3상 4선 시스템에서 중성선이 끊어지면 발생하는 일

 

이번 포스팅은 3상 4선 시스템에서 중성선이 끊어지면 발생하는 일에 대하여 검토해 보겠습니다. 전기 카페에서 질문이 올라 왔는데 중성선이 끊어졌는데 부하 차단기 (ELB)가 줄줄이 트립 되었고 한 부하는 소손되었다고 합니다. 왜 그런 일이 발생하는지 따져 보도록 하겠습니다.

 

저전압 3상 4선 네트워크의 중성선이 끊어지는 것은 기기 고장뿐만 아니라 생명을 위협하는 접촉 사고의 가능성이 더욱 중요한 문제입니다. KEC 기준에 따라 설치되는 접지 누설 차단기(ELCB)는 이러한 기기 고장 및 가능한 접촉 사고와 관련된 접지 고장 상태를 해소하기 위해 모든 가정용 배전함에 의도적으로 설치되었습니다. ELCB 설계의 제한으로 인해 이 장치는 중성선이 끊어진 경우에는 작동하지 못하므로 시스템이 위험하고 안전하지 않게 됩니다.

위 그림에서 보면 단상 부하용 ELCB 전단에서 중성선이 끊어진 상태인데 이 경우 접지 누설 전류가 흐르는 것이 아니기 때문에 ELCB가 동작할 수 없게 되어있습니다. 이것이 ELCB의 설계 한계입니다.

 

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그러나 일반적인 중성선 끊어짐의 사고는 ELCB 전단이 아닌 공급 측 가공선에서 절단되는 경우가 많습니다. 그러면 회로는 다음과 같이 변하게 됩니다.

위 그림에서 보면 단상 부하에 3상용 즉 선간 전압이 걸리는 것을 볼 수 있습니다. 공급 측 중성선이 끊어지면 나머지 중성선이 중간 통로가 되어서 단상 부하에 선간 전압이 걸리는 사태가 발생하는 것입니다.

 

이 상태는 매우 위험한데요 일반적으로 220V 단상 부하에 380V가 걸리면 당연히 부하가 과전압에 노출되어 기기가 손상됩니다. 그리고 과전압으로 인해서 과전류가 흐르게 되어 화재의 위험이 발생하고 기기가 손상됩니다.

 

이러한 경우에 ELCB의 접지 누설 전류 감지 기능은 작동을 하지 않습니다. 대신에 과전류 보호 장치가 작동을 하게 됩니다. 전압이 1.73배 증가하여 전류가 그만큼 증가했다고 하면 보통 ELCB의 동작시간은 5초가 넘습니다. (ELCB 동작 특성 곡선 참조). 그 사이에 부하는 타버리든지 아니면 견디는 것은 ELCB가 과부하로 트립 되겠죠.

 

중성선 절단으로 인한 위험은 다음과 같습니다.

 

위의 위험은 외국의 예라고 참고해 주시기 바랍니다. 중성선 단절을 방치하면 법적인 문제도 생긴다고 합니다.

 

결론적으로 중성선 절단이 발생하면

1. 부하에 선간 전압이 인가되어 220V 부하에 380V가 인가되어 과전압의 위험이 커집니다.

2. 과전압 인가에 따라 부하 전류도 1.73배 증가하여 과전류가 흐르게 됩니다.

3. ELCB를 설치한 경우 접지 누설 감지 기능은 동작하지 않습니다.

4. ELCB의 과전류 보호 기능이 동작해서 트립 되는데 5초 정도 걸립니다.

5. 과전류 트립이 될 때까지 부하가 견디면 괜찮지만 부하가 약하면 타거나 터지는 사고가 발생할 수 있습니다.

 

외국의 자료를 보니까 ELCB에 과전압 감지 기능을 추가하여 중성선이 단절되어 중성선에 과전압이 인가되면 그것을 감지하여 ELCB를 트립 시키는 기능이 추가된 ELCB가 적용된다고 합니다. 아니면 별도의 장치를 병렬로 달아서 과전압시에 ELCB를 트립 시키는 방법도 소개되어 있습니다. 단상 220V 부스가 있으면 과전압 계전기를 달아서 300V 이상이 걸리면 메인을 트립 시키는 방법도 생각해 볼 수 있겠습니다.

 

참조가 되기를 바랍니다.