소개
산업 및 상업 설비의 전기 안전은 보호 방법 간의 선택 문제가 아니라, 이들이 어떻게 함께 작동하는지 이해하는 데 달려 있습니다. 많은 시설 관리자와 계약업체는 “이러한 장치들이 같은 역할을 하는 것이 아닌가?”라는 공통적인 질문에 직면합니다. 이 질문에 대한 답은 전기 보호에 대한 근본적인 진실을 드러냅니다.
접지, GFCI(지락 차단기) 또는 RCD(잔류 전류 장치) 및 서지 보호 장치는 전기 시스템의 서로 다른 고장 모드를 해결합니다. 이들은 중복적인 것이 아니라, 서로 다른 위협으로부터 보호하는 상호 보완적인 계층입니다. 적절하게 접지된 시스템은 번개로 인한 전압 스파이크로부터 장비를 보호하지 못합니다. 서지 보호기는 지락으로 인한 감전을 예방하지 못합니다. 그리고 RCD는 정상 작동 중에 전압을 안정화할 수 없습니다.
이 가이드는 각 보호 기둥을 분석하고, 무엇을 보호하는지(그리고 무엇을 보호하지 않는지) 설명하며, 인력과 장비를 모두 보호하면서 IEC 및 NEC 표준을 충족하는 완전한 안전 시스템을 지정하는 방법을 보여줍니다.
기둥 1: 접지 시스템
접지의 역할
접지(또는 접지 연결)는 전기 시스템과 지구 사이에 의도적인 저임피던스 연결을 생성합니다. 이를 전기 안전의 기초라고 생각하십시오. 접지가 없으면 다른 두 기둥은 제대로 작동할 수 없습니다.
접지 시스템은 설비의 모든 비전류 금속 부품(장비 인클로저, 전선관 및 구조용 금속)을 지구에 묻힌 접지 전극에 연결합니다. 이는 고장 전류가 흐를 수 있는 안전한 경로를 제공합니다.
접지의 보호 방법
인력 안전: 고장으로 인해 장비 인클로저에 전기가 흐르면(느슨한 전선이 금속 케이스에 닿음), 접지 도체는 지구로의 저저항 경로를 제공합니다. 이는 위험한 접촉 전압을 방지하고 과전류 장치를 트립하기 위해 빠른 고장 전류 흐름을 보장합니다.
화재 예방: 고장 전류를 안전하게 전달함으로써 접지는 화재를 유발할 수 있는 전선 과열 및 아크를 방지합니다. 높은 고장 전류는 회로 차단기 또는 퓨즈를 작동시켜 문제를 격리합니다.
전압 안정화: 접지는 전기 시스템의 기준점을 설정하여 정상 작동 중에 안정적인 전압을 유지합니다. 이는 민감한 산업 제어 장비에 매우 중요합니다.
과전압 보호: 낙뢰 및 유틸리티 라인 서지는 지구로의 경로가 필요합니다. 접지는 이 경로를 제공하지만 완전한 보호를 위해서는 서지 보호 장치와의 조정이 필요합니다.
IEC 60364 및 NEC Article 250 요구 사항
국제 표준은 소스와 설비가 지구와 관련되는 방식에 따라 접지 시스템을 분류합니다.
| 시스템 유형 | 소스 연결 | 노출된 부품 연결 | 일반적인 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| 테네시주 | 중성선 직접 접지 | 별도의 PE 도체를 통해 연결됨 | 새로운 산업 설비에서 가장 일반적임 |
| 티엔에스-씨에스 | 결합된 PEN 도체, 나중에 분리됨 | PEN에 연결된 다음 별도의 PE | 건물 서비스 입구 구성 |
| TT | 소스 접지 | 독립적인 로컬 접지 전극 | 유틸리티 접지를 사용할 수 없는 경우 필요, RCD 필요 |
| IT | 절연 또는 고임피던스 접지 | 로컬 접지 연결 | 연속성이 필요한 병원, 중요 프로세스 |
NEC Article 250은 50V 이상의 시스템에 대한 접지를 의무화합니다. 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 접지 전극 시스템: 금속 수도관, 건물 강철, 콘크리트 내장 전극(Ufer 접지) 및 접지봉은 함께 결합해야 합니다.
- 장비 접지 도체(EGC): 모든 회로에 필요하며, 과전류 장치 정격에 따라 표 250.122에 따라 크기가 결정됩니다.
- 효과적인 지락 전류 경로: 영구적이고 연속적이며 저임피던스여야 합니다. 지구만으로는 효과적인 지락 경로가 될 수 없습니다.
접지가 할 수 없는 것
전류 누설 감지 불가: 절연된 표면에 서 있는 동안 활선 도체를 만지는 사람은 보호되지 않습니다. 접지 시스템이 감지할 수 있는 접지로의 경로가 없기 때문입니다. 이것이 RCD가 필수적인 이유입니다.
과도 과전압 제한 불가: 접지가 서지 전류에 대한 경로를 제공하지만 전압을 안전한 수준으로 고정하지는 않습니다. 이를 위해서는 SPD가 필요합니다.
모든 충격 방지 불가: 활선과 중성선을 동시에 접촉하면 전류가 접지를 통해 흐르지 않으므로 시스템은 균형 잡힌 전류를 감지하고 트립하지 않습니다.
기둥 2: GFCI/RCD 보호
RCD의 역할
잔류 전류 장치(RCD) - 북미에서는 지락 차단기(GFCI)라고 함 -는 감전으로부터 사람들을 보호하도록 특별히 설계된 생명을 구하는 장치입니다. 이들은 전류 균형을 모니터링하고 위험한 누설에 밀리초 단위로 반응합니다.
수동적인 고장 경로를 제공하는 접지와 달리 RCD는 회로를 적극적으로 모니터링하고 사람의 몸과 같이 의도하지 않은 경로를 통해 전류가 흐르는 것을 감지하는 즉시 트립합니다.
RCD 작동 방식
RCD는 활선 및 중성선 도체가 모두 통과하는 차동 전류 변압기(코어 밸런스 변압기)를 사용합니다. 정상 작동 시 활선 도체를 통해 나가는 전류는 중성선을 통해 돌아오는 전류와 같습니다. 자기장이 상쇄됩니다.
지락이 발생하면(누군가가 활선 부품을 만지거나 절연이 파손됨) 전류가 접지로 누설됩니다. 이는 불균형을 만듭니다. 감지 코일은 이 차이를 감지하고 2차 권선에 전류를 유도하여 릴레이 메커니즘을 트립합니다. 전체 프로세스는 10-30밀리초가 걸립니다.
감도 및 응답 시간
IEC 61008은 정격 잔류 작동 전류(IΔn)로 RCD 감도를 정의합니다.
| 감도 등급 | IΔn 정격 | 전형적인 응용 프로그램 | 트립 시간 |
|---|---|---|---|
| 고감도 | 5 mA, 10 mA, 30 mA | 인체 보호, 직접 접촉에 대한 추가 보호 | 일반적으로 10-30 ms; 최대 300 ms |
| 중간 감도 | 100 mA, 300 mA, 500 mA, 1000 mA | 산업 설비의 화재 보호 | IEC 61008 시간-전류 곡선 기준 |
| 낮은 감도 | 3 A, 10 A, 30 A | 기계 보호, 장비 격리 | 특정 용도 |
인체 보호를 위해 30 mA가 표준입니다. 이 임계값은 건강한 성인의 심실세동을 방지할 수 있을 만큼 낮으면서도 대규모 설비의 정상적인 누설로 인한 오작동을 피할 수 있을 만큼 높습니다.
IEC 61008/61009에 따른 RCD 유형
AC 유형: 정현파 AC 잔류 전류만 감지합니다. 난방 및 조명과 같은 저항 부하에 적합합니다.
유형 A: AC 및 맥동 DC 잔류 전류를 모두 감지합니다. DC 고장 성분을 생성할 수 있는 최신 전자 제품, 가변 속도 드라이브 및 정류기 기반 부하에 필요합니다.
유형 B: AC, 맥동 DC 및 평활 DC 잔류 전류를 감지합니다. IEC 61851 및 IEC 62196에 따라 EV 충전소, 태양광 인버터 및 산업용 주파수 변환기에 필수적입니다.
유형 F: 고주파 간섭에 대한 내성이 강화된 Type A입니다. IT 장비 및 모터 제어 센터에 사용됩니다.
RCD가 할 수 없는 것
선간 접촉에 대한 보호 없음: 누군가가 동시에 활선과 중성선을 만지면 RCD는 균형 잡힌 전류를 감지하고 트립되지 않습니다. 전류가 접지로 누설되지 않습니다.
아 과전류 보호: RCD는 과부하 또는 단락으로부터 보호하지 않습니다. MCB 또는 MCCB의 다운스트림에 설치하거나 RCBO(결합 장치)를 사용해야 합니다.
서지 보호 없음: RCD는 전압 스파이크가 아닌 전류 불균형을 감지합니다. 낙뢰 서지는 RCD 보호가 있더라도 장비를 손상시킬 수 있습니다.
작동하는 전원 공급 장치 필요: 표준 RCD는 트립 메커니즘을 작동시키기 위해 라인 전압이 필요합니다. 중요한 애플리케이션에는 전압 독립형 유형이 존재합니다.
Pillar 3: 서지 보호 장치
SPD가 하는 일
서지 보호 장치(SPD)는 낙뢰, 유틸리티 스위칭 또는 부하 변경으로 인해 발생하는 일시적인 과전압(짧지만 파괴적인 전압 스파이크)으로부터 장비를 보호합니다. 이러한 서지는 수천 볼트에 도달하여 마이크로초 만에 민감한 전자 장치를 파괴할 수 있습니다.
SPD는 과도한 전압을 감지하여 접지 시스템으로 전환하여 전압을 안전한 수준으로 고정합니다. 이것이 적절한 접지가 필수적인 이유입니다. 접지에 대한 낮은 임피던스 경로가 없으면 SPD는 서지 에너지를 보낼 곳이 없습니다.
SPD 작동 방식
SPD는 세 가지 주요 기술을 사용합니다.
금속 산화물 배리스터(MOV): 전압 의존 저항을 가진 반도체 장치. 정상 전압에서는 기본적으로 개방되어 있습니다. 전압이 임계값을 초과하면 저항이 급격히 떨어져 서지를 접지로 션트합니다. 응답 시간: <25나노초.
가스 방전관(GDT): 고전압에서 이온화되어 전도되는 가스 충전 세라믹 튜브. 엄청난 서지 전류를 처리하지만 응답 속도가 느리고(마이크로초) 클램핑 전압이 더 높습니다. 종종 통신 보호에 사용됩니다.
억제 다이오드(SAD/TVS): 저전압, 정밀 보호를 위한 고속 작동 반도체 장치. 데이터 라인 및 민감한 제어 회로에 일반적입니다.
산업용 SPD는 종종 기술을 결합합니다. 고에너지 스트라이크용 GDT, 중간 서지용 MOV, 최종 클램핑용 다이오드.
IEC 61643 분류
IEC 61643-11은 조정된 보호를 위해 세 가지 SPD 유형을 정의합니다.
| SPD 유형 | 설치 위치 | 파형 테스트 | 임펄스 전류(Iimp) | 공칭 방전(In) | 전압 보호 수준(Up) | 목적 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 유형 1(클래스 I) | 주 서비스 입구, 주 차단기 상류 | 10/350 µs | 10-200 kA | — | 1.5-2.0 kV | 직접 낙뢰 보호 |
| 유형 2(클래스 II) | 배전반, 하위 패널 | 8/20마이크로초 | — | 10-60 kA | ≤1.6-2.0 kV | 간접 낙뢰, 스위칭 서지 |
| 유형 3(클래스 III) | 장비 근처의 사용 지점 | 1.2/50 µs (Uoc) + 8/20 µs (In) | — | <5 kA | 1.0-1.5 kV | 민감한 장비에 대한 최종 보호 |
조정된 설치 이 중요합니다. 유형 1은 직접 스트라이크로 인한 막대한 에너지를 처리합니다. 유형 2는 서비스 입구를 통과하는 서지로부터 보호합니다. 유형 3은 민감한 부하에 대한 최종 클램핑을 제공합니다.
주요 사양
전압 보호 수준(Up): SPD가 통과하도록 허용하는 최대 전압입니다. 장비의 임펄스 내전압보다 낮아야 합니다. 2.5kV 임펄스 내전압으로 정격된 장비가 있는 230V 시스템의 경우 Up ≤ 2.0kV인 SPD를 지정하십시오.
공칭 방전 전류(In, 8/20 µs): SPD가 반복적으로 처리할 수 있는 전류입니다. 산업 응용 분야에서는 일반적으로 유형 2 장치에 대해 20-40 kA가 필요합니다.
최대 방전 전류(Imax): 단일 서지 이벤트에 대한 피크 전류입니다. 노출이 많은 설치에 중요합니다.
응답 시간: MOV 기반 SPD는 나노초 단위로 반응하여 대부분의 위협에 충분히 빠릅니다. GDT 기반 장치는 마이크로초 단위가 걸리지만 더 높은 에너지를 처리합니다.
설치 요구 사항
IEC 61643-11에 따름:
- 리드 길이 <0.5미터: 긴 리드는 인덕턴스를 생성하여 유효 Up을 증가시키고 보호를 무효화합니다.
- 백업 과전류 보호: 퓨즈 또는 회로 차단기는 SPD 고장으로부터 보호합니다.
- 적절한 접지: SPD 효과는 접지 시스템 임피던스에 전적으로 달려 있습니다.
- 유형 간 조정: Type 1 및 Type 2 SPD는 최소 10미터의 케이블 분리 또는 디커플링 인덕턴스가 필요합니다.
SPD가 할 수 없는 것
인체 감전 보호 없음: SPD는 과전압으로부터 장비를 보호하지만 감전으로부터 사람을 보호하지는 않습니다. 누군가 활선 도체를 만져도 트립되지 않습니다.
접지 없이는 보호 불가: SPD는 서지 전류를 접지로 전환합니다. 접지 시스템의 임피던스가 높거나 연결이 끊어진 경우 SPD는 쓸모가 없습니다.
지속적인 과전압에 대한 보호 없음: SPD는 마이크로초에서 밀리초 동안 지속되는 과도 현상을 처리합니다. 유틸리티 문제로 인한 장기간 과전압으로부터는 보호할 수 없습니다. 이를 위해서는 과/저전압 릴레이가 필요합니다.
유한한 수명: SPD는 각 서지마다 성능이 저하됩니다. 대부분은 수명 종료를 알리는 시각적 표시기 또는 원격 접점을 포함합니다.
비교 표
| 보호 기능 | 접지 시스템 | GFCI/RCD | 서지 보호 장치(SPD) |
|---|---|---|---|
| 주요 목적 | 고장 전류 경로, 전압 기준 | 인체 감전 보호 | 과도 현상으로부터 장비 보호 |
| 무엇으로부터 보호하는가 | 장비 고장, 화재, 과전류 장치 작동 가능 | 접지 오류로 인한 감전 (4-30 mA 누설) | 번개, 스위칭 서지, 전압 스파이크 |
| 무엇으로부터 보호하지 않는가 | 전류 누설 <회로 차단기 임계값, 전압 스파이크, 상간 감전 | 과부하, 단락, 전압 서지, 상간 접촉 | 감전 위험, 과전류, 지속적인 과전압 |
| 응답 시간 | 즉각적 (경로 항상 존재) | 일반적 10-30 ms, 최대 300 ms | <25 ns (MOV), 1-5 µs (GDT) |
| 활성화 임계값 | N/A (수동 도체) | 5 mA ~ 30 A (정격에 따라 다름) | 정격 전압 초과 (예: 230V 시스템의 경우 >350V) |
| 주요 표준 | IEC 60364, NEC Article 250 | IEC 61008/61009, NEC 210.8 | IEC 61643-11, UL 1449 |
| 설치 위치 | 시스템 전체: 서비스, 패널, 장비 | 배전반, 감전 위험이 있는 회로 (습한 지역, 장비) | 서비스 입구 (Type 1), 패널 (Type 2), 장비 (Type 3) |
| 다른 보호 필요 | 아니요, 하지만 다른 장치가 작동하도록 함 | 예 — 업스트림 MCB/MCCB 필요 | 예 — 접지 및 백업 퓨즈/차단기 필요 |
| 일반적인 산업 등급 | <1 Ω 전극 저항; NEC 표 250.122에 따른 EGC | 30 mA (인체), 100-300 mA (화재), 산업용 Type A/B | Type 2: 20-40 kA In; Up ≤2.0 kV |
| 유지 관리 | 주기적인 저항 테스트 | 매월 테스트 버튼, 연간 트립 테스트 | 시각적 표시기 확인, 주요 서지 후 교체 |
| Failure Mode | 점진적인 부식; 테스트를 통해 감지 가능 | 페일 세이프 (대부분 고장 시 트립); 분기별 테스트 | 서지 후 성능 저하; 표시기 모니터링 |
| 비용 고려 사항 | 보통; 설계/설치 비용 | 장치당 낮음-보통 | 보통 (Type 2) ~ 높음 (Type 1) |
| 코드 요구 사항 | 모든 >50V 시스템에 대해 NEC/IEC에 따라 의무적 | 습하거나 실외 위치, IEC 60204에 따른 기계류에 대해 의무적 | 중요 장비에 권장; 번개가 치기 쉬운 지역에 의무적 |
FAQ 섹션
Q: RCD와 서지 보호기가 있으면 접지를 생략해도 되나요?
아니요. 접지는 기본입니다. RCD는 활선과 중성선을 비교하여 전류 불균형을 감지하며, 작동하려면 접지 기준이 필요합니다. 서지 보호기는 과도한 전압을 접지로 전환합니다. 적절한 접지 시스템이 없으면 에너지를 보낼 곳이 없습니다. 이 세 가지는 모두 함께 작동합니다.
Q: 서지 보호기가 감전을 예방할 수 있나요?
아니요. 서지 보호기는 전압 스파이크로 인한 장비 손상을 방지하는 것이지 인명 안전을 위한 것이 아닙니다. 누군가가 활선 도체에 닿으면 서지 보호기는 반응하지 않습니다. 전압 서지가 있는 것이 아니라 정상 전류가 사람을 통해 의도치 않은 경로로 흐르기 때문입니다. RCD가 바로 이러한 상황을 방지합니다.
Q: 모든 산업 설비에 B형 RCD가 필요한가요?
전부는 아니지만 점점 더 보편화되고 있습니다. B형 RCD는 DC 고장 전류를 발생시킬 수 있는 부하(EV 충전기, 태양광 인버터, 가변 주파수 드라이브, 회생 제동 시스템)에 필수적입니다. 표준 저항 및 유도 부하의 경우 A형으로 충분합니다. 기계 요구 사항은 IEC 60204-1을 확인하십시오.
Q: 언제 1형 SPD를 사용하고 언제 2형 SPD를 사용해야 하는지 어떻게 알 수 있나요?
설치 위치에 따라 결정됩니다. 1형은 외부 낙뢰 보호 장치가 있거나 노출이 심한 지역에 있는 경우 주 서비스 입구에 설치됩니다. 2형은 배전반 및 하위 패널에 설치되며, 이는 가장 일반적인 산업용 SPD입니다. 포괄적인 보호를 위해 조정된 보호 시스템에서 둘 다 사용하십시오.
Q: 대규모 설비에서 RCD가 오작동을 일으킬 수 있나요?
예, 감도가 너무 높으면 그렇습니다. 대규모 설비는 케이블 커패시턴스 및 필터 회로에서 누설 전류가 누적됩니다. 400A 산업용 패널의 경우 30mA 대신 화재 보호를 위해 300mA RCD를 지정하십시오. 30mA는 직접적인 인적 접촉 위험이 있는 최종 회로에만 사용하십시오. 시간 지연 S형 RCD는 과도 누설로 인한 불필요한 트립을 방지합니다.
Q: 접지와 본딩의 차이점은 무엇인가요?
접지는 전기 시스템을 대지에 연결합니다. 본딩은 모든 비전류 운반 금속 부품(인클로저, 전선관, 구조용 강철)을 함께 연결하여 위험한 전위차를 제거합니다. 둘 다 필수 사항입니다. NEC Article 250은 둘 다 다루고 있으며, IEC 60364-5-54는 특히 본딩을 다룹니다.
결론
전기 안전은 단일 장치나 코드 요구 사항이 아니라 접지, GFCI/RCD 보호, 서지 보호가 상호 보완적인 계층으로 작동하는 시스템입니다. 각 계층은 다른 계층이 방지할 수 없는 특정 고장 모드를 해결합니다.
접지는 기본 토대를 제공합니다. 즉, 고장 전류 경로, 전압 기준, 기타 보호 장치가 작동하는 데 필수적인 인프라를 제공합니다. RCD는 밀리초 단위로 전류 누설을 감지하여 생명을 보호하고 접지만으로는 방지할 수 없는 감전 위험으로부터 인력을 보호합니다. 서지 보호기는 민감한 전자 장치를 파괴할 수 있는 과도 전압으로부터 장비 투자를 보호합니다.
산업 또는 상업 설비에 대한 전기 보호를 지정할 때 질문은 “어느 것?”이 아니라 “이 세 가지를 모두 어떻게 통합해야 할까요?”입니다. NEC Article 250 또는 IEC 60364에 따른 적절한 접지, IEC 61008/61009에 따른 감전 위험이 있는 회로의 RCD, IEC 61643-11에 따른 다단계 SPD 조정과 같은 조정된 보호를 설계하십시오.
VIOX Electric은 산업용 RCD, 서지 보호 장치 및 함께 작동하도록 설계된 완벽한 보호 솔루션을 제조합니다. 당사의 기술 팀은 귀하의 응용 분야에 적합한 조합을 지정하여 인력과 장비를 모두 보호하면서 국제 표준 준수를 보장하도록 지원할 수 있습니다.
