 전기설비의 외함에 인체
저항의 간접접촉을 통해 접촉전압이 인가되고 감전전류가 도통 되도록 모델링 하여 감전 사고 발생 시 접지저항값에 따른 접지시스템의 안전성을 검토한다.
본 논문의 시뮬레이션은 감전 사고 발생 시 접지저항값에 따른 인체 접촉전압과 통전전류의 전반적인 추이를 검토하는 것이 목적이기 때문에, 인체 저항은
미국의 Dalzeil 또는 독일의 Freiberger가 제안한 인체 상세 임피던스 모델이 아닌 일본전기협회에서 접촉상태에 의한 접촉전압의 기준 제시에서
적용하고 있는 제1종 접촉상태(인체의 대부분이 수중에 있는 상태)에서 인체저항 500Ω과 제3종 접촉상태(보통의 인체상태)에서 인체저항 1,700Ω을
적용하여(7) 사례를 다양하게 구성한다. 또한, 일반적으로 접촉전압을 산정할 때 접촉 저항을 고려하면 고장 시 도전부에 접촉한 인체의 총 저항을 더 높게 적용해야
하지만 본 시뮬레이션에서는 악조건을 고려하기 위하여 접촉 저항을 적용하지 않는다.
3.1.1 TN-C-S 접지계통 및 인체 감전사고 모델링
그림 2는 MATLAB/Simulink를 이용하여 접지방식을 TN-C-S 계통으로 구성한 전기설비 모델링의 구성도이다. TN-C-S 접지방식에서 전원 측은
변압기 중성점 접지와 N상을 연결하여 PEN 도체로 구성하고, 일부 전기설비의 외함은 PEN 도체에 연결하여 TN-C 방식으로 구성하였다. 또한 N상으로부터
PE 도체를 분기 후 일부 전기설비의 외함은 PE 도체에 연결하여 TN-S 방식으로 구성하였다. 감전 사고는 TN-S 방식의 전기설비에서 1선 지락
사고가 발생했을 때 전기설비의 외함에 인체 접촉 시, 인체에 걸리는 접촉전압과 통전 전류를 모의하였다. TN-C-S 방식의 정상적인 회로 조건에서
모의한 지락 사고의 사고 전류는 그림 2의 경로 ①과 같이 PE 도체와 PEN 도체를 거쳐 전원 측으로 귀로 하며, 중성선 또는 PEN 도체가 단선된 경우를 고려한 조건에서 사고 전류는
경로 ②와 같이 수용가 추가 접지와 전력 공급자 측 접지를 거쳐 전원 측으로 귀로 한다. 여기서 전력 공급자 측 접지는 다중접지로 구성된 국내 특성을
반영하여 5Ω으로 한다. 등전위 구성은 그림 2의 Metal Frame 등전위 본딩과 같이 인체가 전기설비의 외함에 접촉하는 표면 및 대지 사이에서 10Ω의 저항을 PE 도체로 본딩 하여 구성하였다.
그림 2 TN-C-S 접지계통 모델링의 구성도
Fig. 2 Configuration diagram of TN-C-S grounding system modeling
3.1.2 TT 접지계통 및 인체 감전사고 모델링
그림 3은 국내 대부분 저압 수전 방식의 일반용전기설비가 사용하고 있는 접지 방식인 TT 계통으로 구성된 모델링의 단선도 이다. 국내 전력 계통의 특성상
책임분계점을 기준으로 전원 측은 중성선과 접지가 연결된 TN-C 계통이고, 수용가 측은 접지와 중성선이 분리된 TT 계통으로 모델링 하였다. 감전
사고는 누전차단기로 감전 보호를 할 수 없는 위치의 전기설비 외함에 1선 지락 사고가 발생했을 때 인체 접촉 시, 인체에 걸리는 접촉전압과 통전 전류를
모의하였다. 이 경우 사고 전류는 그림 3과 같이 PE 도체를 따라 수용가 접지와 전력 공급자 측 접지를 거쳐 전원 측으로 귀로 하며, 등전위 구성은 TN-C-S 계통과 동일하게 구성한다.
그림 3 TT 접지계통 모델링의 구성도
Fig. 3 Configuration diagram of TT grounding system modeling
3.2 사례모의 결과
3.1의 모델링을 이용하여 다음과 같은 4가지 사례에 대하여 인체 감전 사례를 모의하고 접지시스템의 안전성을 검토하였다. 일반적으로 허용접촉전압의
경우 IEC 61936-1 또는 IEEE std. 80의 기준으로 계산할 수 있으나 본 논문의 사례와 같이 저압 계통에서 발생한 지락 사고의 경우
고장 전류가 작아 과전류 보호를 통한 전원의 자동 차단 조건이 만족 되지 않으면 고장 지속시간을 산정할 수 없고, 일반용 저압 전기설비에서 대지저항률
등의 접지 설계값을 얻을 수 없기때문에 적용에 어려움이 있다. 따라서 앞서 인체 감전 보호의 안전성을 고려하여 제시하였듯이 허용 접촉전압은 IEC
61200-413에 따라 50V 이하, 인체 통전 허용 전류는 Kӧeppen의 안전한계 기준에 따라 30mA 이내와 최대 50mA 이내로 적용한다.
또한, 본 논문에서는 KEC 기준에서 감전 보호를 위해 전원의 자동 차단 조건을 만족하지 못할 경우, 보조 보호 등전위 본딩을 실시해야 하는 기준을
참고하여 등전위 본딩 구성의 여부에 따라 사례를 구성하였다.
3.2.1 사례 ① TN-C-S, 정상회로 조건에서 감전사고
표 3은 TN-C-S 접지계통에서 그림 2의 ‘①정상조건’과 같은 조건에서 1선 지락 사고에 대해 인체가 전기설비의 외함에 접촉한 경우, 인체 통전전류와 접촉전압의 시뮬레이션 결과이다. 인체
저항은 앞서 기술한 근거를 토대로 건조 조건에서 1,700Ω, 젖은 조건에서 500Ω으로 적용하고, 대지저항률은 계절별로 온도와 건습조건에 따라 크게
다르며, 표면저항률 또한 표면층의 종류와 건습조건에 따라 다양 하기 때문에, 본 사례 모의에서는 표면층의 종류를 특정하지 않고 표면 및 대저저항률을
통상적인 값인 건조 조건에서 1,000Ω, 젖은 조건에서 100Ω으로 적용하여 시뮬레이션하였다. 표 3에서 녹색 음영은 앞서 제시한 차단시간 제약이 없을 때 허용 접촉전압 한계(50V) 이내의 결과를 나타내고, 주황색과 파란색 음영은 각각 차단시간의
제약이 없을 때 감전전류의 안전한계(50mA)와 안전율을 고려한 감전전류의 안전한계(30mA) 이내의 결과를 나타낸다. 사례 ①의 경우 차단시간의
제약이 없을 때 등전위 구성의 건조 조건을 제외하고는 감전 보호 측면에서 안전을 만족하는 경우가 없으나 고장 전류의 크기가 2kA 이상(32A 정격
기준 약 65배)으로 커서 표 1에서 규정하는 전원의 자동 차단 조건에 부합함에 따라 수용가의 추가 접지저항값의 영향 없이 모든 조건에서 인체 감전 보호가 가능하다.
표 3 사례 ① TN-C-S, 정상회로 조건에서 감전 사고의 시뮬레이션 결과
Table 3 Simulation results of the case ① TN-C-S, electric shock when normal circuit
|
등전위
구성
|
건습
조건
|
수용가
접지
저항(Ω)
|
결과 값(RMS)
|
|
인체 통전 전류(mA)
|
인체 접촉 전압(V)
|
고장전류
(A)
|
|
×
|
Dry
|
10
|
30.30
|
51.39
|
2,184
|
|
100
|
39.90
|
67.78
|
2,194
|
|
없음
|
41.46
|
70.77
|
2,180
|
|
Wet
|
10
|
135.8
|
67.98
|
2,187
|
|
100
|
178.5
|
89.47
|
2,185
|
|
없음
|
185.2
|
92.69
|
2,186
|
|
○
|
Dry
|
10
|
10.40
|
17.64
|
2,189
|
|
100
|
10.61
|
18.08
|
2,188
|
|
없음
|
10.64
|
18.07
|
2,179
|
|
Wet
|
10
|
53.48
|
26.77
|
2,186
|
|
100
|
59.31
|
29.65
|
2,180
|
|
없음
|
60.24
|
30.07
|
2,186
|
3.2.2 사례 ② TN-C-S, PEN도체 단선 시 감전사고
표 4는 TN-C-S 접지계통에서 그림 2의 ‘② PEN 도체 단선 시’와 같은 조건에서 1선 지락 사고에 대해 인체가 전기설비의 외함에 접촉한 경우, 인체 통전전류와 접촉전압의 시뮬레이션
결과이다. 인체 저항과 표면 및 대지저항은 사례 ①과 동일하게 적용하고 음영 표시 기준 또한 같다. 사례 ②의 경우 표 4와 같이 PEN 도체 단선으로 인해 고장 전류 루프임피던스가 커짐에 따라 고장 전류가 크게 감소하여, 표 1의 전원의 자동 차단에 의한 감전 보호 기준을 만족할 수 없다. 예를 들어 32A 이하 정격의 차단기를 사용하는 분기 회로에서 표 4와 같은 크기의 지락 고장 발생 시 가장 빠른 동작 특성을 갖는 B타입의 과전류차단기로도 정격의 3배 이상 전류가 흘러야하기 때문에 0.4초 이내의
동작이 불가능하다. 따라서 이 경우 앞서 제시한 접촉전압 50V 이내와 인체 통전전류 50mA 이내의 감전 보호 조건을 만족하기 위해서는 등전위 구성과
더불어 수용가 접지저항값을 100Ω 이하로 시설해야 한다. 즉, 접지시스템을 TN-C-S 방식으로 구성하는 경우 PEN 도체 단선 시 안전성 확보를
위해 수용가 추가 접지를 고려해야 하며 PEN 도체가 단선된 경우, 고장 전류가 작아져 과전류 보호를 통한 전원의 자동 차단 조건을 만족할 수 없기
때문에 누전차단기를 적용하거나 등전위구성과 더불어 수용가 접지저항을 100Ω 이하로 시설하면 안전하게 감전 보호가 가능하다.
표 4 사례 ② TN-C-S, PEN 도체 단선 시 감전 사고의 시뮬레이션 결과
Table 4 Simulation results of the case ② TN-C-S, electric shock when PEN conductor
is cut
|
등전위
구성
|
건습
조건
|
수용가
접지
저항(Ω)
|
결과 값(RMS)
|
|
인체 통전 전류(mA)
|
인체 접촉 전압(V)
|
고장전류
(A)
|
|
×
|
Dry
|
1
|
13.59
|
23.08
|
82.79
|
|
5
|
40.34
|
68.47
|
68.76
|
|
10
|
53.54
|
91.65
|
61.67
|
|
50
|
73.13
|
124.5
|
51.37
|
|
100
|
76.91
|
130.8
|
49.48
|
|
500
|
79.61
|
135.6
|
47.84
|
|
1,000
|
80.01
|
136.2
|
47.57
|
|
Wet
|
1
|
61.15
|
30.54
|
82.81
|
|
5
|
181.1
|
90.49
|
68.79
|
|
10
|
240.6
|
120.1
|
61.72
|
|
50
|
327.1
|
163.7
|
51.58
|
|
100
|
342.6
|
171.5
|
49.72
|
|
500
|
356.2
|
177.9
|
48.23
|
|
1,000
|
357.7
|
179.4
|
47.89
|
|
○
|
Dry
|
1
|
0.69
|
1.18
|
83.18
|
|
5
|
1.26
|
2.15
|
69.00
|
|
10
|
1.55
|
2.64
|
61.91
|
|
50
|
1.97
|
3.36
|
51.62
|
|
100
|
2.04
|
3.48
|
49.75
|
|
500
|
2.10
|
3.57
|
48.28
|
|
1,000
|
2.12
|
3.59
|
47.95
|
|
Wet
|
1
|
10.55
|
5.27
|
83.27
|
|
5
|
27.79
|
13.91
|
69.53
|
|
10
|
36.00
|
17.98
|
63.15
|
|
50
|
47.68
|
23.89
|
53.94
|
|
100
|
49.77
|
24.91
|
52.39
|
|
500
|
51.45
|
25.75
|
51.13
|
|
1,000
|
51.72
|
25.86
|
50.91
|
3.2.3 사례 ③ TT, 누전차단기 보호 범위 밖의 감전사고
표 5는 TT 접지계통에서 그림 3과 같이 누전차단기로 보호할 수 없는 범위에서 발생한 1선 지락 사고에 대해 인체가 전기설비의 외함에 접촉한 경우, 인체 통전전류와 접촉전압의 시뮬레이션
결과이다. IEC 및 KEC 규격에서는 TT 계통의 고장 보호장치로 과전류차단기와 누전차단기의 사용을 인정하고 있다. 그에 따라 수용가의 접지저항값이
매우 작은 경우에는 과전류차단기를 이용할 수 있으나 일반적으로는 누전차단기의 사용이 권장된다. 하지만 인입구 보호와 전기설비 회로의 주 차단기는 과전류차단기를
이용하는 사례가 많아 이런 경우 감전 보호를 위한 기준이 필요하다. 인체 저항과 표면 및 대지저항, 음영 표시 기준은 사례 ①과 동일하다. 사례 ③의
경우 표 5와 같이 TT 계통의 특성상 고장전류의 크기가 작아 사례 ②와 마찬가지로 표 1의 전원의 자동 차단에 의한 감전 보호 기준을 만족할 수 없다. 따라서 이 경우도 앞서 제시한 감전 보호 조건을 만족하기 위해서는 등전위 구성과 더불어
수용가 접지저항값을 100Ω 이하로 시설해야 한다. 또한 인입구 보호와 회로의 주차단기를 누전차단기로 사용할 경우, 안전하게 감전 보호가 가능하나
이 경우 분기 회로 누전차단기와 보호협조를 위한 주 차단기의 동작 시간을 고려하여 적용해야 한다.
3.2.4 사례 ④ TT, 표면 및 대지저항의 영향
표 6은 3.2.3의 사례 ③과 동일한 모델 계통과 사고 조건에서 수용가의 접지저항값과 표면 및 대지 저항률에 따른 인체 감전의 영향을 검토하기 위해 실시한
사례의 시뮬레이션 결과이다. 본 사례에서 인체 저항은 변수가 아니기 때문에 IEEE 기준에서 인체의 손-발 사이에서 적용하는 일반적인 인체 저항 1,000Ω으로
고정하고, 수용가의 접지저항값과 표면 및 대지 저항값에 따른 영향을 검토하기 위해 등전위 구성은 적용하지 않는다.
표 5 사례 ③ TT, 누전차단기 보호 범위 밖 감전 사고의 시뮬레이션 결과
Table 5 Simulation results of the case ③ electric shock outside the protection range
of residual current circuit breaker
|
등전위
구성
|
건습
조건
|
수용가
접지
저항
(Ω)
|
결과 값(RMS)
|
|
인체 통전 전류(mA)
|
인체 접촉 전압(V)
|
고장 전류
(A)
|
|
×
|
Dry
|
1
|
13.59
|
23.08
|
58.84
|
|
5
|
40.48
|
68.63
|
44.53
|
|
10
|
54.02
|
91.74
|
37.04
|
|
50
|
73.72
|
125.5
|
26.68
|
|
100
|
76.90
|
131.3
|
24.77
|
|
500
|
79.99
|
136.5
|
23.07
|
|
1,000
|
80.39
|
137.2
|
22.89
|
|
Wet
|
1
|
60.76
|
30.46
|
58.81
|
|
5
|
181.6
|
90.79
|
44.45
|
|
10
|
242.1
|
120.9
|
37.39
|
|
50
|
328.9
|
164.4
|
26.86
|
|
100
|
344.9
|
172.5
|
25.02
|
|
500
|
358.2
|
179.5
|
23.43
|
|
1,000
|
360.1
|
180.4
|
23.14
|
|
○
|
Dry
|
1
|
0.48
|
0.82
|
58.82
|
|
5
|
1.06
|
1.81
|
44.47
|
|
10
|
1.35
|
2.29
|
37.31
|
|
50
|
1.77
|
3.01
|
26.98
|
|
100
|
1.84
|
3.13
|
25.10
|
|
500
|
1.91
|
3.25
|
23.53
|
|
1,000
|
1.91
|
3.27
|
23.26
|
|
Wet
|
1
|
9.89
|
4.93
|
58.76
|
|
5
|
27.45
|
13.70
|
45.24
|
|
10
|
35.74
|
17.90
|
38.73
|
|
50
|
47.75
|
23.86
|
29.47
|
|
100
|
49.84
|
24.93
|
27.80
|
|
500
|
51.69
|
25.82
|
26.45
|
|
1,000
|
51.89
|
26.02
|
26.25
|
사례 ④의 시뮬레이션 결과 고장전류의 크기가 작아 사례 ③과 마찬가지로 표 1의 전원의 자동 차단에 의한 감전 보호 기준을 만족할 수 없으며, 수용가의 접지저항과 더불어 전기설비의 외함에 접촉한 인체가 딛고 있는 표면 및 대지저항이
커짐에 따라 인체 접촉전압과 통전 전류가 낮아짐을 확인할 수 있다. 이에 따라 본 사례에서 제시한 모델 계통에서는 과거 전기설비기술기준 및 판단기준의
제3종 접지저항값 기준인 100Ω에서 표면 및 대지저항이 약 3,200Ω 이상일 경우 앞서 제시한 감전 보호 조건을 만족할 수 있다. 또한, 전원의
자동 차단에 의한 감전 보호가 불가능한 노출된 도전성 부분이나 전기설비 등의 외함에서는 표면의 종류를 고려하여 절연판 등과 같이 추가적인 절연 보호를
적용함에 따라 접지계통의 안전성을 높일 수 있다.
표 6 사례 ④ 표면 및 대지저항의 영향 시뮬레이션 결과
Table 6 Simulation results of the case ④ effect of surface and earth resistance
|
수용가
접지
저항
(Ω)
|
표면 및 대지저항
(Ω)
|
결과 값(RMS)
|
|
인체 통전 전류(mA)
|
인체 접촉 전압(V)
|
고장 전류
(A)
|
|
10
|
1,000
|
72.80
|
72.91
|
37.19
|
|
2,000
|
48.41
|
48.57
|
37.19
|
|
3,000
|
36.52
|
36.44
|
37.06
|
|
4,000
|
29.25
|
29.13
|
37.02
|
|
5,000
|
24.36
|
24.28
|
37.18
|
|
50
|
1,000
|
99.05
|
99.66
|
26.68
|
|
2,000
|
66.24
|
66.32
|
26.57
|
|
3,000
|
49.76
|
49.86
|
26.61
|
|
4,000
|
39.77
|
39.77
|
26.66
|
|
5,000
|
33.13
|
33.19
|
26.57
|
|
100
|
1,000
|
104.1
|
104.1
|
24.86
|
|
2,000
|
69.29
|
69.49
|
24.79
|
|
3,000
|
52.16
|
52.08
|
24.72
|
|
4,000
|
41.76
|
41.77
|
24.69
|
|
5,000
|
34.77
|
34.89
|
24.76
|
|
200
|
1,000
|
106.3
|
106.9
|
23.77
|
|
2,000
|
71.00
|
71.29
|
23.68
|
|
3,000
|
53.41
|
53.31
|
23.81
|
|
4,000
|
42.79
|
42.73
|
23.62
|
|
5,000
|
35.63
|
35.55
|
23.72
|
|
500
|
1,000
|
108.4
|
108.5
|
23.06
|
|
2,000
|
72.31
|
72.34
|
23.05
|
|
3,000
|
54.02
|
54.36
|
23.13
|
|
4,000
|
43.34
|
43.26
|
23.09
|
|
5,000
|
36.25
|
36.15
|
23.13
|
4. 결 론
본 논문에서는 저압 전기설비의 접지시스템에서 국내에 적용이 가능한 TN-C-S와 TT 접지계통의 전기설비를 MATLAB/ Simulink로 모델링하고,
각 접지방식에 대해 인체 감전 사례를 모의하여 인체 감전 보호의 안전성 측면에서 허용 접촉전압과 인체 통전전류 한계를 기준으로 접지저항값에 따른 접지시스템의
안전성을 검토하였다.
TN-C-S 접지계통의 정상 회로 조건에서는 고장전류가 커서 모든 조건에서 전원의 자동 차단에 의한 감전 보호를 통해 안전성을 확보할 수 있으나,
PEN 도체가 단선된 경우를 고려한 사례에서는 본 논문에서 제시한 저압 전기설비의 인체 감전 보호 기준인 접촉전압 50V 이내와 인체 통전전류 50mA
이내의 조건을 만족하기 위해서 등전위 구성과 더불어 수용가의 추가 접지저항을 100Ω 이하로 구성해야 함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.
또한 현재 국내 일반용 저압 전기설비에서 대부분 적용되고 있는 TT 접지계통에서는 감전 보호를 위해 누전차단기의 적용을 필수로 규정하고 있으나 인입구
설비와 같이 누전차단기 보호 범위 밖에서 발생한 1선 지락 사고 시 감전 보호 안전성을 확보하기 위해서는 마찬가지로 등전위 구성과 더불어 수용가의
접지저항을 100Ω 이하로 구성해야 함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.
따라서 KEC 기준 적용에 따라 일반용 저압 전기설비의 접지계통에 대한 검사·점검 기준의 실효성과 안전성 확보를 위해 과거 전기설비기술기준 및 판단기준의
제3종 접지저항값으로 적용되었던 접지저항값 100Ω 이하의 기준을 재반영하고 일반용 저압 전기설비에서 등전위 구성을 검사하기 위한 기술적·제도적 개선도
필요하다. 또한 표면 및 대지저항이 커짐에 따라 인체 접촉전압과 통전 전류가 낮아지는 사례 연구 결과를 바탕으로 노출된 도전성 부분이나 전기설비 등의
외함 위치, 접촉 표면의 종류에 따라 바닥면의 추가적인 절연 보호 대책을 제시함으로써 접지계통의 안전성을 높이는 방법을 고려할 수 있다.
References
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2020-738
Y. K. Chung, H. R. Kwak, H. S. Shin, C. B. Chung, T. J. Nam, August 2001, Problems
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measures of protection against indirect contact by automatic disconnection of supply,”
International Electrotechnical Commision
T. Takahashi, May 2007, Electric shock protection phenomenon in Japan, Journal of
Electrical World, No. 365, pp. 1-19
저자소개
He received the M. S. degree in electrical engineering from Chonbuk National University,
Korea, in 2010.
He is currently a researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea
Electrical Safety Corporation(KESCO) since 2017.
E-mail : khg17@kesco.or.kr
He received the M.Eng. degree in Electrical Engineering from Seoul National University
of Science and Technology, Korea, in 2011.
He is currently pursuing Doctor of Electrical Engineering at Jeonbuk National University,
Jeonju, Korea.
He is currently a researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea
Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2012.
E-mail : garam@kesco.or.kr
He received the B.S. degree in electrical engineering from Won-Kwang University,
IkSan, South Korea, in 1994.
He received the M.S. degree in IT applied system engineering from Jeonbuk National
University, Jeonju, South Korea. in 2020.
He is currently pursuing P.S. degree at Jeonbuk National University, Jeonju, South
Korea.
He is currently Cheif in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical
Safety Corporation (KESCO).
E-mail : choidh@kesco.or.kr
He received the B.S. and M.S. degree in electrical engineering from Won-Kwang University,
Iksan South Korea, in 2010 and 2001 respectively.
He is currently pursuing P.S. degree at Jeonbuk National University, Jeonju, South
Korea.
He is the head of the inspection department of Korea Electrical Safety Corporation
(KESCO).
E-mail : glory@kesco.or.kr
He received the B.S. degree in electrical engineering from Won-Kwang University,
IkSan, Korea, in 1984.
He received the M.S. degree in electrical engineering from Konkuk University, Seoul
Korea, in 1986.
He received the Ph.D. in electrical engineering from Won-Kwang University, IkSan,
Korea, in 1999.
Dr. Ryu is a professor of IT Applied System Engineering of Convergence Technology
Engineering Division, Jeonbuk National University.
His research interest include circuit & control system and IT convergence system
E-mail : toto00@jbnu.ac.kr