2.1 SPD 연결 형태에 따른 분류

IEC 61643-12에 의하면 SPD의 연결 형태에 따라서 CT1과 CT2로 나눌 수 있다⁽⁵⁾. CT1은 상과 중성선에서 각각의 선을 PE (Protective Earth)에 병렬로 연결되는 형태이며, 이는 상과 중성선 사이에 SPD가 직렬로 2개 연결되어 있어서 서지잔류전압이 높아져서 적절한 보호가 이루어지지 않는다. CT2는 상과 중성선 사이에 SPD가 각각 병렬로 연결되어 있고, 중성선과 접지사이에 SPD가 연결되어 있는 형태로 상과 중성선 그리고 중성선과 접지 사이에 적절한 보호가 이루어진다. 이를 그림 1에 도시하였다.

2.2 서지보호부품에 따른 서지 응답특성

일반적으로 서지보호장치에 사용되는 서지보호부품은 ZnO 바리스터와 가스방전관(GDT, Gas Discharge Tube) 등이 사용된다. 그림 2의 a는 서지보호부품에 인가된 파두가 8µs이고 파미가 20µs인 단락회로의 전류파형이다. 그림 2의 b와 같이 ZnO 바리스터의 서지응답특성은 서지 전류와 전압이 상승하면 임피던스가 연속적으로 감소하여 전압을 제한하는 형태로 동작되고, 그림 2의 c와 같이 가스방전관의 서지응답특성은 서지전압에 대해서 임피던스가 급격하게 낮아져 전압을 스위칭하는 형태로 동작된다⁽⁵⁾.

그림 2의 각 기호에 대한 설명은 다음과 같다.

a : 서지보호부품에 인가된 파두가 8µs이고 파미가 20µs인 단락회로의 전류파형

b : ZnO 바리스터의 서지응답특성

c : 가스방전관의 서지응답특성

2.3 접지시스템에 따른 일시적 과전압

모든 SPD는 전력 계통의 최대 연속동작전압을 초과하는 일시적 과전압에 노출될 수 있다. 일시적 과전압의 범위는 진폭과 시간으로 나타나며, 과전압의 지속시간은 일차적으로 전원시스템의 접지에 의해 좌우된다. SPD는 일시적 과전압을 인가한 다음에도 성능의 변화가 없거나 고장상태에도 인명이나 장비에 어떤 피해도 입히지 않아야 하며, 이는 SPD의 중요한 특성 중 하나이다. IEC 61643-12(일시적 과전압)와 IEC 60364-4-44(전압 및 전자파 장애에 대한 보호) 등에서 접지시스템에 따라서 저압 시스템에 나타나는 일시적 과전압(TOV,Temporary Over Voltage)은 표 1, 그림 3과 같다⁽⁵⁾,⁽⁷⁾.

그림 3의 a영역은 LV(Low-Voltage) 설비의 고장(단락)에 대한 TT, TN 그리고 IT 시스템에서의 상과 중성선 사이의 UTOV, LV 영역이다. 그리고 그림 3의 b영역은 LV 설비의 고장(상도체의 우발적인 접지)에 대한 IT 계통에서의 상과 접지 사이의 UTOV, LV 영역이며, LV 설비의 고장(중성선 단선)에 대한 TT와 TN시스템에서의 상과 중성선 사이의 UTOV, LV 영역이다. 그림 3의 c영역은 HV(High-Voltage) 시스템에서 고장이 발생한 경우, TT와 IT 시스템의 상과 접지 사이에 위치한 고객측 전기설비에서의 UTOV, HV 최대값 영역이다. 그리고 d는 정의되지 않은 영역을 나타낸다.

TT 접지시스템에서 고압 계통의 고장 발생 시 상과 중성선 사이에 1200V의 일시적 과전압(UTOV, HV)이 5초까지 발생될 수 있으며 Uo는 국내 저압계통의 전원 전압인 220V를 의미한다. 따라서 SPD는 상과 중성선 사이에는 ZnO 바리스터를 적용한다. 그리고 중성선과 접지 사이에는 TOV 1200V를 견딜 수 있는 가스방전관으로 구성된 SPD를 적용하고 있으며 이때 가스방전관에서 발생되는 속류의 최대치에 관한 정보를 SPD 제조사가 소비자에게 제공하고 있다. 중성선과 접지 사이에 ZnO 바리스터를 사용하지 못하는 이유는 TOV 1200V를 5초간 견딜 수 있는 ZnO 바리스터를 사용하게 되면 서지보호기의 잔류 전압이 너무 높아져 부하의 임펄스 내전압을 초과하므로 적절한 보호가 되지 않기 때문이다. 통상적으로 국내의 저압전원 계통에 연결되어 사용되는 정상 상태의 단상 SPD의 연결도는 그림 4과 같다.

2.4 SPD오결선 조건에서 상태표시기 맹점

옥외에 설치되는 CCTV 및 통신기기의 전기 외함에는 별도의 부스-바가 설치되어 있지 않은 곳이 대부분이며 옥외함의 외부사진은 그림 5에, 내부사진은 그림 6, 그림 7에 예시하였다. 접지선의 색상은 녹색으로 비교적 잘 지켜지고 있었으며 부스-바를 사용하여 구분이 잘 되었으며, 상과 중성선은 색상으로 구분되지 않는 경우와 색상은 잘 지켜진 경우가 있었으나 멀티탭을 경유하여 SPD에 연결되어 구분이 되지 않았다.

저압 배전계통에서 사용되는 전기선의 색상은 IEC 60445의 국제표준 (인간과 기계 간 인터페이스(MMI), 표시 식별의 기본 및 안전규칙-장비단자, 도체단자 및 도체의 식별)에 따라서 표 2와 같이 구분하고 있다⁽⁸⁾.

상과 중성선이 구분되지 않는 조건에서 설치자는 접지를 기준으로 상과 중성선의 전압을 확인하여 연결하지만, 역결선의 가능성은 항상 존재한다. 역결선의 결과로 서지가 침입하는 조건에서는 SPD의 파손 및 지락사고가 발생할 수 있는데, 가장 큰 문제는 역결선 조건에서도 상태표시기의 회로는 상과 중성선 사이에 여전히 위치하고 있으므로 정상으로 표시된다는 것이다. 그리고 역결선 조건에서 상과 중성선 사이에는 가스방전관이 연결되어 있으므로 서지가 들어오기 전까지 가스방전관은 동작되지 않아 정상으로 보인다. 서지가 침입하면 가스방전관은 스위칭으로 동작되어 상의 전류가 가스방전관을 경유하여 접지로 흘러서 단락사고가 발생하게 된다. 이 결과로 상위의 회로차단기가 동작되면 전력공급이 중단되며, 전기배선 또는 SPD의 파손으로 이어질 수 있다. 만약 회로차단기가 설치되어 있지 경우와 회로차단기가 설치되어 있으나 중성선이 연결되어 있지 않다면 SPD가 전소하여 화재로 이어질 수 있다. 단상 SPD의 상과 중성선 역결선도는 그림 8에 도시하였다.

3.1 시스템 블록도

오결선을 방지하기 위한 시스템 블록도는 그림 9와 같이 구성하였다. AC/DC Converter는 마이크로프로세서와 각 블록의 DC 전원을 공급하기 위한 것이며, 마이크로프로세서는 오결선 검출 회로를 통하여 결선상태를 판단하여 음성 IC와 표시기로 출력하도록 구성되어 있다.

3.2 오결선 검출 회로설계

오결선을 검출하기 위한 제안된 회로를 그림 10과 같이 구성하였다.

그림 10과 같이 오결선 검출회로는 AC 1차측(흑색)과 DC 2차측(청색)으로 분리하여 서지로부터 마이크로프로세서가 영향을 받지 않도록 설계하였다. 초기에 SPD에 전원이 인가되면 마이크로프로세서의 GPIO output (GPIO: General Purpose Input Output)에서 50ms 동안 high를 출력하여 Relay를 동작시켜 GPIO input에서 상과 중성선을 검출하였다. 상과 접지 그리고 중성선과 접지의 선간 전압을 검출하기 위하여 광결합기를 사용하였고, SPD의 상위에 누전차단기가 사용되는 경우도 있으므로 Relay 동작 시 상에서 접지로 흐르는 전류로 인한 트립 현상이 발생하지 않도록 고려하여 330kΩ을 선정한 것으로 누설전류를 최소화하였고 검출 시간은 50ms로 60Hz를 기준으로 약 3주기에 해당된다. 이 기간 동안 흐르는 전류를 옴의 공식으로 산출하면 667μA이다.

과전류 보호장치를 가진 누전차단기의 국제표준은 IEC 61009-1(주택용 및 이와 유사한 용도의 과전류 보호장치를 가진 누전차단기(RCBO)- 제 1부 : 일반 요구사항)을 따르며 최소 정격감도전류인 6mA보다 훨씬 작은 값으로 영향을 받지 않는다⁽⁹⁾. 또한 접지의 환경 및 주변기기의 잡음 및 고조파 전압에 따라서 중성선과 접지간의 전압은 상승될 수 있으므로 검출은 정상전압인 220V의 약 80\%인 180V이상에서 동작하도록 설정하였다. 결선상태에 따른 오결선 검출회로의 동작특성은 표 3과 같다.

3.3 오결선 방지 소프트웨어 알고리즘

오결선을 방지하기 위한 소프트웨어 순서도를 그림 11에 도시하였다.

오결선을 방지하기 위하여 중성선과 상이 정상적으로 검출되면 “정상 설치 되었습니다”를 음성으로 출력한다. 중성선은 정상이지만 상이 검출되지 않으면 접지가 연결되지 않은 상태로 판단하여 “접지 연결을 확인해주세요”를 음성으로 출력한다. 중성선이 비정상으로 검출(중성선과 접지 간 전위차 발생)되고 상이 비정상(전압이 검출되지 않은 상태)이면 “상과 중성선의 위치를 확인해주세요”를 음성으로 출력한다. 그리고 결선 상태를 Display에 출력하여 설치자에게 시청각적으로 알려주도록 편의성에 중점을 두어 설계하였다. 오결선을 방지하기 위한 소프트웨어 코딩의 일부를 그림 12에 나타내었다.

4.1 오결선 검출 회로의 전기적 특성 실험

오결선 검출 회로의 입력전압 범위에 따른 출력특성은 그림 13과 같이 AC 110V 입력조건에서 Relay GPIO out이 “High”로 출력되는 동안 K3010의 Collector출력전압은 0.5V이하로 떨어지지 않아서 마이크로프로세서가 인식할 수 없으므로 검출되지 않았다. 이 결과로 광결합기의 CTR(Current Transfer Rate) 특성과 광결합기의 1차측 저항값(330kohm으로 인하여 K3010의 Collector로 흐르는 전류가 충분치 않았음을 알 수 있다. 그림 14와 같이 AC 180V 입력조건에서는 Relay GPIO out이 “High”로 출력되는 동안 K3010의 Collector출력전압은 검출 임계 전압으로 확인되었고, 그림 15와 같이 AC 220V 입력조건에서는 Relay GPIO out이 “High”로 출력되는 동안 K3010의 Collector출력전압이 정상적으로 검출되었다.

4.2 결선에 따른 실험

결선상태에 따른 음성안내 및 표시기의 동작을 실험하기 위하여 그림 16과 같이 구성하였다. 접지선에는 스위치를 연결하여 접지 미연결을 실험하고, 상과 중성선의 오결선은 전원 접속코드의 방향을 바꾸어 시험한 결과는 정상 연결 상태와 오결선 상태 그리고 접지 미연결 상태에 대해서 표 4와 같이 모두 정상으로 확인되었다.

4.3 오결선 검출 회로 서지내성실험

오결선을 검출 회로의 서지 내성을 실험하기 위한 Setup 사진은 그림 17과 같으며, 사용된 실험장비는 표 5와 같다. 서지내성을 확인하기 위한 시험 조건은 표 6과 같이 상과 중성선 간 그리고 중성선과 접지 간에 2, 4, 6, 8, 10 kV를 각각 정극성 10회 부극성 10회를 인가하였다. 실험한 결과는 표 6과 같이 모든 조건에서 서지내성이 문제가 없는 것으로 확인되었다.