2.1 아크 플래쉬 재해방지를 위한 작업자의 보호장구

피부화상은 일반적으로 피부재생이 가능한 2도 이하의 화상과 피하조직의 손상으로 회복할 수 없는 3도 이상의 화상으로 구분한다⁽³⁾. 따라서 아크 플래쉬 발생시 사고에너지 1.2Cal/㎠ 이하(2도 화상)로 노출되어야 하며 2도 화상 기준이 개인 안전보호장구의 적합성 기준으로 사용된다.

표 1은 NFPA 70E에 규정된 사고에너지의 크기별 개인보호장구의 착용기준을 나타낸 것이다⁽⁴⁾.

그림 1 아크에너지, 보호거리, 개인보호장구 등급의 관계

Fig. 1 Arc energy, protection distance, and PPE level

그림 1은 IEEE 1584의 사고에너지 크기와 보호거리와 함께 NFPA 70E의 사고에너지 크기별 등급을 나타내고 있다. 특히 사고에너지 40Cal/㎠를 초과하는 경우에는 활선작업을 금지하고 휴전작업을 하도록 권고하고 있다.

그림 2는 위험등급별 개인보호장구의 예를 나타낸 것이다.

그림 2 PPE 등급별 보호장구 권고(예)

Fig. 2 Examples of PPE by PPE level

2.2 아크 플래쉬 에너지의 계산

IEEE std. 1584(Arc Flash Hazard Calculations)는 아크 플래쉬에 의한 사고에너지 계산방법을 그림 3과 같이 제시하고 있다. 이는 실험에 의한 통계식이며 이와 같은 계산방법을 이용하여 아크 플래쉬에 대한 사고에너지를 계산하고 거리별 위험등급을 산출하여 개인보호장구 등급설정을 할 수 있도록 하였다⁽⁵⁾.

그림 3 아크 플래쉬 계산 방법

Fig. 3 Calculation of Arc Flash

① 아크 고장전류

② 61cm 기준 표준 사고에너지

③ 실제작업거리(46cm)에서의 사고에너지

④ 아크 보호거리(2도 화상 기준)

2.3 아크에너지 모의시험

실제 작업환경에서의 위험도를 평가하기 위하여 IEEE Std 1584, NFPA 70E에 따라 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 사용하여 아크 플래쉬 에너지를 모의하였다.

시험조건은 일반적으로 변전소에서 배전용 변압기까지의 계통임피던스로 사용되는 154kV 1차 BUS : %Z1=0.1826 +j3.36767, %Z0=0.98659+j5.26495 / M.TR : 100MVA 기준 1-2차 31.33%, 2-3차 14.00%, 1-3차 51.67%, NGR 0.6Ω / 2차 BUS : %Z1=1.195 +j44.639, %Z0=0+j52.324를 사용하였다.

이러한 조건에서 CU 325㎟×1km 특고압 배전선로에 설치된 배전용 변압기의 2차 저압간선에서 단락고장이 발생하였을 때, 그림 4와 같이 변압기 직하, 분기 또는 말단 등 고장전류 100%, 55%, 35% 지점에서 퓨즈의 용단시간을 고려한 사고에너지를 모의하였다.

그림 4 아크 플래쉬 사고에너지 시뮬레이션 모델링

Fig. 4 Simulation modelling of Arc Flash incident energy

일반적으로 변압기 용량이 크면 계통 임피던스는 낮고, 큰 고장전류가 발생한다. 그러나 고장전류의 크기와는 다르게 아크 플래쉬에 대한 위험성은 퓨즈의 용단시간에 의해 결정되는 사고에너지와 관련이 깊다. 표 2는 주상변압기 단상 10kVA∼150kVA, 지상변압기 3상 500kVA를 설치할 때 변압기의 용량별 COS 퓨즈의 정격이다⁽⁶⁾.

저압 배전계통은 수지상 방식이며 선로중간에 차단기 없이 변압기 1차 COS 퓨즈로 변압기를 보호하고, 인입선 보호를 위해 인입선의 굵기별로 표 3의 전선퓨즈를 설치하고 있다⁽⁷⁾.

변압기 용량별 COS 퓨즈와 전선퓨즈 용단시간을 모의한 결과 주상변압기 150kVA 2차 측 최대 단락전류의 55% 지점에서 단락발생시 변압기 1차 측 전류는 141A(=257A ×0.55)이며 이때 COS 퓨즈용단시간은 3.7983초, 300A 전선퓨즈를 사용할 때 2차측 전류는 8.1kA, 전선퓨즈 용단시간은 0.015초로 계산되었다.

그림 5 아크 플래쉬 사고에너지 모델링

Fig. 5 Arc Flash incident energy modelling

아크 플래쉬의 사고에너지는 IEEE Std 1584 기준에 따라 그림 5와 같이 모델링하였다. 표 4의 설비조건⁽²⁾과 계통전압, 단락전류, 고장시간, 아크간격과 보정계수를 입력하면 아크고장전류, 사고에너지, 아크보호범위, 작업거리, 개인보호장구 등급을 계산할 수 있다.

2.4 전력설비 조건에 따라 요구되는 개인보호장구 등급

현재 사용하고 있는 집합 전력량계함은 인입선에 전선퓨즈를 그림 6과 같이 시설하고 있다. 변압기 2차 측 직하에서 단락고장 시 발생하는 최대 단락전류 대비 분기선에서 고장전류의 크기가 각각 55%, 35%로 감소 될 때 퓨즈의 용단시간에 따른 아크 플래쉬 사고에너지를 계산하였다.

그림 6 건물의 집합 전력량계함

Fig. 6 Collective watt-hour meter box of a building

예를 들면 주상변압기 150kVA 2차측 직하 최대 단락전류 55% 지점에서 아크간격 13mm, 보정계수 2.0일 때, 단락전류 8.1kA, 고장시간 3.798초, 사고 에너지 67.71Cal/㎠, 아크보호범위 3.76m으로 계산되어 개인보호장구 5등급이 요구되고 그림 1의 기준에 따라 활선작업이 허용되지 않는다.

표 5, 6, 7과 같이 요구되는 개인보호장구 등급이 상향될수록 강화되는 보호장구로 인하여 작업성이 저하되는 문제가 발생한다. 이때 사고에너지를 줄이는 방법은 전선퓨즈를 추가 설치하거나 계통임피던스를 낮추고 단락전류를 증가시켜 COS 퓨즈가 신속하게 동작하게 하는 방법이 있다. 이 중 간단하고 경제적 방법으로 그림 7과 같이 전력량계 전원 측에 전선퓨즈를 부설하면 아크시간을 줄여 사고에너지를 감소시킬 수 있다.

그림 7 전선퓨즈 추가설치 후 집합 전력량계함 배선도

Fig. 7 Collective watt-hour meter box after additional line fuse installation

표 8, 9, 10은 간선과 지선의 전선 굵기에 따라 전력량계 앞에 전선퓨즈를 설치하였을 때 전선퓨즈의 용단시간에 따른 사고에너지의 크기를 모의하였다.

표 8, 9, 10에서와 같이 지정된 기준의 전선퓨즈를 설치하면 대부분 개인보호장구 0등급 수준으로 안전한 작업이 가능하며 표 10의 10kVA 변압기와 같이 단락전류가 작은 개소에 대해서는 별도로 용량이 작은 전선퓨즈의 개발이 필요하다고 할 수 있다.

2.5 전선퓨즈 추가설치 효과검증 실증시험

전선퓨즈의 추가설치 효과를 실증하기 위하여 그림 8과 같이 3상4선식 집합 전력량계함을 설치하고 고장전류 212A를 발생시켜 화재여부를 관찰하였다. 시험방법은 2가지로 시험 1은 CV 60㎟ 간선에 200A 전선퓨즈 1개를 설치한 경우이고 시험 2는 CV 5.5㎟ 분기선에 50A 전선퓨즈를 추가설치하고 시행하였다. 이때 사용한 전선의 허용전류와 전선퓨즈의 용량별 용단특성은 표 11, 12와 같다⁽⁸⁾.

600초 이내

- 시험 1 : 간선에만 전선퓨즈를 설치한 경우

간선의 200A 전선퓨즈는 정격전류의 115%인 230A까지 용단되지 않으므로 212A의 고장전류가 지속되고 5.5㎟ 분기선은 허용전류 48A를 300% 이상 초과하여 화재가 발생하였다.

- 시험 2 : 분기선에 전선퓨즈를 추가 설치한 경우

전력량계 앞에 전선퓨즈를 추가 설치한 경우 212A의 고장전류 발생 시 상별로 4.95∼5.51초에 전선퓨즈가 모두 용단되어 화재가 발생하지 않아 소용량 전선퓨즈의 추가설치 효과를 확인하였다.

그림 8 집합 전력량계 화재 시험

Fig. 8 Firing test of collective watt-hour meter box

3.1 과전압에 의한 Varistor 소손시험

일반적으로 설비보호는 과전류와 과전압에 의한 보호장치로 구분할 수 있다. 과전류에 대한 보호는 퓨즈이고, 과전압에 의한 보호는 피뢰기, 바리스터(Varistor) 등 서지보호 장치가 사용된다. 바리스터는 유도뢰 서지, 개폐서지, 유도성 부하서지 등으로부터 소자와 회로를 보호하기 위하여 대부분의 전자식 전력량계에 사용하고 있다. 바리스터는 인가되는 전압이 항복전압에 도달하기 전까지는 절연체로 작용하다 항복전압에 이르면 갑자기 도체로 변화하는 특성을 갖는다. 즉, 과전압이 발생했을 때 바리스터의 저항을 줄이고 단락함으로써 과전압을 낮추고 회로를 보호한다. 따라서 단락 시 과전류와 과전압의 크기는 설계의 중요한 요소이다. 일반적으로 바리스터는 220V용으로 연속최대전압 300V급(규격 471), 380V용으로 420V급(규격 681)을 사용하며⁽⁹⁾, 220/380V 전자식 전력량계 설계에는 중성선 단선 등을 고려하여 420V급 바리스터를 사용하고 있다. 그러나 설계의 오류로 380V 전력량계에 300V급 바리스터를 사용한 사례가 발견되었다.

바리스터의 절연파괴 전압을 확인하기 위하여 시험실에서 300V급 바리스터에 0∼600V의 전압을 인가한 결과 약 300V에서 통과전류가 급증하면서 소손되었다. 바리스터의 저항은 소손 전 198kΩ, 소손 후 저항은 2.1Ω로 측정되었다. 또한, 현장시험에서 300V급 바리스터를 사용한 220/380V전력량계를 오결선한 후 전원을 투입하였을 때 그림 9와 같이 바리스터 소손으로 화재가 발생하였다⁽¹⁰⁾.

그림 9 Varistor 부적정 선정에 의한 화재

Fig. 9 Fire caused by improper selection of varistor

3.2 적정규격 바리스터의 선정

전력량계 회로에서 과전압이 발생하면 바리스터 저항이 파괴되어 단락전류가 발생하므로 바리스터 용량을 고려하여야 한다. 바리스터 선정 시 고려사항은 그림 10과 같다.

그림 10 바리스터 선정 절차

Fig. 10 Varistor selection procedure

① 바리스터 전압결정 : ZnO 특성에서 전류가 급격히 상승을 시작하는 임계전압으로 전류 1mA일 때 바리스터 양단의 전압이다.

② 서지 전류 : 서지 전압에 등가 임피던스를 나누어 계산한다. 계산된 서지 전류와 바리스터의 서지 전류 용량을 비교하여 허용전류보다 크면 직렬저항을 조절하여 바리스터전압변동이 ±10% 이내일 때를 기준으로 서지 전류를 선정한다.

③ 제한전압 : 8㎲/20㎲ 파형의 전류를 인가할 때 소자에 의해 제한되는 전압이다.

④ 바리스터 열용량 선정 : 순간 과전류 또는 서지전류에 대해 소자가 파괴되지 않고 정상적인 작동을 할 수 있을 정도의 최대 허용 에너지 내량으로 소자의 지름, 두께, 방열성능을 고려한다.