1. 서 론

감전 사고는 누전 상태에 있는 기기에 인체 일부가 접촉되어 인체를 통해 누설전류가 흘러 감전되는 경우를 말한다. 절연 불량 전기기기 등에 인체가 접촉되어 발생하는 경우가 많다. 또한 절연 불량 전기설비가 설치된 철 구조물 등에 접촉으로 발생되는 경우도 있다⁽¹⁾.

감전 사고가 발생하기 전에 누설전류가 감지되면 최초로 보호하는 기기는 누전차단기(RCD, Residual current device)이다. KEC 211.2.4에서는 설치조건, 사용전압, 정격 동작전류, 정격 동작시간 등을 엄격히 규정한다⁽²⁾.

그림 1은 누전차단기의 동작 원리를 설명한다. 회로가 정상일 경우 부하의 유입전류와 유출전류의 합이 같으므로($I_{L1}= I_{L2}$), ZCT(영상변류기, Zero phase Current Transformer)를 통과하는 전류의 벡터 합은 0이고 ZCT 2차 측에도 유기되는 전류는 없다. 반면에 고장으로 절연이 파괴되어 누설전류($I_{g}$)가 발생하면 부하의 유입전류와 유출전류의 차이도 생긴다.($I_{L1}\ne I_{L2}$) 벡터 합의 차이만큼 ZCT 2차 측에 유기되는 전류가 발생한다. 이 전류를 증폭하여 트립 코일을 여자시켜 누전차단기가 동작된다⁽³⁾.

2019년 한 해 동안 우리나라에서 발생한 전기설비사고 5,570건 중 저압 설비에서 3,411건(61.2%)이 발생하였다. 저압 설비사고는 옥내배선, 조명기구, 누전차단기 순으로 발생했다. 누전차단기 관련 사고는 237건으로 0.65건/일 발생빈도를 갖는 고위험군으로 사용자의 각별한 주의가 필요하다⁽⁵⁾. 또한 감전 사상자 수는 총 508명으로 사망 27명, 부상 481명으로 집계됐다. 그중 누전에 의한 감전 사고는 사망 4명, 부상 25명 등 총 29명의 사상자가 발생하여 전체 감전 사고의 5.7%를 차지했다⁽⁵⁾.

누전에 의한 감전 사고를 예방하기 위해서는 누전차단기의 작동상태를 확인해야 한다. KOSHA GUIDE E-54-2012에서는 전로에 설치된 누전차단기는 시험용 버튼을 이용하여 월 1회 이상, 정상 작동 여부를 확인하고 오부동작 시 그 원인을 조사하여 즉시 수리하거나 교체하도록 권고한다⁽⁶⁾. 하지만 전문적 지식이 부족하거나 부하의 중요도가 높아 정전을 발생시킬 수 없어 연 1회의 동작 시험조차, 실시하지 못하고 있다. 따라서 누전이 발생하더라도 누전차단기가 오부동작하여 감전사고 및 전기화재로 이어질 수 있다.

최근 누전차단기에는 IC 도입과 동작 감도 전류 및 동작시간의 단축, 증폭회로 추가 등으로 여러 전자회로가 삽입되고 있다⁽⁷⁾. 하지만, 내부 전자회로를 주기적으로 진단 분야에 관한 연구는 활발히 이루어지지 않았다. 따라서 본 논문에서는 자칫 대형 사고로 이어질 수 있는 누전차단기의 시험 버튼 누름으로 발생하는 시험 전류를 제어하고, 전자회로에 대한 자동진단 기능을 개발하고 성능을 검증하고자 한다.

2. 다중권선 ZCT

그림 2는 누전차단기의 회로도이다. 전원 측에 전압을 인가된 상태에서 시험 버튼을 누르면, 전원 측과 Test 저항 사이에 ZCT를 관통하여 폐회로가 구성된다. Test 저항은 0.5∼1W 정격을 사용하는데, 용량이 적을수록 크기도 감소하기에 공간의 이점으로 작은 W 정격이 필요하다. 전원 측 전압이 220V의 경우 주로 Test 저항은 1W, 3㏀ 정격을 사용한다. 옴의 법칙을 이용하면 Test 저항에는 약 73mA의 전류가 흐르고, KS C 4621에서 감전보호용 누전차단기 동작시간은 0.03초 이내로 규정한다⁽¹³⁾. 식(1)을 이용하여 저항에서 소비하는 에너지는 최대 0.48W·sec이므로 0.5W의 저항을 사용할 수 있다. 역률은 1로 가정했다.

현장에서 통전 중인 누전차단기의 시험 버튼을 누를 경우, 시험 전류가 0.03초보다 긴 시간 동안 흐르면 Test 저항의 용량을 초과하여 소손 되는 사고가 빈번히 발생한다. 따라서 시험 전류를 낮추기 위해 다중권선 ZCT(Multiple winding ZCT)을 제안하고 Test저항을 최적의 정격으로 선정하고자 한다⁽⁸⁾.

그림 2의 좌측은 ZCT를 나타내고 우측은 다중권선 ZCT를 나타낸다. ZCT는 Test 저항과 시험 버튼의 회로에서 내부를 관통하나 다중권선 ZCT는 ZCT 1차측 코어를 수∼수십 회 감는 형태로 만든다.

다중권선 ZCT의 권수비와 전류의 관계식은 식(2)과 같다. $N_{1}$은 ZCT 1차 권선수(Turns) $N_{2}$는 ZCT 2차 권선수로 일반적으로 1000회 사용한다. $I_{1}$는 ZCT 1차 전류, $I_{2}$는 ZCT 2차 전류이다. 최적 설계를 위해 $N_{2}$을 낮추거나, $N_{1}$을 증가시키는 방법이 있다. 첫째, $N_{2}$를 낮추면 $I_{2}$가 증가한다. 만약 선로에 많은 양의 누설전류가 발생하면 $N_{2}$가 낮춰진 비율만큼 $I_{2}$가 증가하여 회로의 소손을 야기한다. 둘째, $N_{1}$을 증가하면 비율만큼 $I_{1}$을 감소시키므로 Test 저항의 소손을 방지할 수 있다. 따라서 다중권선 ZCT를 이용하여 적절한 $N_{1}$를 설계하고자 한다. 권선수에 따른 시험전류와 Test 저항의 온도 상승을 고려하여 최대 1W, Test 저항을 사용할 수 있으나, 내부 공간을 고려하여 1/2 수준인 0.5W으로 설계했다. 220V 정격전압에서 전류는 2.27mA, 저항은 100㏀이다. 안정성을 고려하여 저항을 120㏀으로 선정하면 전류는 1.83mA로 계산된다. 식(3)을 이용하여 필요한 $N_{1}$의 이론값, 40회를 도출했다.

다중권선 ZCT의 이론값과 실제 시작품에서 차이의 확인이 필요했다. 다중권선이 수작업으로 만들어지므로 편차가 발생할 수 있고, 코어, 전선, 몰드 등에서 오차도 발생할 수 있으므로 턴 수를 달리하여 실험으로 검증했다. 그림 3은 다중권선 ZCT의 설계도 및 시작품이다. $N_{1}$, $N_{2}$ 모두 UEW(polyUrethane Enamelled Wire) 에나멜 동선 0.09mm, 코어는 Permalloy, 몰드는 PC(Poly Carbonate) 성분을 사용했다.

3㏀ 저항을 이용하여 73mA의 시험 전류를 인가한 경우 ZCT 검출전류의 측정을 위해 양단에 620Ω의 저항을 연결하여 전압을 측정하면 표 1과 같다. 시료 5대로 5회 측정하였을 때, 평균과 표준편차는 167.57±1.47mV로 나타났다.

표 2는 다중권선 ZCT에 Test 저항 120㏀, 시험 전류 1.83mA를 인가한 경우, ZCT 1차 권선수 변화에 따른 ZCT 2차 측 단자에 측정되는 전압을 측정한 결과이다. 각 권선수에 따라 10회씩 전압을 측정했고, 평균과 표준편차를 나타낸다. 3㏀ Test저항에 73mA의 시험 전류를 인가 시 167.57±1.47mV과 비슷한 결과는 1차 권선수가 40회의 경우이고, 170.59±5.50mV로 표준편차 범위 내에 비슷한 전압이 측정됐다. 따라서 권선수 $N_{1}$이 40회가 적합함을 확인했다.

3. 누전 검출회로의 자동진단

부하 중요도가 높아 정전이 불가한 환경에서 누전차단기의 동작 시험의 대안은 없다. 본 논문에서는 누전 검출회로를 자동 진단하는 회로를 설계하고 검증하였다. 그림 5는 누전 검출회로의 자동 진단 기능이 포함된 블록도 이다. 누전차단기가 동작하지 않은 상태에서 누전 검출회로만을 진단하기 위해서는 트립 코일이 여자 되지 않는 미소 전류로 시험해야 한다. 앞서 다중권선 ZCT를 사용하여 시험 전류 크기를 73mA에서 1.83mA로 약 1/40 수준으로 줄였다. 누전차단기 회로에서는 IC와 SCR 등 소자에 최소 동작전류만 흐르게 하고 트립 코일에 기자력을 최소화하였다. 하지만 회로의 진단 후에는 래치 특성의 IC, SCR 등 소자로 지속적인 시험 전류가 흐르기 때문에 시험 전류를 중지하기 위한 리셋이 필요하다.

그림 6은 누전 검출회로의 자동진단 회로도이다. IC는 누설전류가 발생하면 내부의 래치 기능에 의해 트리거 신호가 계속 발생한다. SCR은 애노드에서 캐소드로 전류가 흐르면 애노드와 캐소드 사이의 전압이 게이트 전압보다 같거나 작을 때까지 턴-온 상태 유지한다. 따라서 동작 시험 완료 후에는 시험 전류를 중단하기 위해 릴레이를 사용하였다. 릴레이의 ON/OFF로 래치 회로를 초기화했다.

누전차단기의 누전 검출회로는 수동진단 및 자동진단, 두 가지 방법으로 설계했다. 두 개의 방법은 딥(dip) 스위치를 이용하여 전환할 수 있다. 그림 7은 누전 검출 과정의 순서도를 나타낸다. 수동진단은 사용자가 ON/OFF 레버 하단의 시험 버튼으로 Test저항에 시험 전류를 인가하여 시험하는 방법이다. 반면에 자동진단은 설정된 시간마다 누전 검출회로에 시험 전류를 인가하여 진단을 수행한다. 그 결과를 MCU(Micro Controller Unit)에서 판단하여 제품 전면의 LED 램프를 이용하여 사용자에게 알린다. 자동 진단의 주기는 최대 1개월 범위에서 설정할 수 있다. 그림 8의 자동진단에서 누전 검출회로가 정상 상태에는 붉은 원의 녹색 LED 램프가 점등, 이상 상태에는 적색 LED 램프가 점멸된다.

누전 검출회로의 자동진단은 시험 전류를 인가하였을 때와 실제 고장으로 누설전류가 발생하였을 때가 같은 동작을 수행하여 SCR 게이트로 신호를 보내어 동작한다. 트립 코일 단선, ZCT, SCR, IC, Test저항, 패턴 손상, 부품 등의 이상을 자동 진단한다. 회로부에 관련된 부품 중 하나라도 이상이 있을 때 자동진단이 수행되면 누설전류의 검출이 불가능하다. 또 SCR 게이트에 트립 신호를 출력하지 못하게 되고 SCR이 턴 오프 상태가 되어 전류는 흐르지 못한다. 따라서 적색 LED 램프가 켜지면 누전차단기의 기능을 할 수 없고 즉시 수리와 교체가 필요하다. SCR에 흐르는 전류는 회로 상호 간의 절연을 고려하여 포토커플러를 이용해 검출하였다.

그림 9는 누전 검출회로의 자동진단 성능을 검증하기 위해 회로에 고장점을 선정하였다. 전 회로의 검사를 위해 주요 부품을 대상으로 하였다. 전원선 단선, 트립 코일 단선, Tes저항 들뜸, IC 전원 고장, SCR 고장, PCB 패턴 손상, ZCT 고장 등 7개의 고장을 구현하고 표 3에서 각 고장에 따른 현상을 설명했다.

표 4는 시료 7대로 고장점 7곳에서 자동진단을 수행한 결과이다. 시료 7대 모두 정상적으로 검출회로의 이상을 감지하고 동작했다.

4. 결 론

본 논문에서는 누전차단기 내 누전 검출회로의 자동진단 시스템을 구축하기 위한 다중권선 ZCT와 회로를 제안하였다. 다중권선 ZCT의 권선수를 40회, Test저항의 0.5W 수준으로 최적화 설계하여 시험전류의 크기를 약 1/40로 줄였다. 따라서 트립코일이 여자되지 않는 미소 전류로 누전 검출회로의 자동진단을 수행할 수 있었다. IC와 SCR 등 래치 특성을 갖는 소자로 인해 자동진단이 완료 후에는 시험 전류를 중지하고 초기화하기 위해 릴레이를 사용했다. 자동진단의 주기는 최대 월 1회를 범위 내에서 선정했다.

7개 시료로 고장점 선정했다. 전원선 단선, 트립 코일 단선, Tes저항 들뜸, IC전원 고장, SCR 고장, PCB패턴 손상, ZCT 고장 등에서 상황에서 자동진단을 수행하여 모두 이상을 감지하고 사용자에게 알림을 표시했다.

전기설비에 누설전류가 발생하면 가장 먼저 동작하여 인명 사고나 전기재해로부터 보호해주는 누전차단기의 성능을 개선을 위한 지속적인 연구와 개발이 필요하다. 또 사용자가 수동으로 전원을 차단하지 않고 누전 검출회로를 진단할 수 있는 추가적인 연구도 검토되어야 한다.