2.3.1 계측기 사양

누전전류 분석을 위해 Kyoritsu사의 KEW5050SE (clamp sensor: KEW8177)를 사용하였으며 사양은 Table 5, 6과 같다⁽¹⁸⁾. KEW5050SE는 절연 불량으로 인해 대지로 흐르는 전류인 지락고장전류뿐만 아니라 절연 불량 없이 설비의 충전부에서 대지로 흐르는 대지누설전류의 구분 측정이 가능하다. 특히 지락고장과 대지누설전류합의 실효값에 고조파를 포함한 경우와 미포함한 누전전류의 측정이 가능하다. 고조파를 포함한 누전전류의 경우 참 실효값(true RMS: TRMS)으로 나타낸다. 저장 간격(interval)은 200㎳(12 cycles) ∼ 2hours 까지 설정이 가능하고 본 연구에서는 간헐적(intermittent) 누전전류의 측정에 유리한 200㎳를 사용하였다. KEW5050SE는 누전전류 실효값뿐만 아니라 일시 누전전류의 측정이 가능하며 발생한 일시 누전전류 이벤트는 ‘이벤트(상한값)’과 ‘이벤트(피크값)’으로 구분된다. ‘이벤트(상한값)’의 경우 약 200㎳ 동안의 실효값 평균이 설정된 문턱값 이상일 경우 이벤트로 판정하고 200㎳의 시작시간을 이벤트 시작점으로 하고 그때 측정된 누전전류를 실효값이 아닌 ‘peak to peak values’로 저장한다. 최초 이벤트 발생 이후 다시 200㎳ 동안 누전전류 실효값 평균을 측정하고 그 값이 문턱값 이하일 경우 그 200㎳의 시작점을 이벤트 종료로 판정하며 역시 ‘peak to peak values’로 저장한다.

‘이벤트(피크값)’의 경우 설정된 순시값의 문턱값 이상이 검출되면 그 시간을 200㎳의 시작시간, 즉 이벤트 시작점으로 간주하며 시작 이후 200㎳ 동안 이벤트가 검출되지 않을 경우 그 두 번째 200㎳의 시작점을 종료시간으로 한다. 이벤트의 크기는 순시값이 아닌 ‘peak to peak values’로 저장된다. ‘이벤트(상한값)’과 ‘이벤트(피크값)’의 차이는 전자의 경우 설정된 실효값의 문턱값이 약 200㎳ 동안 지속되어야 이벤트로 판정되며 후자의 경우 설정된 순시값 이상이 발생하면 그 지속시간과 무관하게 이벤트로 판정된다. 기록된 ‘이벤트(상한값)’과 ‘이벤트(피크값)’은 그 시작과 종료 시 측정된 값으로 ‘이벤트(상한값)’은 실효값 기준이므로 발생한 일시 누전전류의 지속시간은 약 16㎳로 추정되며 ‘이벤트(피크값)’의 최소 지속시간은 24.4㎲, 최대 지속시간은 알 수 없다. 또한 이벤트의 지속기간 중 발생한 최대 ‘peak to peak values’ 역시 알 수 없으므로 본 연구에서는 이벤트 시작점에서 측정된 값을 최대값으로 간주하였다.

일시 누전전류에 대한 국제 공통 용어의 부재로 본 연구에서는 ‘이벤트(상한값)’ 발생 시 측정된 일시 누전전류는 ‘temporary residual current (TRC)’로, ‘이벤트(피크값)’ 발생 시 측정된 일시 누전전류는 ‘instantaneous residual current (IRC)’로 표기하였다.

2.3.2 감도전류 시험

차단이 발생한 2기의 CBR에 대한 오작 여부(I△NO 이하 차단)를 판단하기 위하여 I△N 시험을 제조사측 공장 시험으로 실시하였다. Fig. 1, 2에 시험 회로의 구성과 시험 결과를 나타내었다. 시험 결과, 2기의 CBR 모두 누전전류 실효값, 약 24㎃ 에서 동작하였으므로 관련한 한국산업 규격인 ‘KS C 4613: 2019(산업용 누전차단기)’ 에 적합하다. 그러므로 I△NO 이하에서 발생한 CBR 차단 원인이 외부 요인, 즉 전원 환경이나 부하에 있음을 알 수 있다.

2.3.3 누전전류 분석

누전전류는 CBR의 주회로에 흐르는 상(phase)과 중성선(neutral) 전류의 벡터합이다. 상과 중성선의 위상차(phase angle difference)는 이상적인 경우 180도를 유지하므로 부하측에 대지누설 및 지락고장전류가 없다면 누전전류는 ‘0(zero)’이다. 그러나 임피던스 부정합, CBR 내부 영상변류기의 포화 등 물리적 현상으로 영상변류기 2차측으로 출력이 발생한다⁽¹⁹⁾. 또한 PC 등의 전원공급용 SMPS는 전원측 노이즈로부터 내부 회로 보호와 내부 회로 스위칭 노이즈의 전원측 유출 방지를 위하여 내부 노이즈 필터(internal noise filter) 회로가 필요하며 이 회로의 Y형 콘덴서(Y-capacitors)는 대지누설전류의 주요 발생원이며 SMPS의 수가 증가할수록 대지누설전류는 증가한다⁽²⁰⁾.

CBR의 원치 않는 차단이 발생한 시간과 횟수는 주중 16시 30분경 3회, 18시 30분경 2회이며 그 발생 주기는 약 1개월이다. 그러므로 차단이 발생한 회로에 대한 누전전류 분석을 주중 8시부터 20시까지 총 20일간 측정하였으며 Fig. 3으로 1일 12시간 측정결과의 예시를, Table 7로 그 결과를 나타내었다. 이벤트 문턱값은 ‘이벤트(상한값)’의 경우 CBR의 차단이 발생한 당시의 누전전류 실효값을 고려하여 13㎃, ‘이벤트(피크값)’은 CBR I△N를 고려하여 30㎃로 설정하였다.

누전전류 실효값과 대지고장전류는 모든 경우 Fig. 3과 같이 업무 시작시간대에 상승하고 업무 종료시간대에 감소한다. 그러나 TRC, IRC는 Fig. 3, Table 7과 같이 누전전류 및 대지고장전류의 증감과 무관하게 발생하는 것으로 나타났다. Fig. 3의 실선은 최대 누전전류 실효값이 발생한 시점이며 화살표 내부에 각 항목별 측정값을 표기하였다. 점선으로 최대 TRC가 발생한 시점을 나타내고 화살표 내부에 각 항목별 측정값을 기록하였다. 누전전류 및 지락고장전류는 실효값이며 TRC와 IRC는 ‘peak to peak values’이다.

Table 7과 같이 최대 누전전류 실효값은 16.5㎃으로 5월 13일 16시 20분경에 발생하였으나 선행한 I△N 시험 결과를 고려하면 그 최대 실효값은 CBR의 원치 않는 차단의 원인이 될 수 없다.

Table 7, 8과 같이 13㎃ 이상의 누전전류가 1분 200㎳ 동안 지속되고 그 시작점에서 측정된 TRC가 279㎃인 최대 ‘이벤트(상한값)’가 6월 28일 16시 42분경에 발생하였다. 또한 184㎃의 최대 IRC가 6월 23일 8시 36분경에 발생하였다. 그러나 발생한 최대 TRC, IRC가 CBR의 원치 않는 차단을 유발하는지 알 수 없다. 첫째, TRC, IRC와 관련한 CBR의 동작 특성이 제조사로부터 알려지지 않았다. 둘째, 측정된 TRC와 IRC를 모의할 수 있는 즉, 고유 누전전류 인가 후 양극성 일시 누전전류의 크기와 지속시간을 모의하여 인가할 수 있는 ‘누전전류 발생기(residual current generator)’의 부재는 원치 않는 차단의 원인 규명을 곤란하게 한다. 단지 일시 누전전류와 관련한 참고도서에 따르면, 수 µs ∼ ㎳의 지속시간과 수 A의 크기로 발생할 수 있는 일시 누전전류는 필터 회로를 갖는 SMPS 등에서 발생할 수 있으며 누전차단기류의 원치 않는 동작의 원인이 될 수 있으므로 해외 제조사들은 이러한 일시 누전전류에 대한 불필요한 동작의 예방을 위해 누전차단기류의 동작을 일시적으로 지연하는 기술 등을 적용하고 있다[1-7, 16]. 그러므로 측정된 TRC 및 IRC는 원치 않는 차단의 한가지 원인이 될 수 있음을 추정할 수 있다.

CBR의 원치 않는 차단이 발생한 회로에서 측정된 TRC, IRC의 특이점 확인을 위하여 CBR의 차단이 발생하지 않는 3개의 회로를 CBR 차단 회로와 비교하였다. 비교를 위해 선정된 회로는 최대 누전전류 실효값이 15㎃ 이상이고 동일한 전원공급 설비, 즉 동일한 변압기와 배전설비를 사용하며 부하로 PC를 사용하는 회로가 선택되었다. 비교 회로의 누전전류는 CBR 차단이 발생한 회로와 동일하게 주중 8시부터 20시까지 20일간 측정되었으며그 결과는 Table 9와 같다.

누전전류 분석 등을 통하여 확인된 사항은 다음과 같다.

․ 차단이 발생한 CBR의 I△N 시험 결과, 24㎃ 이하의 누전전류 실효값은 CBR의 차단원인이 될 수 없다.

․ 고조파로 인한 누전전류 실효값의 증가는 Table 9와 같이 최소 4\%(tripped circuit), 최대 7\%(circuit 2)이다.

․ 차단 회로와 비차단 회로의 누전전류 추이를 비교한 결과, IRC는 CBR 미차단 회로(circuit 2)에서 더 큰 값이 측정되었으므로 IRC는 원치 않는 차단의 원인이 될 수 없다.

․ 차단 회로와 비차단 회로의 누전전류 추이를 비교한 결과, TRC에서 특이점이 발견되었다. KEW5050SE의 제한적 기능으로 TRC의 정확한 지속시간과 최대 실효값은 확인할 수 없으나 CBR의 원치 않는 차단이 발생한 회로에는 지속시간 약 16㎳, peak to peak value 279㎃(실효값 약 99㎃)의 TRC가 약 1초 200㎳의 지속시간을 갖는 13㎃ 이상의 고유 누전전류에 중첩하는 것을 알 수 있다. CBR의 원치 않는 차단이 발생한 시간대, 약 16시 30분과 약 18시 30분인 것과 Table 7의 TRC 발생시점을 고려하면 차단 원인으로 추정할 수 있는 TRC는 257(6월 15일), 279㎃(6월 28일)이다. 미차단 회로에서도 TRC 최대 43㎃(실효값 약 15㎃)가 측정되었으나 이는 CBR의 I△N 이하이므로 원치 않는 차단의 원인이 될 수 없다.

․ 차단 원인의 규명을 위해 직원별 사무용 부하측으로 설치된 13기의 CBR 부동작을 통하여 TRC만으로는 CBR의 차단이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 즉 원치 않는 차단의 원인은 고유 누전전류에 중첩된 TRC임을 논리적으로 추정할 수 있다. 결과로, CBR의 원치 않는 차단 원인은 13㎃ 이상의 고유 누전전류에 중첩된 최대 279㎃의 TRC로 추정된다.

2.4.1 계측기 사양

전력품질 분석을 위해 Fluke사의 435II(current clamp: i30s)을 사용하였다. 본 연구를 위해 도입한 i30s 전류 클램프는 AC뿐만 아니라 DC 전류와 고조파 등으로 인한 왜곡 파형에 대한 높은 분해능과 정확성을 위해 개발되었다. 그 주요 사양은 Table 10, 11과 같다⁽²¹⁾.

2.4.2 전력품질 분석

TRC, 누전전류의 발생과 전력품질간의 연관성 확인을 위해 CBR 차단이 발생한 회로의 전력품질과 누전전류를 Fig. 4와 같이 20일간 동시에 측정하고 그 추이를 비교하였다. 전압, 전류, 직류 전류, 절대값 전류 및 파고율, 고조파 및 고조파 위상이 측정되고 분석되었다. 전력품질은 상과 중성선 동시에 측정되었으며 벡터합은 전력품질 측정값을 이용하여 산정하였다.

전력품질 측정을 위해 전력분석기의 로거(logger) 기능을 사용하였으며 저장 간격은 1분, 측정시간은 누전전류 측정과 동일하게 8시부터 20시까지로 설정하였다. 전력분석기는 측정 항목을 40㎲(416 samples per cycle) 단위로 측정하여 1분 단위로(최소 설정값: 200㎳)최대, 최소 및 평균값을 저장하므로 측정 항목의 최대 지속시간을 알 수 없다. 단지 그 최저 지속시간은 40㎲이다.

Fig. 5-9, Table 12로 20일 동안의 측정 결과 중 6월 15일의 측정결과 예를 나타내었다. 그림의 실선은 최대 누전전류 실효값과 전력품질 비교를 위해, 점선은 TRC와 전력품질 비교를 위해 표시하였다. 측정결과, 최대 TRC 그리고 최대 누전전류 실효값의 발생은 전력품질과 무관한 것으로 나타났다. 즉 CBR의 원치 않는 동작의 원인은 전원 환경이 아닌 부하측에 있음을 알 수 있다.

․ 전압 최대 실효값(effective value) 및 평균값: SMPS 대지누설전류의 주발생원은 EMI 또는 EMC 필터의 Y형 콘덴서이며 이 콘덴서에서 누설되는 누전전류의 양은 전원공급측의 전압 및 주파수 변동에 영향을 받는다⁽²²⁾. 그러므로 Fig. 5와 같이 전압 변동 추이를 측정하였으나 PC 등 정보통신기기의 요구 입력 전압인 100 ∼ 254VAC에 ‘적합’하고 전압 최대 및 최소값의 변동 시점과 최대 TRC 및 누전전류 실효값의 발생 시점은 상이하다. 그러므로 최대 누전전류 실효값과 TCR의 발생은 전압 변동과 무관하다.

․ 부하전류(전류 최대 실효값 및 평균값): 누전전류 실효값의 증감 추이는 부하전류의 증감 추이와 유사하나 정확히 일치하지 않는다. 부하전류 벡터합의 최대값 발생 시 누전전류 실효값의 최대값이 발생할 것으로 예상되었으나 Fig. 6, Table 11과 같이 각 최대값 발생 시점이 상이하다. 그러므로 최대 누전전류 실효값과 최대 TCR의 발생은 최대 부하전류 및 그 최대 벡터합과 무관하다.

․ 직류 전류: SMPS에서 발생하는 직류분 누전전류, 즉 맥동 직류 누전전류 및 평활 직류 누전전류는 CBR의 원치 않는 차단 또는 감도 전류 이상에서의 차단 원인이 될 수 있으므로 그 추이를 측정하였다. 이상적인 경우 부하전류 등과 같이 상과 중성선에서의 직류 전류의 합은 ‘0(zero)’가 될 것이나 Fig. 7과 같이 모든 경우 ± ‘0’가 되는 것이 아니며 최대 지속시간은 알 수 없으나 최소 40㎲의 지속시간을 가지며 그 합이 A형 CBR의 시험 및 검사 등을 정의하는 KS C IEC 60947-2(2016)에 명시된 6㎃ 이상의 직류누전 전류가 발생하고 있음을 알 수 있다. 또한 상과 중성선 그리고 그 합의 최대값 발생 시점과 최대 누전전류 실효값 및 TRC의 발생시점이 상이하다. 즉 최대 누전전류 실효값과 TCR의 발생은 최대 직류전류 및 그 최대합의 발생과 무관하다.

․ 절대값(absolute value, peak to peak) 전류 및 파고율: 절대값 전류 역시 상과 중성선의 벡터합으로 상쇄되어 그 크기가 크게 감소되는 것을 알 수 있다. 또한 누전차단기의 차단 민감도에 영향을 주는 것으로 알려진 파고율 역시 상과 중성선의 벡터합이므로 역시 상쇄되어 상이나 중성선의 값보다 크게 감소된다. 또한 그 벡터합의 최대값 발생 시점과 누전전류 실효값 및 TRC의 최대값 발생시점은 상이하다. 즉 최대 누전전류 실효값과 TRC의 발생은 최대 절대값 전류, 파고율 및 그 벡터합과 무관하다.

․ 고조파 전류 실효값 및 위상차: 누전차단기의 차단 민감도에 영향을 주는 것으로 알려진 고조파 전류 함유율(percentage-to-fundamental: \%f)은 기본파 전류 또는 1차 고조파에 대한 고조파 차수의 백분율이므로 부하전류가 낮은 업무 시작 및 종료 시간대에 증가하여 누전전류의 증감과 무관하다. 그러므로 본 연구에서는 고조파 전류 실효값을 측정하였다. CBR의 차단에 영향을 주는 것은 상과 중성선의 고조파가 아닌 고조파 전류의 벡터합이므로 Fig. 9에 벡터합을 포함한 고조파 전류 추이와 누전전류 추이를 비교하였다. 고조파 전류 역시 부하전류 등과 동일하게 그 위상차는 대부분의 경우 약 180를 유지하고 상쇄되어 그 값은 상과 중선선의 고조파 전류 실효값에 비하여 크게 감소됨을 알 수 있다. 각 차수별 고조파의 위상차는 12시간 평균값으로 3차, 7차의 경우 0.01, 5차 0.10로 나타났다.

상과 중성선의 최대 고조파 전류 실효값, TDD, 차수별 벡터합 그리고 최대 차수별 상과 중성선의 위상차 발생 시점과 누전전류 실효값 및 TRC의 최대값 발생시점은 상이하다. 즉 최대 누전전류 실효값과 TRC의 발생은 고조파와 관련한 전력품질과 무관하다.