[논문]누전차단기의 충격파 부동작 특성과 EMC 성능 비교분석

김언석; 한윤탁; 김봉성; 정중일; 정병하; 김재철

문제 정의

국내 KS 규격의 충격파 부동작 특성과 IEC 국제규격에 의한 EMC 성능을 비교하기 위하여 성능 평가를 실시하였다. 시료는 임의로 선정된 17종의 누전 및 과전류 겸용 누전 차단기를 사용하였다.
국내 감전 및 과부하 보호 겸용 누전 차단기에 대한 충격파 부동작 특성 및 EMC 특성에 대하여 고찰하였다. 먼저 국내 KS 규격과 EEC 국제규격의 EMC 항목을 비교하여 보았다.
본 논문에서는 전자기 적합성 (Electromagnetic Compatibility, EMC) 관점에서 누전 차단기의 오동작 특성을 검토하였다. 국내에서는 누전 차단기에 대하여 충격파 부동작 성능만 포함하고 있다.
(1) 충격파 부동작。00[曲) Ring 서지전류) 시험은 국내 규격의 명칭이고, 국제규격에서는 200CA] 의 100[曲] Ring 서지 전류 부동작 시험에 해당된다. 이 시험은 영상변류기에 서지전류를 홀렸을 때 오동작을 확인하는 것이다. KS 규격에서는 임펄스파형 발생장치 출력에 병렬로 연결된 100[kSa저항 및 0.

제안 방법

먼저 국내 KS 규격과 EEC 국제규격의 EMC 항목을 비교하여 보았다. 그리고 17종의 누전 차단기에 대하여 EMC 성능 평가를 실시하였다. 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
국내 감전 및 과부하 보호 겸용 누전 차단기에 대한 충격파 부동작 특성 및 EMC 특성에 대하여 고찰하였다. 먼저 국내 KS 규격과 EEC 국제규격의 EMC 항목을 비교하여 보았다. 그리고 17종의 누전 차단기에 대하여 EMC 성능 평가를 실시하였다.
주요 고장 원인은 전자회로 및 배리스터 파괴였다. 충격파 부동작 실험은 서지전압 실험에서 고 장 나지 않은 8종과 오동작만 발생한 2종을 더하여 총 10종에 대하여 실시하였다. 10종 모두 오동작이 발생하지 않았다.
(7) 무선주파방사내성시험은 IEC 국제규격에만 적용된다. 평가 개념은 1M 높이의 목재 테이블에 누전 차단기를 설치하고 고주파 전계를 안테나를 통하여 차단기 전면에 인가하여 오동작 여부를 확인한다. 시험은 IEC 61000-4-3에 따라 실시하며, 시험 주파수는 80[MHd에서 100에板까지이고 이때 전계 강도는 3[V/m]이다.
(3) 정전기 내성시험은 IEC 국제규격에만 적용된다. 평가 개념은 누전차단기의 금속 파트에 6[kYl를 방전시키거나 절연 파트에 8[kV] 전압을 방전시켜 오동작이나 전자부품 파괴 여부를 확인한다. 국내 제품은 대부분 금속 파트가 ' 없으므로 8[kW의 기중방전 시험만 실시하면 된다.

대상 데이터

국내 KS 규격의 충격파 부동작 특성과 IEC 국제규격에 의한 EMC 성능을 비교하기 위하여 성능 평가를 실시하였다. 시료는 임의로 선정된 17종의 누전 및 과전류 겸용 누전 차단기를 사용하였다. 누전 차단기의 정격은 모두 동일하며, 형상은 크게 2종으로 그림 2와 같다.
평가 개념은 1M 높이의 목재 테이블에 누전 차단기를 설치하고 고주파 전계를 안테나를 통하여 차단기 전면에 인가하여 오동작 여부를 확인한다. 시험은 IEC 61000-4-3에 따라 실시하며, 시험 주파수는 80[MHd에서 100에板까지이고 이때 전계 강도는 3[V/m]이다.
평가 개념은 고주파 전압이 전원 단자와 접지 사이에 인가될 때 오동작 여부를 확인하는 것이다. 시험은 IEC 61000-4-6에 따라 공통 모드만 실시하며, 시험 주파수는 150[阙에서 800版까지이고 시험 전압은 3[V]이다.
10종 모두 오동작이 발생하지 않았다. 심지어서지전압 실험에서 오동작이 발생한 시료 2종도 정상으로 판정되었다. 이것으로 보아 서지 전압 실험과 충격파 부동작 실험은 서로 상관관계가 없음을 알 수 있다 전체적인 실험 결과로 보아, 국내 누전차단기는 조합서지전압 성능만 보강하면 국제규격에 따른 성능평가를 실시하여도 큰 문제가 없을 것으로 판 단된다.

이론/모형

누전 차단기의 오동작에 관한 연구는 초기에는 KS C 4613에서 언급한 충격파 부동작 특성을 기준으로 하였다[126]. 이것은 누전 차단기의 영상변류기를 관통하는 낙뢰 전류에 의한 오동작 특성에 관한 것이다.
이에 상승시간이 매우 빠른 서지를 인가한다. 시험은 IEC 61000-4-4에 따라 실시하며, 주파수가 높은 관계로 주로 디지털 회로를 교란시킨다. 시험 전압은 4[kV]이며 1분 이상 인가 한다.
누전 차단기의 정격은 모두 동일하며, 형상은 크게 2종으로 그림 2와 같다. 시험은 IEC 61009-1에 따른 서지전류 및 서지전압 시험을 실시하였다. 서지전류는 EC 61000-4-12에 따른 1000靦 Ring 파형 및 IEC 61000-4-5에 따른 조합서지 파형이대:그림 3], 그림 4는 국제규격에 의한 실험장면 이다.

성능/효과

(1) 국제규격에 따른 조합서지 내 성 실험에서 17종의 누전차단기 중 9종이 불량이었다. 나머지 다른 시험 항목에서는 불량 발생이 없었다.
(2) 9종의 고장 모드를 분석한 결과 오동작만 발생한 경우는 2종이고, 나머지 1종은 사용이 불가능한 완전고장이었다. 누전 차단기의 완전고장올.
(3) 7종의 영구 고장 제품 중에서 5종은 트립되지 않으면서 영구 고장이 발생되었다. 이런 종류의 고장은 누전이나 과전류 발생 시 감전사고나 화재가 발생할 수 있기 때문에 대책이 필요하다고 판단된다.
(4) Mini 타입 4종 중에서 3종이 불량이었다. 원인은 부품가의 간격이 협소하기 때문이라고 생각되며 최적의 설계가 필요함을 알았다.
국내에서도 2004년 7월부터는 국제규격에 따른 성능 평가를 하여야 하므로 이에 대한 검토가 필요하다. 본 논문에서 누전 차단기 17종에 대하여 EMC 4 항목을 실시한 결과, IEC 61000~4~5에 따른 서지내성에서 9종이 불량이었고, 다른 항목에서는 불량이 발생하지 않았다. 오동작만 발생한 시료 2종에 대하여 충격파 부동작 성능을 평가한 결과 오동작이 발생하지 않았다.
실험 결과는 표 3에 정리하였다. 실험 결과, 누전 차단기 17종 중에서 IEC 규격에 따른 조합서지 전압 실험에서 9종이 고장 또는 오동작하였다. 나머지 4종 실험에서는 어떠한 고장이나 오동작도 발생하지 않았다.
본 논문에서 누전 차단기 17종에 대하여 EMC 4 항목을 실시한 결과, IEC 61000~4~5에 따른 서지내성에서 9종이 불량이었고, 다른 항목에서는 불량이 발생하지 않았다. 오동작만 발생한 시료 2종에 대하여 충격파 부동작 성능을 평가한 결과 오동작이 발생하지 않았다. 이것으로 보아 EMC와 충격파 부동작 시험은 상관관계가 적으므로 국내 제품에도 EMC 시험이 필요함을 알 수 있다.
심지어서지전압 실험에서 오동작이 발생한 시료 2종도 정상으로 판정되었다. 이것으로 보아 서지 전압 실험과 충격파 부동작 실험은 서로 상관관계가 없음을 알 수 있다 전체적인 실험 결과로 보아, 국내 누전차단기는 조합서지전압 성능만 보강하면 국제규격에 따른 성능평가를 실시하여도 큰 문제가 없을 것으로 판 단된다.

후속연구

추후 연구과제로 이번 평가에서 제외된 3종의 추가적인 EMC 실험 실시하고, 이번 실험에서 고장 또는 오동작이 발생한 시료에 대한 개선대책을 마련하고 이를 입증하는 것이다.

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