2.2.1 교류 감전에 의한 인체 영향

그림 1은 IEC 60479에서 제시하고 있는 교류 인체 통전전류 크기와 시간에 대한 인체 영향 곡선으로 손에서 양발 경로에 대한 그래프이며, 감전 전류에 대한 시간에 따라 4개의 영역으로 구분되어 있다^[8].

AC-1의 경우 감지가 가능한 영역, AC-2는 비자의적 근육 수축이 발생하는 영역, AC-3은 강한 근육 수축 발생이 발생하는 영역, AC-4는 심실세동이 발생할 수 있는 영역으로 자세한 인체 영향은 표 4와 같다. AC-4의 경우 심실세동에 의한 심정지로 사망할 수 있는 영역으로 심실세동이 발생할 수 있는 최소 전류값은 약 40 mA인 것을 확인할 수 있다. AC-3의 경우 직접적인 사망 원인은 아니지만 감전으로 인한 추락과 같이 2차 사고로 인한 위험 요소가 존재한다.

그림 1. 15Hz~100Hz 교류 감전에 의한 인체 영향(손에서 양발 경로)

Fig. 1. Effects of AC currents (15 Hz to 100 Hz) for a current path corresponding to left hand to feet

2.2.2 인체 통전 경로에 따른 심실세동 발생 위험성

심실세동은 외부 충격으로 인하여 정상적인 심장 이완이 이뤄지지 못하는 현상으로 심장의 비가역적인 정지가 발생할 수 있다. 심실세동의 발생은 심장을 통과하는 전류와 관련이 있기 때문에 왼손에서 양발의 감전에 대해서 나타낸 그림 1의 심실세동 발생 영역은 인체 통전 경로에 따라 변화한다. 각 인체 통전 경로에 대한 심실세동 발생 위험성은 IEC 60479에 따라 심장전류계수($F$)를 통하여 아래 식과 같이 환산할 수 있다. 인체 통전 경로별 심장전류계수는 표 5에 나타나 있다.

여기서, $I_{h}$는 각 인체 통전 경로에 흐르는 전류, $I_{ref}$는 왼손에서 양발 경로로 흐르는 전류로 환산한 값, $F$는 심장전류계수를 의미한다.

예를 들어, 손에서 손 경로로 225mA의 전류가 흐를 때의 심실세동 발생 위험은 90mA의 왼손에서 양발 경로로 통전 시 심실세동 발생 위험성과 유사함을 의미한다.

가슴에서 왼손으로 감전이 발생할 경우 심장전류계수는 1.5로 심실세동 발생 위험성이 가장 높은 것으로 나타나 있으며, 왼발에서 오른발 경로의 경우 심장전류계수는 0.04로 심실세동 발생 위험성이 가장 낮은 것으로 나타나 있다.

2.3.1 물에 젖은 환경에서의 교류 누전차단기 성능

우리나라는 KEC에 따라 욕조나 샤워 시설이 있는 욕실 또는 화장실, 분수 시설 등 인체가 물에 젖어있는 상태에서 전기를 사용하는 장소에 콘센트를 시설하는 경우, 정격감도전류 15 mA 이하, 동작시간 0.03초 이하의 누전차단기를 시설하도록 규정하고 있다. 이는 Dalziel의 인체 실험으로 도출된 남성 평균 이탈한계전류인 약 16 mA를 기반으로, 이탈한계전류 값 이하인 15 mA를 물에 젖은 환경에서의 누전차단기 정격감도전류로 선정한 것으로 나타나있다^[14]. 우리나라 뿐만 아니라 일본과 유럽에서도 남성 평균 이탈한계전류인 16 mA를 기반으로 정격감도전류를 선정하여 사용하고 있다.

2.3.2 일반 건조한 환경에서의 교류 누전차단기 성능

우리나라는 일반 저압 수용가에서 건조한 상태로 전기를 사용하는 환경에 누전차단기를 시설하는 경우 정격감도전류 30 mA 이하, 동작시간 0.03 초 이하의 누전차단기를 시설하도록 규정하고 있다. 이 경우 정격감도전류의 선정 배경은 명확하지 않으며 다양한 의견이 존재한다. 그 의견으로는 IEC 60479의 심실세동이 발생하지 않는 전류값 적용, 안전율을 반영한 심실세동 발생 위험성 최소화, 차단기의 동작 성능 반영, Freiberger의 인체 저항 곡선 반영, 퀘펜(Koeppen)의 인체 감전 위험성 반영 등의 이유를 언급하고 있다^[14]-[18]. 다양한 의견이 존재하지만 주요 요인으로 반영하고 있는 요소는 인체감전 영향과 적용가능한 차단기의 동작 성능이다. 따라서 이를 참고로 하여, 본 논문에서는 직류 누전차단기의 성능을 제안하고자 한다.

3.2.1 물에 젖어있는 상태에서 전기를 사용하는 장소에서의 직류 누전차단기

앞서 언급한 것과 같이 물에 젖어있는 환경에서 전기를 사용하는 장소의 교류 누전차단기 사양은 남자 평균 이탈 한계전류를 기반으로 선정되었다. 표 7은 성별 및 전원 종류(교류, 직류)에 따른 평균 이탈한계전류를 나타낸다. 이탈한계전류는 남성보다 여성이 낮으며, 교류보다 직류가 더 높은 것을 알 수 있다. 직류 누전차단기의 정격감도전류로 교류와 마찬가지로 남성의 평균 이탈한계전류를 사용할 경우 여성 감전에 대한 위험성이 존재한다. 따라서 여성의 이탈한계전류를 기반으로 선정하여 안전성을 높일 필요가 있다. 이에 따라 보수적인 접근을 위하여 직류 전원을 사용하고 물에 젖어 있는 상태에서 전기를 사용하는 장소에서는 정격감도전류는 50 mA 이하를 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 이와 함께 IEC TS 63053에서 권장하는 값을 활용하여 물에 젖어있는 상태에서 전기를 사용하는 장소에서의 직류 누전차단기의 정격감도전류는 20 mA로 제안한다.

3.2.2 일반 건조한 주택 환경에서 전기를 사용하는 장소의 직류 누전차단기

교류시스템의 일반 건조한 환경에서 사용되는 누전차단기의 사양 선정 배경은 명확하지 않지만, 감전으로 인한 심실세동 발생 가능성을 낮추는 것을 목적으로 하고 있다.

표 8은 그림 2의 심실세동발생 가능 전류인 직류 140 mA(경로1)를 기준으로, 식(1)을 적용하여 인체 통전 경로별 심실세동 발생이 가능한 전류 크기를 나타낸다. 가슴에서 왼손 경로(경로8)로 감전 발생시 심실세동 발생 가능 전류는 93.33 mA로 가장 낮은 것으로 나타났다. 교류시스템과 같이 경로에 대한 반영 없이 직류 누전차단기의 정격감도전류를 140 mA로 선정할 경우, 일부 통전 경로에 대한 감전 보호가 불가능하다. 따라서 통전 경로를 반영하여 93.33 mA보다 작은 값으로 일반 건조한 환경에서의 직류 누전차단기 정격감도전류로 선정할 필요가 있다. 이와 함께 IEC TS 63053에서 권장하는 값을 활용하여 일반 건조한 환경에서 전기를 사용하는 장소에서의 누전차단기의 정격감도전류는 80 mA로 제안한다.

4.2.1 최소 요구 사양을 위한 특성 및 규정 검토

앞서 제시한 직류 누전차단기의 기본 사양은 정격감도전류 80 mA, 차단 시간 100 ms로 IEC 인체감전에 따른 인체영향 그래프의 DC-2 영역에 해당한다. 따라서 개발 기술을 고려한 직류 누설 보호장치의 최소 사양은 기존 제시한 기본 사양과 마찬가지로, 감전 발생시 자의적 접촉 제거를 통한 감전 피해의 최소화가 가능해야한다. 이를 위하여 인체 감전 영향 그래프 그림 2의 DC-1과 DC-2 영역에서 정격감도전류와 차단 시간을 변경할 수 있도록 하고자 한다.

IEC TS 63053에서는 직류 누설전류 보호장치는 정격감도전류에서 0.3초 이내의 차단 시간을 요구하고 있다. 따라서 조합형 직류 누설 보호장치 또한 고장 발생 후 0.3초 이내에 차단이 이루어져야 한다. 또한 IEC 60364-4-41에서는 400 V 이하의 직류 전원 시스템에 대하여 완전지락고장 발생시 최대 차단 시간을 계통의 접지에 따라 제시하고 있다. TN 접지계통의 경우 0.4초 이내, TT 접지계통의 경우 0.2초 이내의 차단 시간을 요구하고 있으며 직류 누설 보호장치 또한 이 차단 시간을 만족해야 한다.

4.2.2 최소 요구 사양 제안

직류 누설 보호장치의 기술 수준과 관련 규정의 검토 결과 직류 누설 보호장치의 정격감도전류 및 차단 시간의 선정에 필요한 최소 요구 조건은 아래와 같다.

1. 정격감도전류가 80 mA 이하일 것

2. 감전에 따른 인체 영향이 DC-2 영역 이내일 것

3. 최대 차단 시간은 TT 접지계통의 경우 0.2초 이내, 이외 접지계통의 경우 0.3초 이내일 것

따라서 위의 조건을 만족하는 영역은 그림 4의 푸른 영역과 같다. 직류시스템의 현장에 시설되는 조합형 직류 누설 보호장치의 사양에 따라 가변적으로 정격감도전류와 차단 시간을 선택할 수 있도록, 누설보호를 위한 최소 요구사항을 제안한다.

그림 4. 접지 구성에 따른 직류 누설 보호장치의 최소 요구 사양 제안

Fig. 4. Minimum requirements for DC leakage protective devices according to the grounding configuration