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문제 정의
- 또한 서지로부터 누전차단기가 보호되도록 SPD를 설치하는 것이 기본적 요건이므로 누전차단기와 SPD를 병설하는 경우 각각의 고유기능과 역할을 할 수 있도록 설치하여야 한다. 본 논문에서는 저압 수용가의 전원계통에서 전원 측 또는 부하 측에서 입사하는 서지에 대한 누전차단기에 내장된 금속산화물 바리스터 (metal oxide varistor: MOV)와 SPD와의 보호협조 및 누전차단기의 의도하지 않은 트립동작 여부를 파악하기 위해서 누전차단기와 SPD의 보호협조에 대한 연구결과를 기술하였다. 누전차단기의 하위에 SPD를 설치한 60Hz, 220V 전원회로에 뇌임펄스전압이 전원 측 또는 부하 측에서 입사하였을 때 누전차단기에 내장된 MOV와 SPD에 분류되는 전류와 제한전압을 측정하고, RCD의 의도하지 않은 트립동작의 여부을 분석하였다.
가설 설정
- 누전차단기와 SPD가 최적인 보호협조를 이루기 위해서는 SPD의 동작개시전압이 누전차단기에 내장된 MOV의 동작개시전압보다 낮거나 같은 정도의 상태가 적절할 것이다. 이러한 조건에서는 서지전압이 입사되었을 때 우선적으로 SPD가 작동하여 차단하며 잔류전압이 누전차단기에 입사되면 누전차단기에 내장된 MOV가 작동하여 제한하는 특성으로 이루어져야 한다.
제안 방법
- IEEE-Std C62.45[7] 서지시험에 요구되는 임펄스발생장치를 이용하여 1∼6kV의 임펄스전압을 인가하였으며, 최대 방전전류는 약 3kA이다.
- 1A/V이고 주파수대역이 15MHz인 전류프로브로 검출하고, 잔류전압은 주파수대역 100MHz인 능동성 차동프로브로 측정하였다. 검출된 전압과 전류 신호는 주파수대역 400MHz인 오실로스코프로 관측하였다. SPD 시료로는 220V 저압 전원회로의 뇌서지를 방호하는 SPD를 선정하였으며, 상세한 규격은 표 1에 나타내었다.
- 표준은 KS C IEC 60947과 KSC IEC 61009-1을 적용하여 시험하였다[8-9]. 뇌서지가 배전용 변압기를 통하여 입사하는 것을 상정하여 평가대상 시료의 전방 30m에서 임펄스전압을 인가하였다. 임펄스전류는 감도 0.
- 누전차단기의 하위에 SPD가 설치된 경우 뇌서지가 전원 인입선으로 입사한 경우와 TV안테나, 접지 등 SPD의 하위에서 입사한 경우 SPD의 서지보호효과 및 누전차단기의 의도하지 않은 트립동작의 여부 등 보호협조에 대하여 실험적으로 조사하였다.
- 본 논문에서는 저압 수용가의 전원계통에서 전원 측 또는 부하 측에서 입사하는 서지에 대한 누전차단기에 내장된 금속산화물 바리스터 (metal oxide varistor: MOV)와 SPD와의 보호협조 및 누전차단기의 의도하지 않은 트립동작 여부를 파악하기 위해서 누전차단기와 SPD의 보호협조에 대한 연구결과를 기술하였다. 누전차단기의 하위에 SPD를 설치한 60Hz, 220V 전원회로에 뇌임펄스전압이 전원 측 또는 부하 측에서 입사하였을 때 누전차단기에 내장된 MOV와 SPD에 분류되는 전류와 제한전압을 측정하고, RCD의 의도하지 않은 트립동작의 여부을 분석하였다. 또한 SPD와 RCD의 보호협조와 기능의 적합성 여부 등을 조사하고 검토하였다.
- 누전차단기의 하위에 SPD를 설치한 60Hz, 220V 전원회로에 뇌임펄스전압이 전원 측 또는 부하 측에서 입사하였을 때 누전차단기에 내장된 MOV와 SPD에 분류되는 전류와 제한전압을 측정하고, RCD의 의도하지 않은 트립동작의 여부을 분석하였다. 또한 SPD와 RCD의 보호협조와 기능의 적합성 여부 등을 조사하고 검토하였다.
- 저압 수용가에서 누전차단기의 하위에 SPD를 설치한 경우 배전용 변압기 2차 측의 인입선을 통하여 뇌서지가 입사하는 것을 상정한 실험 회로를 그림 2에 나타내었다. 또한 저압 수용가 설비의 하위에서 뇌서지가 입사한 경우를 모의하는 실험은 그림 2에서 RCD와 SPD의 위치를 교환하여 수행하였다.
- 뇌서지가 배전용 변압기를 통하여 입사하는 것을 상정하여 평가대상 시료의 전방 30m에서 임펄스전압을 인가하였다. 임펄스전류는 감도 0.1A/V이고 주파수대역이 15MHz인 전류프로브로 검출하고, 잔류전압은 주파수대역 100MHz인 능동성 차동프로브로 측정하였다. 검출된 전압과 전류 신호는 주파수대역 400MHz인 오실로스코프로 관측하였다.
- 저압 수용가 설비에서 뇌서지가 전원 측 또는 부하 측에서 입사한 경우 SPD와 RCD의 보호협조특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 저압 수용가의 전원회로를 모의하기 위하여 누전차단기의 하위 1m의 위치에 SPD를 설치하고 누전차단기의 전방 30m 위치에서 조합파 임펄스발생기를 이용 하여 임펄스전압을 입사시켰을 때 입사전류, RCD와 SPD로 분류된 전류 및 RCD와 SPD의 단자전압의 파형을 그림 3에 나타내었다.
- 인가전압의 크기가 3kV 이상에서 입사된 서지전류가 SPD로 분류된 비중이 누전차단기에 내장된 MOV로 흐른 전류보다 큰 것으로 나타났으며, 이러한 추세는 인가전압이 높아짐에 따라 보다 현저하게 나타났다. 즉 이 조건의 동작모드는 입사된 서지전압에 대하여 우선적으로 누전차단기에 내장된 MOV가 작동하여 차단하였으며, 이어 SPD가 동작하여 서지전류를 처리하는 방식으로 이루어졌다.
대상 데이터
- 검출된 전압과 전류 신호는 주파수대역 400MHz인 오실로스코프로 관측하였다. SPD 시료로는 220V 저압 전원회로의 뇌서지를 방호하는 SPD를 선정하였으며, 상세한 규격은 표 1에 나타내었다. 또한 누전차단기의 시료로는 국내에서 시판되고 있는 정격감도전류 30mA, 정격차단전류 2.
- SPD 시료로는 220V 저압 전원회로의 뇌서지를 방호하는 SPD를 선정하였으며, 상세한 규격은 표 1에 나타내었다. 또한 누전차단기의 시료로는 국내에서 시판되고 있는 정격감도전류 30mA, 정격차단전류 2.5kA, 동작시간은 0.03초 이내의 성능을 갖는 30A 고감도형 인체감전 보호용 누전차단기 6종을 선택하였다.
이론/모형
- 45[7] 서지시험에 요구되는 임펄스발생장치를 이용하여 1∼6kV의 임펄스전압을 인가하였으며, 최대 방전전류는 약 3kA이다. 표준은 KS C IEC 60947과 KSC IEC 61009-1을 적용하여 시험하였다[8-9]. 뇌서지가 배전용 변압기를 통하여 입사하는 것을 상정하여 평가대상 시료의 전방 30m에서 임펄스전압을 인가하였다.
성능/효과
- (1) 저압 수용가의 전원회로에서 누전차단기의 부하 측에 SPD를 설치된 경우 전원 측에서 입사한 서지전류의 대부분이 SPD보다 누전차단기에 내장된 MOV로 분류되어 보호협조가 적합하지 않은 것으로 밝혀졌다.
- (2) 부하 측에서 뇌서지가 침입하는 경우 누전차단기와 SPD로 서지전류에 대한 전류분담은 적절하게 이루어졌으나 SPD와 누전차단기에 내장된 MOV의 동작개시전압의 차이 때문에 정상적인 보호협조는 이루어지지 않았으며, 시료 6개 중에서 3개의 누전차단기는 의도하지 않은 트립 동작을 일으켰다.
- (3) 서지에 대한 RCD와 SPD 성능의 협조가 부합하지 않는 경우 SPD를 설치할 때 누전차단기의 서지에 대한 특성과 성능을 정확하게 검토하여야 적절한 보호협조가 이루어질 것으로 확인되었다.
- RCD의 단자전압이 SPD의 단자전압보다 낮으며, 임펄스전압에 대하여 동작하는 통전시간도 길게 나타났다. 즉 SPD의 동작개시전압이 높으므로 도통상태가 중지되어도 RCD에 내장된 MOV는 계속 도통되어 전압을 제한하고 전류를 방류하는 것으로 나타났다.
- 2/50㎲의 임펄스전압에 의해 흐르는 전형적인 8/20㎲ 임펄스전류의 파형을 나타내었다. 누전차단기로 분류되는 뇌서지전류가 SPD로 흐르는 전류보다 훨씬 크게 나타났으며, SPD의 단자전압은 누전차단기의 단자전압보다 약간 낮게 나타났다. 임펄스전압의 크기에 따른 RCD와 SPD로 분류되는 전류를 그림 4, 그리고 SPD의 단자전압을 그림 5에 나타내었다.
- 누전차단기에 내장된 MOV에 흐르는 전류는 모든 실험조건에서 0.5kA이하이었으며, 인가전압에 따라 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 따라서 SPD와 RCD의 단자전압의 차 즉, 인가전압이 증가함에 따라 SPD로 분류되는 전류의 비중이 많아지므로 배선에서의 전압강하는 작아지는 것으로 나타난 것이다.
- 이러한 조건에서는 서지전압이 입사되었을 때 우선적으로 SPD가 작동하여 차단하며 잔류전압이 누전차단기에 입사되면 누전차단기에 내장된 MOV가 작동하여 제한하는 특성으로 이루어져야 한다. 또한 입사된 임펄스전압에 대해 SPD와 누전차단기에 내장된 MOV에 의해 제한된 SPD와 RCD의 단자전압은 인가전압의 크기가 증가함에 따라 증가하였고, SPD의 단자전압이 RCD의 단자전압보다 더 높음을 확인할 수 있다. SPD와 MOV가 입사된 서지전압에 대하여 모두 동작상태일 때의 단자전압으로 제한전압과 배선의 전압강하의 합이기 때문이다[11].
- 입사된 서지전류는 우선적으로 SPD에 의해서 처리되어야 하며, 누전차단기에 내장된 MOV는 의도하지 않은 트립의 방지가 주 기능으로 작동하여야 한다[10]. 모든 실험조건에서 입사된 임펄스전류가 SPD보다는 누전차단기에 내장된 MOV를 통하여 훨씬 많은 전류가 분류되었으며, 대단히 부적절한 전류분담의 조건으로 보인다.
- 인가전압 2kV이하에서 입사된 서지전류는 SPD와 누전차단기에 내장된 MOV로 분류되었으며, 누전차단기에 내장된 MOV로 분류된 전류가 SPD로 분류된 전류에 비하여 약간 큰 것으로 관측되었다. 인가전압의 크기가 3kV 이상에서 입사된 서지전류가 SPD로 분류된 비중이 누전차단기에 내장된 MOV로 흐른 전류보다 큰 것으로 나타났으며, 이러한 추세는 인가전압이 높아짐에 따라 보다 현저하게 나타났다.
- 인가전압 2kV이하에서 입사된 서지전류는 SPD와 누전차단기에 내장된 MOV로 분류되었으며, 누전차단기에 내장된 MOV로 분류된 전류가 SPD로 분류된 전류에 비하여 약간 큰 것으로 관측되었다. 인가전압의 크기가 3kV 이상에서 입사된 서지전류가 SPD로 분류된 비중이 누전차단기에 내장된 MOV로 흐른 전류보다 큰 것으로 나타났으며, 이러한 추세는 인가전압이 높아짐에 따라 보다 현저하게 나타났다. 즉 이 조건의 동작모드는 입사된 서지전압에 대하여 우선적으로 누전차단기에 내장된 MOV가 작동하여 차단하였으며, 이어 SPD가 동작하여 서지전류를 처리하는 방식으로 이루어졌다.
- 임펄스전압이 증가함에 따라 대부분의 전류가 RCD 에 내장된 MOV로 분류되며, 인가전압 3kV 이상에서 SPD로 약간의 전류가 분류되는 것으로 나타났다. 입사된 서지전류는 우선적으로 SPD에 의해서 처리되어야 하며, 누전차단기에 내장된 MOV는 의도하지 않은 트립의 방지가 주 기능으로 작동하여야 한다[10].
- 더불어 저압 전원계통에 접속된 전기전자시스템의 뇌서지에 대한 방호를 위해서는 SPD의 동작개시전압 즉, 전압보호레벨과 누전차단기에 내장된 MOV의 전압보호레벨을 검토하여 적절한 보호협조가 이루어지는 조건이 되도록 설치하여야 함을 시사하고 있다. 입사된 임펄스전압이 SPD 또는 누전차단기에 내장된 MOV에 의해 제한된 SPD와 RCD의 단자전압은 인가전압의 크기가 증가함에 따라 증가하였다. RCD와 SPD 사이의 거리가 약 1m이지만 RCD의 단자전압이 SPD의 단자전압보다 더 높음을 확인할 수 있다.
- RCD의 단자전압이 SPD의 단자전압보다 낮으며, 임펄스전압에 대하여 동작하는 통전시간도 길게 나타났다. 즉 SPD의 동작개시전압이 높으므로 도통상태가 중지되어도 RCD에 내장된 MOV는 계속 도통되어 전압을 제한하고 전류를 방류하는 것으로 나타났다. 또한 누전차단기에 내장된 MOV의 도통시간이 길기 때문에 통전전류의 상승시간과 변동이 완만하게 된 것이다.
후속연구
- 본 실험조건은 실제 주택이나 저압 수용가 부하의 전원회로와 유사한 조건으로 기존에 서지방호장치를 설치하였다면 기능과 보호성능에 대한 심층적인 분석이 요망된다. 더불어 저압 전원계통에 접속된 전기전자시스템의 뇌서지에 대한 방호를 위해서는 SPD의 동작개시전압 즉, 전압보호레벨과 누전차단기에 내장된 MOV의 전압보호레벨을 검토하여 적절한 보호협조가 이루어지는 조건이 되도록 설치하여야 함을 시사하고 있다.
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