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문제 정의
- 전기설비기술기준의 판단기준 제225조에 의하면 가로등 및 보안등 조명설비에는 지락이 발생하였을 때 전로를 자동으로 차단하는 지락차단장치를 시설하도록 규정하고 있으며, 가로등, 보안등에 LED 등기구를 사용하는 경우에는 KS C 7658(2009) "LED 가로등 및 보안등기구의 안전 및 성능요구사항“에 적합한 것을 시설하도록 규정하고 있다[7]. 따라서, 본 연구에서는 LED 가로등 및 경관조명의 정상 배선상태 및 수중 배선상태에서의 컨버터 2차측 DC 전로에 피복 손상이 발생하였을 때 대지로의 누설전류의 발생 유무와 교류측에 설치된 감전보호장치인 인체감전보호용 누전차단기의 동작 유무, LED 가로등 및 경관조명의 점등 특성 등에 대하여 실험, 분석하였다. 본 연구 결과는 LED 조명의 DC전로에서의 감전사고 예방과 감소, 전기안전 향상을 위한 LED 조명의 성능 향상을 위한 기술 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- LED 조명의 컨버터 2차측은 DC 전압이 출력되며 DC 전로를 통하여 LED 등기구로 인가된다. 이러한 컨버터 2차측의 DC 전로에서 이상이 발생하였을 때의 전기화재나 감전사고의 위험성에 대한 실험, 분석을 위하여 현장의 설치 조건과 같은 실험회로를 구성한 후 DC 전로의 피복이 손상되었을 때, 노출된 도체를 통하여 대지로 누전되는 1) 일반적인 배선상태에서의 누전에 의한 감전사고 위험성과, 2) 수중에서 누전되었을 때의 감전사고 위험성에 대하여 실험, 분석하였다.
- 단자간의 전압 및 저항은 멀티미터(88, Fluke, USA)를 이용하여 측정하였으며, 누설전류는 leakage current tester(CM-03, Prova, Taiwan)를 이용하여 측정하였다.
- 투명한 수조 내에 대지로부터 인출된 접지선을 전기적으로 접속한 접지극(판)을 수조 내에 설치하고 LED 조명설비의 컨버터 2차측 +극과 -극 전로를 수중에서 순차적으로 담궜을 때의 등기구의 동작 특성과 대지로의 누설전류 특성, 수조 내에서의 특성 변화에 대하여 실험, 분석하였다. 대지로의 누설전류는 leakage current tester(CM-03, Prova, Taiwan)를 이용하여 측정하였다.
- 그림 3은 수중에서의 DC 전로의 누전에 의한 감전위험성을 실험하기 위한 회로구성을 나타낸 것이다. 실험 회로는 교류 220V 60Hz의 전원을 입력받아 인체감전 보호용 누전차단기(ELB, 정격전류 20A, 정격감도전류 30mA, 30ms)를 거쳐 AC/DC 컨버터에서 교류를 직류로 변환한 후 DC 전로를 통하여 LED 등기구에 전원을 공급하도록 구성되어 있으며, 수중에서의 DC 전로의 누전에 의한 위험성 실험을 위하여 DC 전로의 전선 피복의 일부(+극 또는 -극) 또는 전부(+극 및 -극)가 수중에 노출되도록 하였으며, 이때 LED 등기구의 동작 특성과 수조에 설치된 접지극(판)을 통한 직류 누설전류의 특성을 측정, 분석하였다.
- 그림 10(a)과 (b)는 수중에서의 DC 누전 실험모습과 접지극(판)과 손상된 전선의 배치 상태를 나타낸 것이다. 투명한 수조 내에 대지로부터 인출된 접지선을 전기적으로 접속한 접지극(판)을 수조 내에 설치하고 LED 조명설비의 컨버터 2차측 +극과 -극 전로를 수중에서 순차적으로 담궜을 때의 등기구의 동작 특성과 대지로의 누설전류 특성, 수조 내에서의 특성 변화에 대하여 실험, 분석하였다. 대지로의 누설전류는 leakage current tester(CM-03, Prova, Taiwan)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- (2) 일반적인 상태에서의 직류 누전 특성에 대하여 실험, 분석한 결과, 비절연형 컨버터를 사용한 경우에는 컨버터의 1차측 접지극과 2차측의 +극과 -극이 전기적으로 분리되어 있지 않기 때문에 컨버터 2차측의 +극과 등기구 외함(또는 컨버터 1차측의 접지극)에 출력전압이 그대로 나타남을 볼 수 있었으며, 컨버터 2차측의 +극 또는 -극이 대지와 전기적으로 접속(누전)될 때에 접지선을 통하여 직류 전류가 누전됨을 확인할 수 있었고, 교류 전원측의 누전차단기는 동작하지 않았다. 그러나 절연형 컨버터를 사용한 경우에는 컨버터 2차측의 +극과 등기구 외함(또는 컨버터 1차측의 접지극)간에 전위차가 발생하지 않았으며, +극 또 -극이 대지와 전기적으로 접속(누전) 되더라도 접지극을 통한 누설전류는 발생하지 않았으며, LED 등기구는 정상적으로 점등하였다.
- (3) 수중에서 DC 전로가 누전되었을 때의 직류 누전특성에 대하여 실험, 분석한 결과, 비절연형 컨버터를 사용한 LED 조명은 수중에서 접지극(판)과 +극 또는 -극이 접촉한 경우에는 수중 아크가 발생하였으며, +극이 접촉한 경우에는 LED 등기구가 소등하였으며, -극이 접촉한 경우에는 밝기가 감소하였다. 또한 접지극(판)에 연결된 접지선을 통하여 직류 누설전류가 흐름을 확인할 수 있었다.
- 전압 측정은 멀티미터(88, Fluke, USA)를 이용하였다. 그림 5(a)는 컨버터 2차측의 +극 단자와 등기구 금속제 외함 간의 전압으로 32.8V로 측정되었으며, 또한, 1차측의 접지선과 2차측의 +극과의 전위차는 33.01V로 측정되었다. 그림 5(b)는 1차측의 접지극과 2차측의 -극간의 저항을 측정한 것으로 0.
- 전압 측정은 멀티미터(88, Fluke, USA)를 이용하였다. 그림 6(a)은 컨버터 2차측의 +극 단자와 등기구 금속제 외함 간의 전압으로 0.34V로 측정되었으며, 또한, 1차측의 접지선과 2차측의 +극과의 전위차는 0.57V로 측정되었다. 그림 6(b)는 1차측의 접지극과 2차측의 -극간의 저항을 측정한 것으로 OL(over range)로 표시되었다.
- 등기구의 외함(또는 대지)과 컨버터 출력측 사이에 감전경로가 형성되면 인체를 통하여 감전전류가 흐를 수 있음을 알 수 있다. 그림 5(c)는 +극에서 대지로 누전이 발생한 경우로 교류 전원측의 누전차단기는 동작하지 않았으며, LED 등기구는 정상적으로 점등하였으며 대지로 0.29A의 누설전류가 흐름을 확인할 수 있었다. 그림 5(d)는 -극에서 대지로 누전이 발생한 경우로 교류전원측의 누전차단기는 동작하지 않았으며, LED 등기구는 정상 점등되었으며, 대지로 누설전류는 흐르지 않았다.
- 5V로 측정되었다. 그림 7(c)은 +극에서 대지로 누전이 발생한 경우로 교류 전원측의 누전차단기는 동자하지 않았으며, LED 등기구는 점등과 소등을 반복하였다. 또한, 그림 7(d)은 -극에서 대지로 누전된 경우로 교류전원측의 누전차단기는 동작하지 않았으며, LED 등기구는 점등되지 않았다.
- LED 등기구는 정상적인 밝기 보다 어두운 상태로 점등되는 것을 볼 수 있었다. 노출된 -극과 접지극(판)을 1cm 정도 이격하여 근접하였을 때 접지극에서 약간의 기포가 생성되는 것을 볼 수 있었다. 이는 -극과 접지극을 통하여 미소한 전류가 누전되는 것을 보여주는 것이다.
- +극을 접지극에 접촉하였을 때 노출된 +극 전선과 접지극(판) 사이에서는 수중 아크가 발생하였으며, 접촉된 전선과 접지극은 용착되어 잘 분리되지 않았다. 누설전류계를 이용하여 대지로 흐르는 전류를 측정한 결과, 순간적으로 최대 5.71A의 전류가 누전되는 것을 확인할 수 있었다. LED 등기구는 접촉되는 동안에는 점등되지 않았다.
- 이는 접지극(판)과 전기적으로 접속된 접지선을 통하여 대지로 누전되는 것을 나타내는 것이다. 누설전류는 +극 및 -극 전로가 각극 접지극(판)과 접촉 또는 근접하였을 때 나타나는 특징과 동일하게 나타났으며, +극이 접지극에 접촉시에는 LED 등기구가 소등되고 -극이 접지극과 접촉시에는 약각 밝기가 어두워짐을 볼 수 있었다. 실험 후 전선의 상태를 확인할 결과, +극 전선의 도체는 쉽게 부서지며, -극 전선의 도체는 노란색으로 변색됨을 볼 수 있었다.
- 그림 11(d)은 +극과 -극 전로가 수중에 동시에 노출된 경우로, 접지극(판)을 통한 누설전류는 발생하지 않았으며, 접지극(판)을 +극 또는 -극과 근접 또는 접촉하여도 아크나 기포 등이 발생하지 않았다. 다만, 노출된 +극과 -극 전로사이에서는 수중 전기분해에 의해 -극에서 기포가 발생하였으며, +극 전로의 전선 피복은 발생한 열에 의해 용융하여 수중에 부유함을 확인하였다. 이상과 같이 절연형 컨버터를 사용한 LED 조명의 경우, 손상된 +극 또는 -극 전로가 수중에 노출되더라도 인체에 위해를 줄 수 있는 누설전류는 발생하지 않았으며, 비절연형 컨버터를 사용한 경우에 나타나는 접지극(판)에서의 기포도 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
- 그림 11(b)은 +극 전로가 수중에 노출되었을 때의 특성으로, 접지극(판)과 근접 또는 접촉하여도 그림 10(c)의 비절연형 컨버터를 사용한 경우와 달리 접지극(판)에서 기포가 발생하지 않았으며, 접지극을 통한 누설전류가 발생하지 않았다. 또한, +극과 접지극(판)을 접촉한 경우에도 수중 아크도 발생하지 않았으며, LED 경관조명은 정상적으로 점등하였다.
- 그림 11(c)은 -극 전로가 수중에 노출되었을 때로, 접지극과 근접 또는 접촉하여도 접지극(판)을 통한 누설전류는 발생하지 않았으며, 접지극(판)에서의 기포도 발생하지 않았다. 또한, LED 경관조명은 정상적으로 점등되었다.
- 누설전류는 +극 및 -극 전로가 각극 접지극(판)과 접촉 또는 근접하였을 때 나타나는 특징과 동일하게 나타났으며, +극이 접지극에 접촉시에는 LED 등기구가 소등되고 -극이 접지극과 접촉시에는 약각 밝기가 어두워짐을 볼 수 있었다. 실험 후 전선의 상태를 확인할 결과, +극 전선의 도체는 쉽게 부서지며, -극 전선의 도체는 노란색으로 변색됨을 볼 수 있었다.
- 다만, 노출된 +극과 -극 전로사이에서는 수중 전기분해에 의해 -극에서 기포가 발생하였으며, +극 전로의 전선 피복은 발생한 열에 의해 용융하여 수중에 부유함을 확인하였다. 이상과 같이 절연형 컨버터를 사용한 LED 조명의 경우, 손상된 +극 또는 -극 전로가 수중에 노출되더라도 인체에 위해를 줄 수 있는 누설전류는 발생하지 않았으며, 비절연형 컨버터를 사용한 경우에 나타나는 접지극(판)에서의 기포도 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
- 이상의 실험을 통해 비절연형 컨버터를 사용한 LED 조명의 경우, 일반적인 배선상태나 수중에서나 DC 전로의 피복 손상에 의한 누전 경로가 형성될 수 있으며, 이로 인해 인체의 감전사고의 위험이 있음을 확인할 수 있었다. 따라서, DC 전로에서의 누전에 의한 감전사고의 예방을 위하여 컨버터의 1차측과 2차측이 전기적으로 분리된 절연형 컨버터를 사용하는 것이 바람직하며, 향후, 관련기준 및 표준 등의 보완이 요구된다.
- 그림 6(c)과 (d)는 컨버터 2차측의 +극과 -극이 각각 대지로 누전되었을 때의 동작 특성을 나타낸 것으로 각각의 실험에서 LED 등기구는 정상적으로 점등되었으며, 대지로의 누설전류도 발생하지 않았으며, 교류전원측의 누전차단기도 동작하지 않았다. 이와 같이 절연형 컨버터를 사용한 LED 등기구의 컨버터 2차측 DC 전로가 일반적인 배선상태에서 누전되더라도 대지로 직류 누설전류가 발생하지 않으며, LED 등기구는 정상적으로 점등됨을 알 수 있다.
- 0V로 측정되었으며, 그림 8(c) 및 (d)는 CH1의 +극과 -극이 각각 대지로 누전되었을 때의 동작 특성을 나타낸 것으로 각각의 실험에서 LED 가로등기구는 정상적으로 점등되었으며, 대지로의 누설전류도 발생하지 않았으며, 교류 전원측의 누전차단기도 동작하지 않았다. 이와 같이 절연형 컨버터를 사용한 LED 등기구의 컨버터 2차측 DC 전로가 일반적인 배선상태에서 누전되더라도 대지로 직류 누설전류가 흐르지 않으며, LED 등기구는 정상적으로 점등됨을 알 수 있다.
- 그림 9는 A사 LED 조명의 컨버터 2차측 단자간 및 출력 단자(+극 또는 -극)과 접지극(접지판)간의 전압을 멀티미터(88, Fluke, USA)로 측정한 것이다. 측정결과, 컨버터의 출력전압은 32.22V이며, +극과 접지극(판) 사이에도 32.69 V, -극과 접지극(판) 사이에는 0.41V로 측정되었다. 이는 컨버터가 비절연형으로 1차측의 접지극과 대지로부터 인출한 접지극(접지판)이 전기적으로 연결되어 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 이상의 실험을 통해 비절연형 컨버터를 사용한 LED 조명의 경우, 일반적인 배선상태나 수중에서나 DC 전로의 피복 손상에 의한 누전 경로가 형성될 수 있으며, 이로 인해 인체의 감전사고의 위험이 있음을 확인할 수 있었다. 따라서, DC 전로에서의 누전에 의한 감전사고의 예방을 위하여 컨버터의 1차측과 2차측이 전기적으로 분리된 절연형 컨버터를 사용하는 것이 바람직하며, 향후, 관련기준 및 표준 등의 보완이 요구된다.
- DC 전로의 전기안전에 대한 지속적인 연구와 기술개발이 요구된다. 또한, 향후, 직류전원 기반의 배전, 전기기기 및 전기제품의 보급이 활성화될 것으로 예상되며, 이러한 변화에 대응하기 위한 선행적인 연구와 기술개발이 필요하다[8-11].
- 따라서, 본 연구에서는 LED 가로등 및 경관조명의 정상 배선상태 및 수중 배선상태에서의 컨버터 2차측 DC 전로에 피복 손상이 발생하였을 때 대지로의 누설전류의 발생 유무와 교류측에 설치된 감전보호장치인 인체감전보호용 누전차단기의 동작 유무, LED 가로등 및 경관조명의 점등 특성 등에 대하여 실험, 분석하였다. 본 연구 결과는 LED 조명의 DC전로에서의 감전사고 예방과 감소, 전기안전 향상을 위한 LED 조명의 성능 향상을 위한 기술 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이상과 같이 비절연형 컨버터를 사용한 LED 조명에 있어, +극과 -극이 전원측과 전기적으로 분리되어 있지 않기 때문에 전압이 유기되며, 유기된 전위차에 의해 수중에서도 누전이 발생함을 확인할 수 있으며, 수중에서의 감전사고 예방을 위하여 컨버터의 1차측과 2차측이 전기적으로 분리된 절연형 컨버터를 사용하는 것이 요구된다.
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