지락전류(Earth Fault Current) - 지락전류의 개요 및 지락의원인

지락전류(Earth Fault Current) - 지락전류의 개요 및 지락의원인

 

1. 지락전류의 정의

지락전류란 지락에 의하여 전로의 외부로 유출되어 화재, 인축의 감전 또는 전로나 기기의 손상 등 사고를 일으킬 우려가 있는 전류를 말하고, 누설전류란 전로 이외를 흐르는 전류로서 전로의 절연체의 내부 및 표면과 공간을 통하여 선간 및 대지 사이를 흐르는 전류.( 누설전류가 흐르는 것은 절연체의 절연저항이 무한 대가 아니며, 전로 각부 상호간 또는 전로와 대지간에 정전용량이 존재하기 때문이다.)

 

2. 지락의 원인 (Origin Of Ground Faults)

절연파괴로부터 발생되는 지락사고는 다음과 같이 개략적으로 분류될 수 있다.

· 절연체(유전체)의 경년열화(습기, 대기오염, 외부물체, 및 절연열화에 의해 약화된 절연)

· 기계적 충격이나 절연펑크에 의한 물리적 손상

· 극심한 과도전압 충격이나 정상 전압에 의한 열화

· 단락사고의 확대로 인한 지락

 

3. 지락의 영향

· 인축에의 감전 및 화재의 원인이 된다.

· 계통의 전압을 상승시켜 접속된 전력기기의 소손우려가 있다.

 

4. 지락사고에 대한 고찰

1) 지락사고전류의 크기

지락사고 전류의 크기는 아주 변화가 심하다. 대칭요소법을 사용하면 단상 대지 간 (line-to-ground) 지락 전류는 다음의 식에 의해 구해진다.

· Z1,Z2,Z0 : 각각 정상, 역상, 영상 임피던스

· ZG : 대지 귀로의 임피던스를 나타내는 것으로 사고아크의 임피던스, 접지 회로의 임피던스와 중성점 접지저항을 포함한다.

지락전류의 크기가 어떻게 그렇게 폭넓게 변하는지를 보기 위해 직접접지 발전기의 단자에서 아주 가까운 위치에서 발생한 완전지락 사고를 생각해 보자.

이 예에서 ZG 는 거의 영에 가깝고 만약 Z1=Z2=Z0라고 가정한다면

이 되고 이 식은 실제 3상 단락사고의 공식과 같아진다.

사실 많은 발전기에서 Z0 가 Z1보다 작기 때문에 완전 지락전류의 크기를 3상단락 사고전류의 크기로 줄이기 위해 별도의 중성점 임피던스 Zn을 추가하는 것이 필요하다.

高저항접지계통의 지락사고의 경우는 중성점 접지 저항 Rn이 Z1, Z2, Z0 와 지락회로의 잔여 임피던스 ZG 와 비교해서 아주 크다. 그래서 IGF 는 EL+N 을 Rn 으로 나눈 값과 거의 같아진다.

 

예를 들어 20Ω으로 고저항 접지된 480V 계통에서 지락사고 전류는

가 된다. 이 값은 사고 아크 임피던스와 접지회로 임피던스가 20Ω에 비하여 무시될 수 있기 때문에 사실이다.

직접 접지계에서의 저압 지락사고전류의 크기를 정밀하게 계산하는 것은 앞의 예들에 비해 매우 어렵다. 그 이유는 앞의 고 저항접지계에서 거의 무시되었던 아크 접지 저항이 지락 전류의 크기를 감소 시키는데 중요한 역할을 하기 때문이다. 이 이유는 상당한 크기의 접지도체가 상 도체를 따라 포설되어 있는 대부분의 경우에도 적용된다. 지락보호를 적용하는데 있어서 첫번째 고려사항은 그 계통의 선택적 보호협조가 성취될 수 있는가 하는 것이고, 만약 안될 경우에는 선택성의 결여가 허용되어지는 한계를 설정하는 것이다.

 

지락계전기의 두 가지 주요 설정치는 첫째, 최소 동작 전류와 둘째, 동작 속도이다.

최소동작 전류 (검출 값) 의 설정은 일차적으로 보호될 회로의 특성에 따라 좌우된다. 만약 그 회로가 모타, 변압기, 히터와 같은 단독 기기들에 연결된다면 검출 값은 5 ~ 10A 정도의 매우 낮은 값이 될 수 있다. 그러나 만약 그 회로가 개개의 과전류 보호회로를 가진 MCC나 Panel-board와 같은 복합적인 부하에 연결된다면 검출 값은 더 크게 될 것이다. 이 높은 검출 값은 200 ~ 1200A 정도로 선정되는데 이는 보호협조가 가능한 경우에 분기회로의 과전류 보호장치가 자신의 회로에서 발생한 낮은 값의 지락 사고를 해소시킬 수 있도록 하기 위해 서이다. 더 나아가 계통의 일부에서 발생한 낮은 값의 사고는 자체로 해소되어지고 그래서 다른 기기의 연속 운전을 가능케 하는 것이다.

 

2) 아크를 동반하는 사고에 의한 손상 (Damage Due to Arcing Faults)

아크를 동반하는 지락사고의 경우 즉각적으로 감지하여 사고를 해소시키지 못하면 아주 파괴적인 사고가 될 수 있다. 아크사고는 아크가 발생하는 지역에 막대한 量의 에너지를 방출시킨다. 아크로 인해 이온화된 물질은 급속히 퍼진다. 양측의 아크단자에서 모두 증발 현상이 발생하고 아크가 이동하지 않을 때 전극 지점에 부식이 집중적으로 발생한다. 아크가 소스로부터 멀리 이동하려는 경향이 있는 동안에는 절연 도체를 가진 회로에서 낮은 사고 전류에서나 높은 전류에서나 부식이 반드시 발생하는 것은 아니다. 만약 아크사고가 무기한 지속된다면

· 잠재적인 화재 위험이 있고

· 심각한 손상을 입히고

· 추가적인 전력공급 손실로 이어질 수 있다.

단상으로 운전되는 것을 방지하는 장치가 없는 단상 차단장치들은 저압 아크 지락사고에 특히 효과가 없다. 그 이유는 종종 초기 접지사고나 상 간 단락사고는 사고 상을 하나나 두개의 Fuse로 해소시킬 수는 있지만 그 사고는 해소되지 않은 상으로부터 부하 임피던스를 통해 계속된다. 그래서 그 사고는 사고전류가 감소되고 다른 회로들이 동원되지 않으면 남아있는 Fuse에 의해서는 결코 해소되지 않게 될 수 있다. 많은 경우에 있어서 적절한 지락사고 보호방식을 포함하여 주의깊게 설계한다면 손상이 확대될 가망성은 감소될 수 있다.

일부 퓨즈부 스위치(fusible switch)들은 반 단상운전장치(Anti-single Phasing Device)를 갖출 수 있는데, 그것은 스위치에 있는 라인퓨즈(line fuse)와 병렬로 작은 접점부 퓨즈를 병렬로 설치함으로 구성된다. 라인퓨즈가 차단하면 이들 작은 퓨즈도 나가고 부차적으로 스위치의 3개극을 모두 개방시키도록 신호를 보내거나 스위치 개방 회로를 동작시키는 작은 퓨즈의 접점을 닫히게 한다.

 

3) 기타

480V 직접접지 계통의 문제점 중의 하나로 높은 지락전류의 발생과 파괴적인 아크가 따르는 지락사고를 들 수 있다. 그러나 사고회로가 즉시 차단될 수 있다면 허용범위 내로 손상을 방지할 수 있다. 480V 계통의 직접접지의 또 다른 특징은 지락사고로 인해 즉각적인 정전사태를 야기할 수 있다는 것이다. 만약 이러한 정전을 수용할 수 없다면 고 저항접지나 비 접지 방식을 채택하여 수리를 위한 계획정전시까지 회로차단을 지연 시킬 수 있다. 그러나 보통은 사고회로를 즉각적으로 계통에서 분리 시키는 것이 바람직하다.