예상 접촉 전압의 계산 (TT 시스템)

 

이번 포스팅에서는 앞선 접촉 전압의 이해에 연결되는 포스팅으로 TT 접지 시스템에서의 예상 접촉 전압을 계산하는 내용을 다루도록 하겠습니다. 이번 포스팅 다음에는 TN-C-S 접지 시스템에 대해서도 다룰 예정입니다.

 

Calculation of Prospective Touch Voltages

예상 접촉 전압의 계산

 

변압기와 가공 선로 또는 지중 케이블로 구성된 저전압 배전 계통에 연결된 건물의 전기적 설비인 가장 일반적인 배전 시스템에 대한 예상 접촉 전압의 값을 추정해 보겠습니다.

 

TT 접지 계통에서의 예상 접촉 전압 계산

TT 형식의 계통 접지에 해당하는 건물의 전기 설비에서, 제1급 위험 전기 설비의 기본 절연이 고장나고 노출도전부에 지락이 발생하면, 접지 고장 전류가 전기 회로에서 노출도전부로 흐르게됩니다.

 

노출도전부에서 보호 도체, 주 접지 단자, 접지 도체 및 접지 전극을 통해 현장의 접지로 전류가 흐릅니다. 접지를 통해 접지 고장 전류는 10/0.4 kV 변전소에 설치된 변압기 중성의 접지의 접지 전극으로 흐릅니다(그림 1 참조).

 

그림 1에 표시된 TT 시스템의 단순화된 회로를 생각해 보십시오. 접지 고장 전류는 배전 선로의 상 도체, 건물의 전기 설비의 상 도체 및 보호 도체, 전원 공급 장치와 건물의 전기 설비의 접지 및 전원 공급 장치에 의해 형성된 폐루프에서 흐릅니다.

Figure 1. Simplified substitution diagram of the TT system

Figure 1 에서:

• ZL DL : 변전소의 저전압 개폐기에서 건물 전기 설비의 입력 단까지의 배전선로의 상도체의 임피던스
• ZL EIB : 건물 전기 설비의 입력 단에서 접지 고장 지점까지의 배전 및 최종 전기 회로의 상도체의 임피던스
• ZPE EIB : 건물의 전기 설비의 접지의 주 접지 단자에서 접지 고장 지점까지의 배전 및 최종 전기 회로의 보호 도체의 임피던스
• ZEA PS – 전력 공급단의 접지 임피던스
• ZEA EIB – 빌딩 전기 설비의 접지 임피던스
• IEF – 지락 고장 전류 (earth fault current)
• UTP EIB –빌딩 전기 설비에서의 예상 접촉 전압
• UTP E - 대지에 대한 예상 접촉 전압
• 1 – 1급 위험 전기 설비의 노출 도전부
• 2 – 대지
• 3 – 빌딩 전기 설비의 주 접지 단자

 

아래 그림은 위의 임피던스 루프를 실제 회로로 표현한 것입니다. 실제 회로를 사용하여 이해를 돕기 위한 목적입니다. 아래 그림을 보면 허용 접촉 전압 이내로 접촉 전압을 제한하기 위해서 필요한 접지 저항이 얼마인지 계산할 수 있습니다. 한전쪽 접지 저항을 알고 모든 임피던스 값을 알면 허용 접촉 전압을 만족 시키기 위한 건물쪽 접지 저항값을 구할 수 있게되는 것입니다.

 

또한 이 그림에서 왜 KEC 규정에 따른 접지 저항을 구하기가 어려운지도 이해할 수 있습니다. 모든 건물이나 실제 현장에서 케이블 길이가 다르고 굵기도 달라서 접지 저항 값을 구하려면 이 모든 데이터을 알아야 하고 계산해야 하기 때문입니다.

 

건물의 전기 설비에서 예상 터치 전압의 값 UTP EIB은 등급 I 위험 전기 설비의 노출 도전부에 위치한 접지 고장 지점 1에서 주 접지 단자 3까지의 전기 회로의 보호 도체의 임피던스 ZPE EIB에 걸친 전압 강하와 같습니다:

 

UTP EIB = ZPE EIB × IEF, 여기서 IEF는 지락 고장 전류, A.

 

건물의 전기 설비에서 예상 접촉 전압이 낮은 이유는 다음 두 가지입니다:

• 첫째, 건물의 전기 설비에서 보호 도체의 임피던스는 일반적으로 1옴 미만입니다.
• 둘째, TT 시스템의 접지 고장 전류는 일반적으로 수 암페어 미만입니다.

300x250

대지에 대한 예상 접촉 전압 UTPE의 값은 건물의 전기 설비의 보호 도체의 임피던스 ZPE EIB에 걸린 전압 강하와 주 접지 단자 3에서 접지 2까지의 건물의 전기 설비의 접지 임피던스 ZEA EIB에 걸린 전압 강하의 합과 같습니다:

• UTP E = (ZPE EIB + ZEA EIB) × IEF.

 

배전선로의 상 도체, 건물 내의 상 도체 및 건물의 전기 설비의 전기 회로의 보호 도체의 임피던스의 합이 전력 공급단의 접지 임피던스와 건물의 전기 설비의 임피던스의 합보다 실질적으로 작으므로 대지에 대한 예상 접촉 전압은 다음과 같이 근사화할 수 있습니다:

• UTP E ≈ ZEA EIB × IEF ≈ Uo × ZEA EIB / (ZEA PS + ZEA EIB ), 여기서 Uo는 공칭 상전압입니다.

 

이 식은 위의 식에서 ZPE EIB 값이 작으므로 무시하고 계산한 것입니다. 그리고

IEF = Uo / (ZEA PS + ZEA EIB ) 의 수식을 합친 것입니다.

 

 

예를 들어, 건물의 전기 설비의 공칭 전압이 230/400 V이고, 변압기 변전소의 변압기 중성점 접지의 임피던스가 4 ohm (ZEA PS)이고, 건물의 전기 설비의 접지의 임피던스가 10 ohm (ZEA EIB) 이면, 건물의 전기 설비에 대한 예상 접촉 전압의 값은 대략 다음과 같습니다:

• UTPE ≈ 230V × 10 Ohm / (4+10) Ohm ≈ 164V, 여기서 230V는 공칭 상전압입니다.

 

만약 일반적인 국내의 경우에 변압기 접지 저항이 10ohm 이고 빌딩의 접지 저항은 100ohm 이라고 하면 UTPE = 220V x 100 / (10 + 100) = 200V가 됩니다.

 

대지에 대한 예상 접촉 전압의 값은 전원 공급단의 접지와 건물의 전기 설비의 임피던스 비율에 따라 달라집니다. 전력 공급단의 접지 임피던스가 감소하고, 건물의 전기설비의 접지의 임피던스가 증가하면 대지에 대한 예상 접촉 전압이 증가합니다.

 

IEC 60364-4-41에 따르면 TT 유형의 시스템 접지를 갖는 건물의 전기 설비에서는 일반적으로 잔류 전류 장치 (residual current device)가 공급단을 자동 차단하는 용도의 보호 장치로 사용됩니다. 따라서 건물의 전기 설비의 접지 임피던스는 100Ω보다 클 수 있습니다.

 

만약 변압기 중성점 접지의 임피던스가 4 ohm이고 빌딩의 전기설비의 접지 임피던스가 100 ohm이면 대지에 대한 예상 접촉 전압은 상전압과 거의 같을 것입니다.

• UTP E ≈ 230 V × 100 Ohm / (4+100) Ohm ≈ 221 V.

 

결론적으로 보면 예상 접촉 전압의 계산에서 중요한 요소는 전원 공급단의 접지 저항과 빌딩 전기 설비의 접지 저항 두가지입니다. 이 두개의 값과 상전압만 알면 계산이 됩니다.

예상 접촉 전압 = 상전압 x 빌딩 접지 저항 / (전원 공급단 접지 저항 + 빌딩 접지 저항)