KR101782947B1 - 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템 - Google Patents

지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지락경로 흐름분석에 따른 저압직류 접지시스템에 관한 것으로, 직류접지 시스템을 분류 및 평가하고, 지락경로 흐름을 분석하여 다수의 접지방식 중 하나를 선택결정하도록 하는 지락경로 흐름분석에 따른 저압직류 접지시스템에 관한 것이다.
상술한 바에 의하면, 지락경로 흐름을 분석하고, 직류접지 시스템을 분류 및 평가하여 다수의 접지방식 중 하나를 선택결정할 수 있는 효과가 있다. 그리고 IEC 60364에서 분류하고 있는 접지방식 분류에 다라 지락이 발생하였을 때 감전경로를 세부적으로 분석하여 지락경로 흐름분석에 따른 저압직류 접지시스템을 결정할 수 있는 효과가 있다.

Description

지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템{System for low-voltage direct-current ground by analyzing flow of ground path}
본 발명은 지락경로 흐름분석에 따른 저압직류 접지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직류접지 시스템을 분류 및 평가하고, 지락경로 흐름을 분석하여 다수의 접지방식 중 하나를 선택결정하도록 하는 지락경로 흐름분석에 따른 저압직류 접지시스템에 관한 것이다.
최근 직류기반의 분산전원 및 전자기기 보급 확산으로 에너지 효율측면에서 유리한 직류 배전 시스템이 주목을 받고 있다. 특히, 데이터 센터, 상업용 빌딩, 전기자동차 충전 스테이션 등에는 직류 배전 시스템이 적용된 사례가 있으며, 직류 배전 시스템의 적용분야는 향후 점차 확산될 것으로 예상된다.
그러나 직류 배전 시스템은 교류 배전 시스템에 비해 적용되어온 역사가 짧기 때문에, 안전 측면에서 충분한 검증이 필요하다. 안전성 측면에서 중요한 부분을 차지하고 있는 접지분야에 있어서도 국내외에서 연구가 진행 중이기는 하나, 아직은 현재의 시스템이 AC를 기반으로 구성되어 있기 때문에, 접지구성방식에 따라 DC 시스템에 맞는 세부 적용 방법이나 실증 사례가 부족한 실정이다.
저압전기설비 표준인 IEC 60364에서는 교류 시스템과 마찬가지로 직류 시스템도 전원측과 설비측의 접지방식에 따라 TT, TN(TN-C, TN-S, TN-C-S), IT 시스템으로 구분하고 있으며, 동작환경에 따라 전원부의 접지를 양극, 음극, 중간점 등을 접지하도록 하고 있다. 그러나 인체보호를 위해 DC 시스템은 접지구성 방식별 지락조건에 따라 세부 보호방법이 AC와는 다른 부분이 있으나, 이에 대한 세부 적용 기준이 없는 실정이다.
선행자료(특허 제1465975호)는 전력계통 지락전류 검출장치에 있어서, 오피앰프(OP)의 비반전 단자(+)에 접속되는 지락전류 검출부, 상기 오피앰프의 반전단자(-)에 접속되고 기준 전류를 설정하는 전류제한저항(R), 상기 오피앰프의 출력에 접속되고 지락전류 검출부(D)로부터 입력되는 전류가 기준전류 이상이면 경보신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반 접촉 위험이 있는 저압 배전선에는 저압선의 단락, 과부하 보호용을 위해서는 자동 차단기나 퓨즈가 설치되나, 퓨즈 중 가장 작은 정격전류는 30[A]정도이며, 캐치 용량은 50[A] 정도이다. 따라서 전력설비를 유지보수할 때 대부분 전력설비에 흐르고 있는 지락전류에 의한 각종 감전사고가 초래되고 있는 문제점이 있다.
직류시스템은 교류시스템과 달리 직류시스템에 맞는 세부 적용 방법이나 실증 사례가 부족한 실정이다. 또한 직류시스템은 교류시스템과 달리 통전경로에 따라 심실세동 한계전류값이 상이하다.
그러므로, 직류 접지시스템을 세부적으로 분류하고 지락경로 흐름을 분석하여 직류 접지시스템을 선택하여 적용할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 전술한 점들을 감안하여 안출된 것으로, 직류접지시스템을 대분류 접지 시스템에서 1차 평가하고, 그 후 소분류 접지시스템에서 지락경로 흐름 분석기법을 적용하여 2차 평가하여 최종 결정하도록 하는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 전원부의 대지와의 접속지점 위치에 따라 전력계통과 대지의 관계와, 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계를 분류하는 파라메터 분류부; 상기 파라메터 분류부를 통해 분류된 결과, 전력계통의 중성점과 대지의 관계 및 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계에 따라 1차 접지방식을 결정하도록 하는 접지방식 1차 결정부; 및 상기 접지방식 1차 결정부의 결과에 의한 지락경로 흐름을 전원측 접지와 부하측 지락에 따라 지락경로를 평가하도록 하는 지락경로 흐름분석부;를 포함한다.
바람직하게 지락경로 흐름분석부를 통한 지락경로 흐름분석 결과에 따라 전원측 양극접지, 전원측 음극접지, 전원측 양극도체 고저항 중간점 접지, 전원측 중간선 접지 중 어느 하나로 접지방식을 선택하도록 하는 접지방식 2차 결정부;를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게 접지방식 1차 결정부는 전력계통의 중성점과 대지의 관계 및 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계에 따라 결정하되, 직류전원의 중성점(N)과 보호접지(PE)가 연결된 지점에 따라 접지방식을 결정하도록 하는 TN방식 모듈; 직류전원의 접지극과는 별도로 각 수용가에서 접지극을 설치하도록 하는 접지방식을 결정하도록 하는 TT방식 모듈; 및 전원이 접지되어 있지 않거나 높은 임피던스로 접지되며, 수용가에서는 별도의 접지극을 설치하는 접지방식을 결정하도록 하는 IT방식 모듈;을 포함한다.
또한 바람직하게 접지방식 1차 결정부는 전력계통의 중성점과 대지의 관계 및 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계에 따라 결정하되, 직류전원의 중성점(N)과 보호접지(PE)가 연결된 지점에 따라 접지방식을 결정하도록 하는 TN방식 모듈;을 포함하며, 상기 TN방식 모듈은 보호접지(PE)와 중성점(N)이 직류전원 근처에서만 서로 연결되어 있고, 중성점과 보호접지는 전 구간에서 분리되어있는 방식(TN-S), 보호접지(PE)와 중성점(N)이 전 구간에서 공통으로 사용되는 방식(TN-C), 보호접지(PE)와 중성점(N)이 연결되어 있다가 특정구간부터 분리된 방식(TN-C-S) 중 어느 하나를 결정하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 지락경로 흐름분석부는 전원측 접지와 부하측 지락에 따라 지락경로를 평가하되, 전원측 음극도체 접지 또는 전원측 중간선 접지, 부하측 양극지락인 경우 지락경로를 하향경로로 하는 하향경로 평가모듈; 및 전원측 양극도체 접지 또는 전원측 중간선 접지, 부하측 음극지락인 경우 지락경로를 상향경로로 하는 상향경로 평가모듈;을 포함한다.
그리고 바람직하게 접지방식 1차 결정부에서, 고저항을 통해 접지되고, 노출된 도전성 부분을 직접 대지와 연결된 IT방식으로 결정한 경우, 전원측 도체 고저항 또는 전원측 중간선 고저항, 부하측 음극 또는 양극 지락을 모니터링하는 절연모니터링 장치;를 더 포함할 수 있다.
상술한 바에 의하면, 지락경로 흐름을 분석하고, 직류접지 시스템을 분류 및 평가하여 다수의 접지방식 중 하나를 선택결정할 수 있는 효과가 있다. 그리고 IEC 60364에서 분류하고 있는 접지방식 분류에 따라 지락이 발생하였을 때 감전경로를 세부적으로 분석하여 지락경로 흐름분석에 따른 저압직류 접지시스템을 결정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 인체 통전 전류 방향을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC TT의 지락경로 흐름을 전원측 도체 접지와 부하측 지락에 따른 타입a의 경로 흐름를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC TT의 지락경로 흐름을 전원측 중간선 접지와 부하측 지락에 따른 타입b의 경로흐름을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC TN-S 시스템(Type a)의 하향경로 및 상향경로 흐름 분석을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC TN-S 시스템(Type b)의 하향경로 및 상향경로 흐름 분석을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC IT 시스템의 지락발생 조건(1차 지락)을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC IT 시스템의 지락발생 조건(2차 지락)을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC IT 시스템의 지락발생 조건(고저항 중간점 접지방식)을 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 동작의 전체 흐름을 나타낸 예시도이다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템은 저압전기설비 표준인 IEC 60364에서 분류하고 있는 접지방식에 따라 지락이 발생하였을 때 감전경로를 분석하여, 각 특성에 따른 위험성 분석 및 보호기법을 제공하기 위한 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템으로, 직류 접지시스템을 세부적으로 분류하고 지락경로 흐름분석 등의 방법을 적용하여 직류 접지시스템을 선택할 수 있도록 제시하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템은 파라메터 분류부(100), 접지방식 1차 결정부(200), 지락경로 흐름분석부(300), 접지방식 2차 결정부(400)를 포함할 수 있다.
파라메터 분류부(100)는 전력계통의 중성점(또는 한상)과 대지의 관계 파라미터와, 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계 파라미터를 분류할 수 있는 구성이다. 즉, 파라메터 분류부는 전원부의 대지와의 접속지점 위치에 따라 전력계통의 중성점(또는 한상)과 대지의 관계 파라미터와, 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계를 분류할 수 있다.
여기서, 파라메터 분류부는 대지와의 접속시 저항삽입여부에 따라 직접접지, 임피던스 접지, 비접지, 전압제한 중 어느 하나로 세부 분류할 수도 있다.
접지방식 1차 결정부(200)는 파라메터 분류부(100)를 통해 국제규격인 IEC 60364에서의 2개의 문자로 세가지 형태의 전기설비 접지형식을 다음의 표 1에 따라 5가지의 방식(DC TT, DC TN-C, DC TN-S, DC TN-C-S, DC IT) 중 하나를 결정하도록 하는 구성이다.
Figure 112016046449817-pat00001
여기서, 2개의 문자로 세가지 형태(TN, TT, IT)의 전기설비 접지형식을 설명하면 다음과 같다.
첫 번째 문자는 전력계통의 중성점(또는 한 상)과 대지의 관계를 의미하고, T는 대지와 직접 연결(Terra), I는 대지와 연결하지 않고 고저항을 통해서 접지(Isolate)를 나타낸다.
두 번째 문자는 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계를 의미하고, T는 노출된 도전성 부분을 직접 대지와 연결(Terra), N은 노출된 도전성 부분을 중성점에 연결(Neutral)을 나타낸다.
TN 네트워크는 각 사용자의 현장에 있는 낮은 임피던스 접지 접속의 비용을 절약할 수 있고, TN-C 네트워크는 별도의 N 및 PE 연결에 필요한 추가 도체의 비용이 있으나, 접지연결에 많은 위험을 최소화할 수 있으며, TT네트워크는 RCD(누전 차단기) 보호에 적절한 요구가 필요하다.
먼저, TN계통은 직류전원(또는 AC인 경우, 발전기 또는 변압기)의 중성점(N)을 접지하고 기기의 보호접지(Protective Earth)를 이 중성점과 같이 연결하는 방식이다. 이러한 TN 계통은 중성점(N)과 보호접지(PE)가 연결된 지점에 따라서 3가지(TN-S, TN-C, TN-C-S)로 분류할 수 있다.
TN-S는 보호접지(PE)와 중성점(N)이 직류전원(또는 AC인 경우, 변압기 또는 발전기) 근처에서만 서로 연결되어 있고, 중간선(중성점)과 보호도체접지는 전 구간에서 분리되어있는 방식(separate)으로, 직류전원측(AC인 경우, 변압기 또는 발전기)에서만 연결된 방식이다.
TN-C는 보호도체접지(PE)와 중간선(중성점(N))이 전 구간에서 공통으로 사용되는 방식으로 거의 사용되지 않는 방식(combined)이다. 이러한 TN-C는 중성점과 보호접지가 전 구간에서 공용으로 사용되는 방식이다.
그리고 TN-C-S는 보호도체접지(PE)와 중간선(중성점(N))이 어느 구간까지는 같이 연결되어 있다가 특정구간(건물의 인입점 등)부터 분리된 방식으로, 중성선 다중접지 방식과 비슷하여 영국에서는 PME(Protective Multiple Earthing), 호주에서는 MEN(Multiple Earthed Neutral)로 불린다. 이러한 TN-C-S는 계통의 일부 구간이 중성점과 보호도체접지가 공용이지만 어느 지점부터 접지선과 중성선이 분리된 방식으로 우리나라의 경우 TT방식을 사용하고 있지만 아파트와 같은 수전설비를 가지고 있는 곳의 경우 TN-S방식이 되기도 한다.
TT 계통은 직류전원(AC인 경우, 발전기나 변압기)의 접지극과는 별도로 각 수용가에서 접지극을 설치하여 접지하는 방식이다. 이러한 TT계통의 큰 장점은 TN계통과 달리 노이즈 신호 등의 유입을 차단할 수 있다는 것인데 TN계통은 여러 전자기기들이 접지극을 공유하므로 접지극으로 유입된 노이즈 신호 등이 다른 전자기기에 영향을 끼칠 수 있지만, TT계통은 접지극을 따로 설치하므로 이러한 노이즈의 유입을 차단할 수 있다. 또한 전원측에서 각 3상 부하의 불평형이나 중성선의 단선 등으로 인한 중성점의 전위 상승이 있을 수 있는데, 이러한 영향을 받지 않고 전기기구의 함체와 대지간 등전위를 유지할 수 있다.
IT 계통은 전원이 접지되어 있지 않거나 높은 임피던스로 접지되며, 수용가에서는 별도의 접지극을 설치하는 방식이다.
지락경로 흐름분석부(300)는 접지방식 1차 결정부의 결과에 의한 지락경로 흐름을 전원측 접지와 부하측 지락에 따라 평가하도록 하는 구성이다.
이러한 지락경로 흐름분석부에 있어서, 감전의 위험은 근본적으로 전류의 크기, 전류의 지속시간, 전류 경로, 전원의 종류(AC 또는 DC)에 따라 결정되는데, DC는 전류의 방향이 하향전류일 때 심실세동한계가 상향전류일 때 보다 약 2배정도 크다. 상향전류일 때가 하향전류일 때 보다 위험하므로 안전상에 특히 더 주의해야 한다.
인체가 감전되었을 때 사망에 이르는 가장 일반적인 원인은 심실세동이다. 심실세동은 필요한 산소를 운반하는 혈액의 흐름을 방해하기 때문에 치명적이며, 일단 심실세동이 발생하면 사망에 이르기까지 자연적으로 멈추지 않는다. 그러므로, 심실세동의 한계전류는 접지시스템 설계에 중요한 요소이다.
표 2에서와 같이, 인체에 전류가 흐를때 통전시간에 따른 직류의 한계값이 교류의 한계값 보다는 크다. 따라서, 감전의 관점에서는 직류가 교류보다는 상대적으로 안전하다고 볼수 있다. 다만, 직류의 경우 교류와의 차이점은 한계의 형태 중'감지반응'과 '강한 근육반응'은 상향전류의 한계와 하향전류의 한계에 차이가 없으나, 직류의 경우 '심실세동'은 전류의 방향이 하향전류일 때가 상향전류일 때 보다 한계전류가 약 2배 정도 크다. 따라서, 직류의 경우 상향전류 일 때가 하향전류일 때 보다 위험하므로 안전상에 특히 더 주의해야 한다.
Figure 112016046449817-pat00002
표 2에서와 같이 통전 시간이 긴 경우 조건에 따른 전류의 한계값을 나타내고 있으며, 심실세동 한계 전류값은 AC 전류가 흐르는 경우 전류경로가 '양손→양발'일 때와 '양발→양손'일 때, 모두 동일한 한계전류값(40[mA])을 가지나, DC전류가 흐르는 경우 '양손→양발'(한계 전류값: 약 280[mA])의 하향전류경로의 조건일 때 한계전류값은 '양발→양손'(한계 전류값: 140[mA])의 상향전류 조건일 때 한계전류값의 약 2배의 한계전류값을 가진다.
본 실시예에 따른 지락경로 흐름분석부(300)는 직류시스템에서 환경에 맞는 적절한 접지방식을 선택하기 위해서 접지방식 분류에 따른 지락고장의 정확한 해석이 중요하다. 직류시스템의 접지방식의 분류는 전원부의 대지와의 접속지점위치에 따라 양극접지, 음극접지, 중간점 접지로 분류되며, 대지와의 접속시 저항삽입여부에 따라 직접접지, 임피던스접지, 비접지, 전압제한 접지 등으로 세부 분류할 수 있다.
또한, IEC 60364에서는 전원과 설비측의 관계에 따라, TT, TN, IT 접지시스템으로 분류하고 있다. 본 실시예에 따른 지락경로 흐름분석은 전원과 설비측 관계에 따른 TT, TN, IT 각각의 분류방식에 따라 설비측에서 양극 또는 음극이 지락되었을 때, 직류시스템 전원부 접지방식인 양극, 음극, 중간점 접지방식 각각을 고려하여 지락조건에 따른 경로를 세부 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 인체 통전 전류 방향을 나타낸 예시도이다.
도 2에서, 지락경로 흐름이 (a)는 상향전류를 나타내고, (b)는 하향전류를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC TT의 지락경로 흐름을 전원측 도체 접지와 부하측 지락에 따른 타입a의 경로 흐름를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템의 DC TT의 지락경로 흐름을 전원측 중간선 접지와 부하측 지락에 따른 타입b의 경로흐름을 나타낸 예시도이다.
DC TT시스템은 중간선 사용여부에 따라 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 타입a와 타입b로 구분할 수 있다.
도 3은 DC TT 시스템 중 DC TT시스템의 타입 a인 전원부 도체와 부하측 지락을 나타낸 그림이로서, 이때 부하설비 노출도전부의 양극에 지락이 발생한 경우 전류는 하향전류를 형성한다. 이때 300[V] DC 정도까지는 하향경로의 지락전류는 심실세동 발생 가능성이 낮기 때문에 추가적인 보호없이도 시스템은 상대적으로 안전하다고 알려져 있다. 그러나 그 이상의 전압, 예를들면, DC 380[V]에서는 누전차단기의 적용이 필요하다.
만약, 도 2에 도시된 바와 같이, 양극 도체 접지시 부하설비의 노출도전부에 음극지락이 발생한 경우 전류는 상향 전류를 형성하게 되고, 상향 전류는 하향전류보다 위험하기 때문에 (a)에 적용되는 전압보다 낮은 전압에서도 누전차단기를 필요로 한다.
도 4의 DC TT 중 타입 b DC TT의 전원측 중간선을 접지하였을 때 부하측의 양극에 지락이 발생한 경우를 나타낸 것으로, 이 경우 인체에 흐르는 전류는 하향 경로를 형성하며 도 3(a)에 비해 대지전위가 1/2로 줄어들어, 감전위험성도 줄어들게 된다.
도 4(b)는 DC TT 중 타입 b DC TT의 전원측 중간선을 접지하였을 때 부하측의 음극 지락이 발생한 경우를 나타낸 것으로, 이 경우 인체에 흐르는 전류는 상향 경로를 형성하며, 도 3(b) 보다는 대지전위가 1/2 줄어들어 감전으로 인한 심실세동 발생가능성이 도 3(b)보다는 줄어드나, 도 4(a) 보다는 심실세동 발생가능성이 높다.
DC TT는 접지전극이 음극으로 작용할 때 전식이 발생할 수 있으므로 이에 대한 영향도 고려하여야 한다.
DC TN 시스템은 TN-C, TN-S, TN-C-S 시스템으로 분류된다. 이중 DC TN-C 시스템은 정상조건에서도 동작 중에 접촉전압이 발생할 수 있으며, 누전차단기 적용이 불가능하므로, 특수한 조건이 아니면 사용이 바람직하지 않다. 따라서, DC TN 시스템 중 인체 안전성 측면에서 가장 바람직한 방식은 TN-S 시스템이며, 도 5와 도 6에 DC TN-S 시스템의 type에 따른 지락경로를 분석하였다.
도 5(a)는 DC TN-S 시스템 중 type a DC TN-S 시스템의 전원부 음극도체를 접지한 경우를 나타낸 것으로서, 부하측 양극지락 발생시 인체에 흐르는 전류는 하향경로를 형성하기 때문에 위험성은 상대적으로 낮으나, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 전원부의 양극도체를 접지한 경우 음극지락 발생 시 접지전극에 흐르는 전류는 양극을 형성하고 인체에 흐르는 전류는 상향경로를 형성하기 때문에 접지 전극의 전식 가능성은 작으나 감전의 위험성은 상대적으로 증가한다.
도 6(a)는 DC TN-S 시스템 중 type b TN-S 시스템의 전원부 중간선을 접지한 상태에서 부하측 양극지락이 발생 한 경우를 나타낸 것이다. 이 경우 인체에 흐르는 전류는 하향경로를 형성하기 때문에 위험성은 상대적으로 낮으며, 도 5(a)에 비해 대지전위가 1/2로 낮아지므로 감전위험성도 줄어들게 된다. 다만, 접지전극이 음극으로 작용하므로 전식에 의한 영향은 검토가 필요하다. 도 6(b)에 나타낸 바와 같이 음극지락 발생시 접지전극에 흐르는 전류는 양극을 형성하고 인체에 흐르는 전류는 상향경로를 형성하기 때문에 접지 전극의 전식 가능성은 작으나 감전의 위험성은 상대적으로 증가한다. 그러나 도 5(b)에 비해 대지전위가 1/2로 낮아지므로 감전 위험성은 도 5(b)에 비해 낮다.
DC IT시스템은 일반적으로 1차 지락이 발생하더라도 접촉전압이 아주 낮기 때문에 추가적인 보호 없이도 감전사고를 예방할 수 있는 장점이 있다. 또한, 의료시설과 같은 전원공급의 연속성을 필요로 하는 장소에서 사용될 수 있는 장점이 있다. 특히 DC 시스템은 AC 시스템에 비해 전식의 영향을 받기 쉬우므로 전원측의 전극이 대지와 접속된 DC TT 시스템 및 DC TN 시스템은 전식의 영향을 받을 수 있다. 그러나 DC IT 시스템은 도 7에 나타낸 바와 같이 전원측의 접지 전극이 대지와 분리되어 있거나 고저항을 통해 접속되어 있으므로, 접지 전극에 흐르는 전류가 거의 없거나 아주 작기 때문에 전식에 대한 우려가 적다.
도 7의 (a)는 타입 a로 전원측 음극도체 고저항 또는 비접지, 부하측 양극지락이고, (b)는 타입 a로 전원측 양극도체 고저항 또는 비접지, 부하측 음극지락이며, (c)는 타입 b로 전원측 중간선 고저항 또는 비접지, 부하측 양극지락이고, (d)는 타입 b로 전원측 중간선 고저항 또는 비접지, 부하측 음극지락이다.
DC IT 시스템은 양도체 및 음도체 접지여부와 상관없이 갈바닉 분리가 가능하므로 DC 시스템의 문제점의 하나인 전식에 대한 예방효과가 큰 반면, 절연에 대한 감시와 운전을 위해 관리가 필요하다. IT 시스템은 1차 고장이 발생하였을 때 지락전류가 아주 작아 고장검출이 어려우므로, 절연모니터링 장치(IMD, insulation monitoring device)와 같은 보호수단과 보호장치를 사용하여 초기지락이 발생한 경우를 모니터링해야 한다.
도 8에 나타낸 바와 같이 DC IT 시스템에 있어서 1차 고장과 2차 고장이 동시에 발생할 경우 인체가 노출도전부를 접촉하였을 때 지락경로가 발생하며, 이에 따라 감전이 발생할 수 있으므로 누전차단기 적용 등의 보호 수단이 필요하다.
도 7의 (c)와 (d)에 나타낸 바와 같이 전원측의 중간선 접지방식은 대지전위를 반으로 낮출 수 있어서 감전위험성을 줄일 수 있다. 그러나, 직류전원의 중간점을 찾기 어려운 경우 도 9에 나타낸 바와 같이 R1=R2=R [Ω]의 고저항을 삽입하여 중간점을 만들어 적용이 가능하다. 이 경우 지락발생시 대지전위를 낮출 수 있으며, 지락전류의 크기를 R1 및 R2를 통해서 제한할 수 있다.
접지방식 2차 결정부(400)는 지락경로 흐름분석 결과, 4가지 방식의 타입 중 하나를 결정하도록 하는 구성이다.
4가지 방식의 타입은 ①(Type A, 양극접지), ②(Type A, 음극접지), ③(Type A, 고저항 중간점 접지(DC IT접지방식에 한함)), ④(Type B, 중간선접지)이다.
본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템은 저압직류시스템의 지락으로 인한 위험성 분석 및 안전대책 개발을 위해 전원측과 설비측 관계에 따라 접지방식을 분류하고 이에 따른 부하측 지락 조건에 따라 인체가 설비에 접촉하였을 때 지락경로 흐름을 세부 분석하였다. 분석결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
인체에 전류가 흐를때 통전시간에 따른 직류의 한계값이 교류의 한계값 보다는 크므로, 감전의 관점에서는 직류가 교류보다는 상대적으로 안전하다고 볼 수 있다. 다만, 직류의 경우 교류와의 차이점은 한계의 형태 중 '감지반응'과 '강한 근육반응'은 상향전류의 한계와 하향전류의 한계에 차이가 없으나, 직류일때 '심실세동'은 전류의 방향이 하향전류일 때가 상향전류일 때 보다 한계전류가 약 2배 정도 크다. 따라서, 직류의 경우 상향전류 일 때가 하향전류일 때 보다 위험하므로 안전상에 특히 더 주의해야 한다.
DC TT 및 TN-S 접지시스템은 Type a 일 경우, 전원측 양극도체가 접지된 상태에서는 부하측 음극지락이 발생한 경우 지락경로가 형성이 되었으며, 이때 인체가 부하측 기기를 만졌을 때 인체에 흐르는 전류는 상향경로를 형성하였다. 반대로, 전원측 음극도체가 접지된 상태에서는 부하측 양극지락이 발생한 경우 지락경로가 형성이 되었으며, 이때 인체가 부하측 기기를 만졌을 때 인체에 흐르는 전류는 하향경로를 형성하였다. 따라서, 인체 안전성 측면에서는 전원측 음극도체를 접지하는 것이 바람직하나 전식의 위험성도 고려해야 한다.
DC TT 및 TN-S 접지시스템이 Type b 일 경우, 전원측은 중간선 도체를 접지해야 하며, 부하측 양극지락이 발생할 때와 음극지락이 발생할 때 모두 지락경로가 형성이 되었다. 부하측 음극지락이 발생되었을 때 인체가 부하측 기기를 만졌을 때 인체에 흐르는 전류는 상항경로를 형성하며, 부하측 양극지락이 발생되었을 때 인체가 부하측 기기를 만졌을 때 인체에 흐르는 전류는 하향경로를 형성하였다.
DC TT 및 TN-S 접지시스템이 Type b 일 경우는 Type a 일 경우에 비해 대지전위가 반으로 줄어들기 때문에, 감전의 위험성은 줄어든다.
DC IT 시스템은 전원측의 접지 전극이 대지와 분리되어 있거나 고저항을 통해 접속되어 있으므로, 지락이 발생하더라도 접지 전극에 흐르는 전류가 거의 없거나 아주 작기 때문에 감전의 위험성 및 전식에 대한 우려가 적다.
그러나 DC IT 시스템에 있어서 1차 고장과 2차 고장이 동시에 발생할 경우 인체가 노출도전부를 접촉하였을 때 지락경로가 발생하며, 이에 따라 감전이 발생할 수 있으므로 누전차단기 적용 등의 보호 수단이 필요하다. 따라서, 1차 고장 발생시 차단하지 않더라도, 1차 고장이 발생하였을 때 지락전류가 아주 작아 고장검출이 어려우므로, 절연모니터링 장치와 같은 보호수단과 보호장치를 사용하여 초기지락이 발생한 경우를 모니터링을 할 수 있다.
DC IT 시스템에서 Type b의 전원측의 중간선 접지방식은 대지전위를 반으로 낮출 수 있어서 감전위험성을 줄일 수 있다. 그러나 직류전원의 중간점을 찾기 어려운 경우 고저항 2개를 삽입하여 중간점을 만들어 적용이 가능하다. 이 경우 지락발생시 대지전위를 낮출 수 있으며, 지락전류의 크기를 저항을 통해서 제한할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템은 DC접지시스템 대분류(5종)에서 평가파라메터에 의한 평가를 수행하여 접지방식 5종 중 1가지를 선택하고, DC접지시스템의 소분류(4종)에서 지락경로 흐름에 따른 평가를 통해 4종 중, 1가지를 선택하여 DC접지시스템을 최종 결정할 수 있도록 할 수 있다.(총 16가지 중 택 1)
본 발명에 의하면, 전원과 설비측의 관계에 따라 설비측에서 양극 또는 음극이 지락되었을 때, 직류시스템 전원부 접지방식인 양극, 음극, 중간점 접지방식 각각을 고려하여 부하측 지락조건에 따라 인체가 설비에 접촉시 지락경로 흐름을 세부 분석할 수 있고, IEC 60364에서 분류하고 있는 접지방식 분류에 따라 지락이 발생하였을 때 감전경로를 세부적으로 분석하여, 1차 고장발생시 차단하지 않더라도 1차 고장이 발생시 지락전류가 작아 고장검출이 어려우므로, 절연모니터링 장치와 같은 보호수단과 보호장치를 이용하여 초기지락이 발생한 경우를 모니터링할 수 있다.
그리고 1차 고장이 발생하였을 때 지락전류가 작아 고장검출이 어렵기 때문에 절연 모니터링 장치와 같은 보호수단과 보호장치를 사용하여 초기지락이 발생한 경우를 모니터링할 수 있는 효과가 있고, 전원측의 중간선 접지방식에서 대지전위를 반으로 낮출 수 있어서 감전위험성을 줄일 수 있는 효과가 있다. 그리고 직류전원의 중간점을 찾기 어려운 경우 고저항 2개를 삽입하여 중간점을 만들어 적용할 수 있고, 이 경우 지락발생시 대지전위를 낮출 수 있으며, 지락전류의 크기를 저항을 통해 제한할 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 파라메터 분류부 200 : 접지방식 1차 결정부
210 : TN방식 모듈 220 : TT방식 모듈
230 : IT방식 모듈 300 : 지락경로 흐름분석부
310 : 하향경로 평가모듈 320 : 상향경로 평가모듈
400 : 접지방식 2차 결정부 500 : 절연 모니터링 장치

Claims (6)

  1. 전원부의 대지와의 접속지점 위치에 따라 전력계통의 중성점과 대지의 관계파라미터와, 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계 파라미터를 분류하며, 대지와의 접속시 저항삽입여부에 따라 직접접지, 임피던스 접지, 비접지 및 전압제한 중 어느 하나로 세부 분류하는 파라메터 분류부;
    상기 파라메터 분류부를 통해 분류된 결과, 전력계통의 중성점과 대지의 관계, 전력설비에 노출된 도전성 부분과 대지의 관계에 따라 1차 접지방식을 DC TT, DC TN-C, DC TN-S, DC TN-C-S 및 DC IT 중 어느 하나를 결정하도록 하는 접지방식 1차 결정부;
    상기 접지방식 1차 결정부의 결과에 의한 지락경로 흐름을 전원측 접지와 부하측 지락에 따라 감전경로를 평가하도록 하는 지락경로 흐름분석부; 및
    상기 지락경로 흐름분석부를 통한 지락경로 흐름분석 결과에 따라 전원측 양극접지, 전원측 음극접지, 전원측 양극도체 고저항 중간점 접지 및 전원측 중간선 접지 중 어느 하나로 접지방식을 선택하도록 하는 접지방식 2차 결정부;를 포함하며,
    상기 접지방식 1차 결정부는 직류전원의 중간선(중성점(N))과 보호접지(PE)가 연결된 지점에 따라 접지방식을 결정하도록 하는 TN방식 모듈;을 포함하며,
    상기 TN방식 모듈은 보호접지(PE)와 중성점(N)이 직류전원 근처에서만 서로 연결되어 있고, 중성점과 보호접지는 전 구간에서 분리되어있는 방식(TN-S), 보호도체접지(PE)와 중간선(중성점(N))이 전 구간에서 공통으로 사용되는 방식(TN-C) 및 보호도체접지(PE)와 중간선(중성점(N))이 연결되어 있다가 특정구간부터 분리된 방식(TN-C-S) 중 어느 하나를 결정하도록 하는 것을 특징으로 하는 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 접지방식 1차 결정부는,
    직류전원의 중간선(중성점(N))과 보호도체 접지(PE)가 연결된 지점에 따라 접지방식을 결정하도록 하는 TN방식 모듈;
    직류전원의 접지극과는 별도로 각 수용가에서 접지극을 설치하도록 하는 접지방식을 결정하도록 하는 TT방식 모듈; 및
    전원이 접지되어 있지 않거나 높은 임피던스로 접지되며, 수용가에서는 별도의 접지극을 설치하는 접지방식을 결정하도록 하는 IT방식 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 지락경로 흐름분석부는 전원측 접지와 부하측 지락에 따라 지락경로를 평가하되,
    전원측 음극도체 접지 또는 전원측 중간선 접지, 부하측 양극지락인 경우 지락경로를 하향경로로 하는 하향경로 평가모듈; 및
    전원측 양극도체 접지 또는 전원측 중간선 접지, 부하측 음극지락인 경우 지락경로를 상향경로로 하는 상향경로 평가모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접지방식 1차 결정부에서, 고저항을 통해 접지되고, 노출된 도전성 부분을 직접 대지와 연결된 IT방식으로 결정한 경우, 전원측 도체 고저항 또는 전원측 중간선 고저항, 부하측 음극 또는 양극 지락을 모니터링하는 절연모니터링 장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지락경로 흐름 분석에 따른 저압직류 접지시스템.
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KR20220087879A (ko) * 2020-12-18 2022-06-27 한국 전기안전공사 직류 접지방식 통합 계통 구성 방법 및 모의시험 장치

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