감전 및 과전류 보호 설계방법에 관한 기술지침(과전류보호 설계방법)
감전 및 과전류 보호 설계방법에 관한 기술지침(과전류보호 설계방법)
  • 김기현
  • 승인 2019.10.07
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김기현 대한전기협회 기술기준처 실장

2021년 1월 1일 적용 예정인 ‘한국전기설비규정(Korea electro-technical code, 이하 KEC)’은 전기설비의 안전하고 객관적인 설계ㆍ시공ㆍ유지관리 등을 목적으로 우리나라의 전기적 환경과 기술수준을 고려하고 국제표준 등의 기술적 근거를 검토해 제정 공고(산업부 공고 제2018-103호)되었다. KEC와 기존 판단기준의 큰 차이점으로는 저압 범위, 전선 식별, 접지 시스템, 감전 및 과전류 보호, 배선 공사 방법 등이 주로 국제표준에 부합화해 제·개정 되어 적용상에 차이가 있다. 그 중 차단기, 전선 등의 전기설비는 2000년 초 국제표준에 부합화해 국내에서 제작 및 설치 되고 있어 산업계 적용 혼동 방지와 국내 기술 발전을 위해 KEC 기준 적용이 시급한 부분이다.

이번 내용은 KEC의 방대한 분야 중에서 과부하전류 및 단락전류에 대한 보호 기준으로 KEC 212 과전류에 대한 보호에 대해 설명하고자 한다. 지난 3월 발간된 ‘감전 및 과전류보호 설계방법에 관한 기술지침’을 참고해 기준에서 제시하고자 하는 사항을 기술하여 과부하전류 및 단락전류에 대한 보호 설계 방법을 제시하고 본지에서 다루지 못한 구체적인 설계 예시 등은 상기 기술지침서에 수록된 내용을 참고하기 바란다.

❶ KEC의 과전류에 대한 보호 규정

한국전기설비규정에서 과전류에 대한 보호 설계는 제212호에서 규정하고 있다. 과전류에 대한 보호는 과전류의 영향으로부터 회로도체를 보호하기 위한 요구사항으로서 과부하 및 단락고장이 발생할 때 전원을 자동으로 차단하는 하나 이상의 장치에 의해서 회로도체를 보호하기 위한 방법을 규정하고 있다. 따라서 과전류로 인해 회로의 도체, 절연체, 접속부, 단자부 또는 도체를 감싸는 물체 등에 유해한 열적 및 기계적인 위험이 발생되지 않도록 그 회로의 과전류를 차단하는 보호장치를 설치해야 한다.

❷ 과전류보호 설계방법

가. 설계전류의 산출
회로 설계전류의 산출은 분기회로인 경우에는 부하의 효율과 역률 및 부하율이 고려된 부하최대전류를 의미하며 고조파 발생부하인 경우에는 고조파전류에 의한 선전류 증가분이 고려되어야 한다. 간선의 경우에는 추가로 수용률, 부하불평형률, 장래 부하증가에 대한 여유 등이 고려되어야 한다.

나. 과전류 보호장치의 정격전류 선정
(1) 과부하 보호장치의 정격전류 선정
(가) 부하의 설계전류를 고려한 과부하 보호장치의 정격전류 선정

과부하 보호장치의 정격전류는 정상운전시 흐르는 최대 사용전류와 비정상 조건에서 흐를 수 있는 전류, 이 전류가 흐를 것으로 예상되는 시간 등을 고려해 선정해야 한다. 따라서 다음의 조건에 적합하도록 선정하여야 한다.

(나) I2 ≤ 1.45I Z 를 고려한 과부하 보호장치의 정격전류 선정

과부하 보호장치의 규약동작전류( I 2 )는 케이블의 허용전류( IZ )의 1.45배 이하가 되도록 설정하여야 한다. 그림 2에서 1.45IZ 는 도체에 허용전류의 1.45배의 전류가 60분 간 지속될때 연속사용온도에 도달하는 지점이다. 이 점을 케이블의 과부하보호점이라고 하며 과부하 보호장치의 보호대상이 된다.

(다) 전동기의 기동전류를 고려한 과부하 보호장치의 정격전류 선정

전동기 분기회로 보호용 과부하 보호장치의 선정은 다음을 고려하여 선정하여야 한다.
① 전동기의 전기방식 및 전압
② 전동기의 정격출력, 효율, 역률
③ 전동기의 전전압 기동전류의 크기
④ 전동기의 기동방식
 ㉠ 전전압 기동방식 
 ㉡ Y-D 기동방식
 ㉢ 리액터 기동방식
 ㉣ 기동보상기 기동방식
 ㉤ Soft Starter 기동방식
 ㉥ Inverter 기동방식
⑤ 전동기의 기동시간
⑥ 전동기의 기동시 역률

(라) 과부하 보호장치의 정격전류 선정 순서


과부하 보호장치의 정격전류는 다음의 순서로 선정한다.

Step 1 : 부하의 설계전류를 고려한 과부하 보호장치의 정격전류 선정

Step 2 : I2 ≤ 1.45 IZ를 고려한 과부하 보호장치의 정격전류 선정

Step 3 : 전동기의 기동전류를 고려한 과부하 보호장치의 정격전류 선정

Step 4 : Step 1~Step 3의 과부하 보호장치의 정격전류 중 가장 큰 정격전류를 선정

다음은 KEC에서 규정하고 있는 저압전로의 전동기 보호용 과전류보호장치 시설에 관한 규정 내용이다.

(2) 단락 보호장치의 정격전류 선정

(가) 예상단락전류의 결정

단락고장이 발생 가능한 모든 지점에서의 단락고장전류는 계산 또는 측정에 의하여 결정해야 한다. 보호장치의 근접한 점(보호장치와 케이블의 접속점)에서의 단락전류와 가장 먼 지점(케이블과 부하의 접속점)의 단락전류 크기는 다르다.

보호장치는 어떠한 단락전류에 대하여도 확실하게 차단할 필요가 있다. 단락고장전류의 계산은 KS C IEC60909 표준에 따라 계산하여 적용할 필요가 있다.

(나) 단락고장에 의한 도체의 단시간허용온도에 도달하는 시간을 고려한 보호장치의 선정

① 단락고장전류에 의하여 도체의 단시간허용온도에 도달하는 시간(tz )의 계산

② 단락고장에 의한 보호장치의 동작배율(α)

 

③ 단락보호장치의 동작시간(tn)

적용된 보호장치 제조사의 보호장치 특성곡선에서 고장전류에 상당하는 동작배율과 차단특성곡선의 교점에 해당하는 시간이 단락보호장치의 차단시간이 된다.

④ 평가
• 적정 : tz ˃ tn
• 부적정 : tz ˂ tn

(다) 전동기의 기동돌입전류를 고려한 단락보호장치의 정격전류 선정
전동기회로에서 단락 보호장치의 동작전류 설정값은 회로의 단락고장 시 반드시 동작하여야 하며 기동 시 돌입전류에 의해 그림 4와 같이 오동작을 하지 않아야 한다.

단락보호장치의 정격전류는 전동기의 기동 시 돌입전류를 고려하여 다음과 같이 계산하여 적용하여야 한다.

(라) 단락보호장치의 차단용량선정
보호장치의 정격차단전류는 단락보호장치 설치점에서 예상단락고장전류보다 커야 한다. 보호장치의 정격차단전류를 선정하는 경우 전력계통에서 발생 가능한 전압변화, 선로정수의 변화 등을 고려해 예상단락고장전류에 설계여유를 25% 정도 가산하여 결정하는 것이 바람직하다.

(마) 단락 보호장치의 정격전류 선정 순서
단락 보호장치의 정격전류는 다음의 순서로 선정한다.

Step 1 : 회로의 단락고장전류를 계산한다.

Step 2 : 단락고장에 의한 도체의 단시간허용온도에 도달하는 시간을 고려한 단락보호장치의 정격전류 선정

Step 3 : 전동기의 기동돌입전류를 고려한 단락보호장치의 정격전류를 선정

Step 4 : Step 2~Step 3의 단락보호장치의 정격전류 중 가장 큰 정격전류를 선정

Step 5 : 겸용 보호장치를 사용하는 경우에는 과부하 보호 장치 정격전류의 선정 순서에서 결정된 Step 4와 단락 보호장치의 정격전류 선정 순서에서 결정된 Step 4 중 큰 값의 정격전류를 선정

Step 6 : 회로의 최대고장전류를 고려한 보호장치의 정격차단전류 선정

❸ 결론

현행 전기설비기술기준의 판단기준에서 과전류 보호를 위한 관련 기준은 제38조(저압전로 중의 과전류차단기의 시설)와 간선 및 분기회로의 과전류 차단기 시설 기준은 제174조(전동기의 과부하 보호장치의 시설), 제175조(간선의 시설), 제176조(분기회로의 시설)에서 규정하고 있다.

판단기준 제176조의 표 176-1, 176-2에서는 차단기 정격에 따라 콘센트 종류 및 저압 옥내배선의 굵기를 일률적으로 제시하고 있는 반면 한국전기설비규정 제212 과전류에 대한 보호에서 과전류 보호장치의 정격전류 선정은 부하의 특성에 따라 선정하도록 하였다.

부하의 특성이 기동전류 및 기동돌입전류가 있는 부하(전동기, 변압기, X선 발생 장치 등)의 경우에는 이를 고려해 과전류 보호장치의 정격 전류를 선정하여야 한다. 따라서 이번 호에서는 KEC의 과전류보호 설계방법에 대하여 2019년에 발간된 기술지침서(감전 및 과전류보호 설계방법에 관한 기술지침)를 참조해 관련 내용을 간략히 설명했다.

지침서에서는 다양한 현장 조건을 고려하여 예제가 제시되어 있다. 이를 참조해 과전류보호 설계를 통한 일반인 및 전기기술자가의 안전이 확보가 되고 전기설비 및 기기가 최대의 성능을 발휘할 수 있도록 설계되어야 할 것이다.



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