1. 서 론

최근 정부에서는 에너지의 효율적인 이용과 환경오염의 저감을 위하여 친환경 에너지의 개발과 보급에 주력하고 있다. 이에 기존의 광원을 대체하는 LED 조명에 대한 기술개발과 보급이 정부와 기업 등을 중심으로 활발히 진행되고 있다.

특히 LED 조명은 에너지 절약이 가능한 친환경 조명 이미지와 기존의 백열등, 할로겐, 형광등 등과 달리 색상, 색온도 밝기 등의 제어가 용이하여 다양한 색상연출에 따른 감성조명의 기능이 부각되어, 각 지자체들은 도시 환경개선이라는 패러다임으로 사람이 많이 다니는 거리나 공원, 해변가, 도로변, 본사, 사옥 등 도시의 경관 조성에 활발히 진행 중이고, 또한 기업들의 전시/홍보용 대형 LED 전광판도 성황 중이다.

그러나 이러한 LED 조명등의 화려함에도 불구하고 설치 후 유지와 관리에 대한 대책은 미미한 실정으로, 특히 안전사고에 대해서는 시공사나 관리 주체에서도 무관심한 상황이고 이용자나 관람자 또한 안전에 대한 문제는 전혀 생각지 않는 것이 사실이다.

더욱이 LED 조명기구가 고장이 나면 시설 관계자가 고장 난 LED 조명기구를 인식하기 전까지 교체가 지연되고 고장의 명확한 원인을 알 수 없어 사후 처리가 늦거나 그대로 방치해 두는 경우가 대부분이다. 단순한 LED 고장이면 LED가 꺼진 상황으로 판단되지만, LED 조명기구에 누전사고가 발생한 경우라면 이용자들의 안전에 위험을 야기할 수 있다.

이러한 LED 조명기구의 누전사고는 조명설비의 특성상 타 설비와 비교하여 전선로가 길고 조명 간에 접속된 선로가 많아 발생 빈도가 높은 것으로 분석된다. 이러한 LED 조명등의 누전사고는 인체 피해는 물론 전력손실, 정전사고 등으로 이어지는 문제점을 가진다^[1].

또한 LED 조명설비의 누전사고를 예방하기 위하여 사용되는 누전차단기는 옥내용으로 사용되는 기존의 AC 누전차단기가 사용되고 있다. 기존의 누전차단기는 영상변류기(ZCT)를 이용하여 누설전류를 검출하는 즉, 전류감지형으로 제작된다. 이는 옥외에서 선로가 복잡하고 긴 경우, 선로와 접지간의 부유 커패시터가 크게 되어 용량성 누설전류가 크게 나타나고 전자파나 공중파 노이즈 전류 등으로 인해 오동작의 원인으로 분석되고 있다^[2-4].

지금까지의 전기설비나 제품에 있어 전기화재나 누전 및 감전사고의 원인분석과 예방을 위한 연구와 기술개발은 주로 AC 전원을 기반으로 수행되고 있으며, DC 전원에서의 전기안전에 대한 연구는 미비한 실정이다. 그리고 LED 조명설비는 DC 전원을 사용하기 때문에 DC 전로에서의 전기안전에 대한 기술적 대책과 검증이 요구된다.

더욱이 LED 조명등의 AC-DC 전력변환장치로 사용되는 비절연형 SMPS는 소형, 경량 및 저가로 개발되는 장점으로 많이 사용되고 있지만, 누전사고에 대한 안전장치가 필수적으로 요구되는 상황이다. 그림 1은 비절연형 SMPS로 구동되는 LED 경관조명의 전기설비 계통도 일례를 나타낸다.

그림 1. 비절연형 SMPS로 구동되는 LED 경관조명의 전기설비 계통도

Fig. 1. Electrical system diagram of LED landscape lighting with non –isolated SMPS

본 논문에서는 비절연형 SMPS로 구동되는 LED 조명기구의 누전사고를 예방하기 위하여, 기존의 누설전류를 검출하는 전류검출 방식이 아닌, 대지(접지)저항과 누설점 접촉저항을 이용한 누설전압을 검출하는 방식으로 누전사고를 예방하는 새로운 회로 토폴로지를 제안한다.

특히, 제안한 누전감지 회로는 LED 경관조명 설비의 DC 전로의 접속/접촉불량, 절연불량, 압착손상 등으로 인한 누전이 발생한 초기 단계에서 누전을 감지하는 기술로서, 누전사고로 진행되기 이전에 관계자 또는 시공자에게 누전감지를 표출하여 LED 조명기구의 보수, 전로 교체 등을 통하여 누전사고, 정전사고, 전력손실 등을 미연에 예방하는 특징을 가진다.

2. LED 조명등 SMPS 재검토 및 누전 조기감지 필요성

LED 조명등에 사용되는 SMPS는 전력변환의 회로방식에 따라 절연형과 비절연형으로 구분된다. 절연형 SMPS는 고전압 또는 누설전류로 인한 사고 위험으로부터 사용자를 보호하기 위하여 입력과 출력 간에 절연이 요구되며, 절연에는 고주파 변압기가 이용된다. 고주파 변압기는 절연의 목적 외에 1, 2차 권선비에 의해 출력전압을 조절하는 역할도 한다. 절연형 SMPS는 회로방식에 따라 플라이백(Flyback) 컨버터, 포워드(Forward) 컨버터, 푸시-풀(Push-Pull) 컨버터 등이 있다.

이러한 절연형 SMPS는 1차측과 2차측의 절연으로 인해 부하측 LED 조명기구에서의 누전사고에 대한 문제점이 발생하지 않는 장점이 있지만, 변압기의 사용에 의해 부피가 크고 중량으로 설계되고 소음 발생과 전력효율이 낮은 문제점을 가진다. 이러한 문제점으로 인해 최근 고효율의 소형․경량 저가로 제작이 가능한 비절연형 SMPS가 주로 사용되는 추세이다. 비절연형 SMPS는 입력 교류전원을 브리지 정류하여 맥류상태의 600∼120 Hz 전원을 트랜스가 아닌 파워인덕터와 스위칭 초핑(chopping)을 통하여 전력을 변환하고 LED 부하에 전원을 공급하는 방식이 사용된다.

이러한 비절연형 SMPS로는 벅(Buck) 컨버터, 부스트(Boost) 컨버터, 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터 등이 있다.

비절연형 SMPS는 전력효율이 높고 무소음이라는 이점과 더불어 부피가 적고 경량으로 제작이 가능하여 설치의 용이한 장점 등으로 LED 경관조명에 많이 사용되고 있다.

그러나 비절연형 SMPS는 절연형 SMPS와 달리 누전사고에 대한 안전장치가 필수적으로 요구된다.

LED 경관조명등의 누전사고를 예방하기 위하여 누전차단기를 등기구에 단독으로 사용하여 보호하고 있지만, LED 경관조명등이 옥외에 설치되는 관계로 기존 누전차단기의 누수, 습기, 먼지, 풍화, 빛 등 환경적 영향으로 인해 잦은 오동작과 교체, 또는 이러한 번거러움 때문에 간혹 무설치하는 사례가 빈번히 발생하는 실정으로 항상 위험에 노출된 상태이다.

더욱이 LED 조명설비의 누전사고를 예방하기 위하여 사용되는 누전차단기는 기존의 AC 누전차단기가 사용되고 있다. 기존의 누전차단기는 영상변류기(ZCT)를 이용하여 누설전류를 검출하는 즉, 전류감지형으로 제작된다.

그리고 LED 조명등은 대부분 낮은 DC 전압과 낮은 공급전력으로 구동되므로, 기존 전류감지형 누전차단기의 트립코일을 동작시키기에 충분한 전력을 공급하기 어려운 문제로 누전차단기의 오동작을 빈번히 발생시킨다. 또한 LED 경관조명 설비와 같이 선로가 복잡하고 긴 경우, 선로와 접지간의 부유 커패시터가 크게 되어 용량성 누설전류가 크게 나타나고 전자파나 공중파 노이즈 전류 등으로 인해 기존 전류감지형 누전차단기의 오동작 원인으로 분석되고 있다.

그러므로 DC 전원으로 구동되는 LED 경관조명기구에 적합한 새로운 누전감지 장치의 필요성이 증대된다^[5,6].

특히 LED 조명기구의 누전사고는 등기구와 DC 전로의 절연불량, 접속/접촉불량, 압착손상, 선로 노후 등으로 발생하므로, 누전이 발생하고 바로 누전사고로 진행되기 보다는 대부분 어느 정도의 시간이 경과 후 누전사고로 진행하는 특징이 있다^[5]. 즉, LED 조명등을 포함한 옥외등의 누전사고는 한국전기설비규정에 의거하여 누설전류 30 mA 이상으로 산정되므로, LED 조명등에 누전 30 mA 이하에서 누전을 조기에 감지하여 누전사고를 미연에 예방하는 기술의 필요성이 요구되고, 이러한 누전의 조기감지를 통하여 전력손실 및 정전사고 등을 방지하는 효과를 가진다.

3. 제안한 누설전압 검출형 누전감지 회로토폴로지

그림 2는 비절연형 SMPS로 구동되는 LED 조명등의 전력회로 계통도를 나타낸다.

그림 2. LED 조명등의 전력회로 계통도

Fig. 2. Power system diagram of LED lighting

회로구성은 교류전원부(AC 220 V, 60 Hz)에서 SMPS를 통하여 직류전원으로 변환되어 LED 모듈부로 전원이 공급되는 과정을 가진다. 여기서 H는 교류전원부의 전압선이고 N은 중성선, G는 접지선, 그리고 H’는 직류 전압선로를 나타낸다.

LED 경관조명은 등기구들의 다중 접지로 한국전기설비규정에서 제시한 T-T 접지계통으로 볼 수 있으며, 접지저항을 포함한 대지저항 R_A는 규정에서 제시한 식 (1)에 준하여 산정될 수 있다^[7].

여기서 R_A는 노출도전부에 접속된 보호도체와 접지극 저항의 합(Ω)이고, $I_{\Delta n}$은 누전차단기의 정격동작 전류(A)이다.

옥외등의 경우 누전차단기의 정격동작 감도전류는 30 mA로 설정되어 있으므로, 대지저항 R_A은 약 1,666 Ω 이하로 주어진다. 그림 3은 LED 조명등의 등기구에서 누전사고가 발생하였을 경우에 대한 등가회로도를 나타내고 있으며, 여기서 저항 R_L은 SMPS의 직류 전압선과 LED 등기구 외함과의 접촉 및 접속불량에 대한 접촉저항을 의미하며, 접촉저항 R_L의 크기에 따라 누설전류 Ig의 크기가 결정된다. 누설전류 Ig의 크기는 한국전기설비규정에 의하여 30 mA 이하로 규정하고 있다^[8].

그리고 저항 R_g는 식 (1)의 R_A에 해당하는 값으로써, 교류전원부의 접지와 LED 조명등 등기구의 접지간의 대지저항을 나타낸다.

그림 3. LED 조명등 누전사고 발생에 대한 등가회로

Fig. 3. Equivalent circuit for earth leakage fault of LED lighting

그림 4. 제안한 LED 경관조명등 누설전압 검출형 누전감지 회로

Fig. 4. Proposed leakage detection circuit of LED landscape lighting by leakage voltage detection type

그림 4는 본 논문에서 제안한 대지저항(R_g)과 누설점 접촉저항(R_L)을 이용한 LED 경관조명등 누설전압 검출형 누전감지 회로도를 나타낸다.

회로구성은 SMPS의 출력 직류전압(Vdc)이 공급되고, LED 조명등에 누전이 발생하였을 경우 나타나는 접촉저항 R_L, 접지간 대지저항 R_g, 그리고 직류 전압선 단자 a와 등기구 외함 단자 b에 저항 R_a와 R_b가 접속되고, 직류 전압선 단자 a와 중성선 단자 c에 저항 R_c와 R_d가 접속된다. 그리고 저항 R_a와 R_b의 접속점 1과 저항 R_c와 R_d의 접속점 2 사이의 전압차를 이용하는 휘스톤 브릿지회로(Wheatstone bridge circuit)가 설계된다. 여기서 휘스톤 브릿지회로는 접촉저항 R_L의 전압 즉, 접촉전압의 크기에 따라 평형상태 또는 불평형상태로 동작된다.

또한 제안한 누전감지 회로의 정밀성을 높이기 위해 단자 1과 단자 2에 계측용 증폭기를 접속시켜 휘스톤 브릿지 양단의 미세 전압을 증폭하는 역할을 한다. 그리고 계측용 증폭기는 다수의 연산증폭기(Op_Amp)로 구성되어 있고, 공통모드제거비(CMRR : common mode rejection ratio)가 이론상 무한대(∞)이므로, 대지에서 발생하는 각종 노이즈 성분들이 유입될 경우 제거하는 역할도 수행한다.

본 논문에서 제안한 누전감지 회로토폴로지에 사용된 주요 소자들의 정수값의 범위는 다음과 같이 정리되고, 회로 정수값 선정 시에는 대기전력의 최소화와 실용성을 고려하여 감지회로 동작범위에서 적정히 선정한다.

R_a = R_c, ② R_a ≫ R_b, ③ R_d ≧ R_b+R_g (R_g 최대값 : 1,666 Ω), ④ R_a ≫ R_g, ⑤ {V_dc / (R_a+R_b)} ≪ 30 mA

제안한 LED 조명등 누전감지 회로의 동작원리를 살펴보면, 먼저 누전이 발생하지 않은 경우는 접촉저항 R_L이 없고 R_d ≧R_b + R_g이므로, 브릿지 평형상태이거나 또는 단자 2의 전압이 단자 1의 전압보다 높게 되어, 증폭기의 출력전압 Vout는 0 V이거나 부(-)의 값으로 되어 정상상태를 표시하게 설계된다.

그리고 누전이 발생하였을 경우는 접촉저항 R_L에 의해 브릿지 불평형상태로 되고, R_a ≫ R_b이므로 단자 1의 전압이 단자 2의 전압보다 높게 되어 증폭기의 출력전압 Vout는 정(+)의 값으로 되고 누전상태를 나타낸다.

이때 접촉저항 R_L에 의한 단자 1과 2 사이의 단자전압 V12는 상기의 정수값 범위를 고려하고 계산의 간략화를 위해 R_a≈ 100 × R_b 이상으로 간주하여 저항 R_b를 무시하면, 식 (2)와 같이 정리된다.

여기서, 단자전압 V12 ≤ 0 즉, $\left\{{R}_{{a}}{R}_{{g}}+({R}_{{g}}-{R}_{{d}}){R}_{{L}}\right\}\le 0$ 이면 누전이 발생하지 않은 정상상태이고, V12 > 0 이면 즉, $\left\{{R}_{{a}}{R}_{{g}}+({R}_{{g}}-{R}_{{d}}){R}_{{L}}\right\}> 0$ 이면 누전이 발생한 누전상태로써, 접촉저항 R_L은 식 (3)과 같은 경계조건을 가진다.

누전감지의 민감도는 현장의 LED 경관조명 설비의 전력조건이나 접지상태, 주변 환경 등을 고려하여, 저항 R_a 또는 R_d를 조정하여 적절히 설정할 수 있다.

또한 본 제안한 누전감지 회로의 특징으로 누전이 없는 정상상태에서 대지저항 R_g가 1,666 Ω 이상이라면 즉, 한국전기설비규정에서 기준한 대지저항 1,666 Ω 이하를 벗어난 경우는 누전상태와 마찬가지로 단자 1의 전압이 단자 2의 전압보다 높게 되어 증폭기 출력전압은 정(+)의 값으로 된다. 이는 제안한 누전감지 회로가 대지 접지설비의 불량 여부도 검출할 수 있는 효과도 주어진다.

4. 실험결과 및 검토

본 논문에서 제안한 접촉저항과 대지저항을 이용한 LED 경관조명등 누설전압 검출형 누전감지 회로의 동작특성을 분석하고 실용성을 검증하기 위하여 실험을 실행하였다.

제안한 누전감지 회로에 사용된 소자들의 정수값은 표 1과 같이 설계하였다.

그리고 계측용 증폭기(IN_Amp)의 입력단자에는 전원측 및 대지측에서 유입되는 고조파 성분(harmonics), 고주파 노이즈 및 서어지 등을 제거하기 위하여 그림 5와 같이 능동형 저역필터(LPF) 버퍼회로를 설계하였다. 그리고 그림 5에는 계측용 증폭기와 사용된 마이컴 회로의 결선도를 보인다.

그림 6은 제안한 누전감지 회로의 제작된 PCB 외형도를 나타낸다. 회로구조가 간단하여 소형, 경량으로 제작되는 이점이 주어졌고, DC 선로와 등기구를 이용한 전압검출 방식이므로 감지기 설치의 용이함이 주어졌다.

실험장치 구성은 LED 조명등(DC 12 V, 36 W) 9개를 직렬로 연결하고 비절연형 SMPS(DC 110 V, 4.0 A, 440 W)를 사용하였고, 누전 발생은 반고정 가변저항(0～200 kΩ)을 직류 전압

그림 5. 능동형 저역필터 버퍼회로 및 마이컴 회로 구성

Fig. 5. Configuration of active LPF buffer and Micom. circuit

그림 6. 제작된 누전감지 회로 PCB 외형도

Fig. 6. PCB photograph of manufactured leakage detection circuit

선과 접지선로에 연결하여 임의적인 접촉저항을 만들었고, 대지저항 또한 반고정 가변저항(0～3 kΩ)을 이용하여 접지선로에 연결하여 실험장치를 구성하였다.

그림 7은 제안한 누전감지 회로의 성능을 분석하기 위한 실험장치를 나타낸다.

그림 7. LED 조명등 누전감지 회로 실험장치

Fig. 7. Experimental set for leakage detection circuit of LED lighting

누전감지 민감도는 누설전류 2 mA 이상에서 감지하도록 설정하였고, 대지저항 R_g는 식 (1)의 규정에서 산정한 최대값에 가깝게 1.5 kΩ으로 설정하였다. 여기서 대지저항을 최대값에 가깝게 설정함으로써 LED 조명등 설치 현장에 따라 대지저항이 다르더라도, 접촉저항의 크기가 식 (3)과 같이 대지저항의 크기와 비례하여 접촉저항이 감지되므로 누전감지 설정전류와는 무관하게 된다.

그림 8. 제안한 누전감지 회로 동작특성 파형

Fig. 8. Operation characteristic waveforms of proposed leakage detection circuit

그리고 누전사고 발생 시 누전감지 시점을 정확히 확인하고 필요시 IoT 원격 알람시스템 구축 등을 위하여, 계측용 증폭기의 출력단에 마이컴(ESP-32)을 연결하여 디지털 출력값(약 DC 5 V)을 나타내도록 제작하였다.

그림 8은 제안한 LED 조명등 누전감지 회로의 누전 발생에 대한 동작특성 파형을 나타낸다. 누설전류는 접촉저항 R_L을 가변하여 조정하였으며, 누전감지는 누설전류 2 mA 이상에서 감지하도록 설정하였다. 여기서 누전감지 설정전류는 LED 경관조명 설비의 전력조건이나 주변 전력환경 등을 고려하여 조정이 가능하다. 그림 8(a)는 누설전류 Ig가 2 mA 이하인 경우로서, 제안한 누전감지 회로는 정상상태를 유지하는 동작성능을 보였다.

그림 8(b)～(d)는 누설전류 Ig가 각각 3 mA, 5 mA, 10 mA에 대한 제안한 누전감지 회로의 동작특성 파형으로서, 누전을 감지하고 마이컴으로 출력신호를 보내는 양호한 동작 응답성능을 가졌다.

5. 결 론

본 논문에서는 비절연형 SMPS로 구동되는 LED 조명등의 누전사고를 예방하기 위하여, 기존의 누설전류를 검출하는 전류검출 방식이 아닌, 대지저항과 누설점 접촉저항을 이용한 누설전압을 검출하는 방식으로 누전사고를 예방하는 새로운 회로 토폴로지를 제안하였다.

제안한 누설전압 검출형 누전감지 회로는 대지저항과 접촉저항의 크기에 따른 전압을 검출하는 기법으로, 대지저항, 접촉저항 등 사용된 저항성분들을 휘스톤 브릿지회로로 구성하여 전압의 크기를 비교하고 계측용 증폭기를 사용하여 누전감지에 대한 정밀성과 신뢰성이 증대되었다. 또한 제안한 누전감지 회로는 여러 차례의 다양한 누전 발생 실측분석을 통해 우수한 감지성능을 보였으며, 회로구성이 간단하여 소형 및 경량, 저가로 제작될 수 있는 특징이 주어졌다.