1. 서 론

전력망에 연계되어 운영되는 전기설비 및 제품들은 서지(Surge)에 노출되어 운영되고 있다⁽¹⁾-⁽²⁾. 서지는 내부서지와 외부서지로 구분할 수 있다. 내부 서지의 경우에는 차단기 동작 등에 따른 개폐서지이며, 외부 서지의 경우에는 뇌격에 의한 서지이다⁽³⁾. 최근 전기설비 및 제품들은 반도체 제어 및 집적화를 바탕으로 고도화가 진행되고 있다. 하지만 이러한 제품의 고도화는 서지에 대한 내성이 약해진다는 단점이 있으며, 지속적으로 제품에 대한 서지의 유입은 제품의 소손을 초래할 수 있다⁽⁴⁾. 따라서 전력망에 연계된 전기설비 및 제품들은 서지에 대한 강인성 제공이 필요하며, 이는 정상 운영 중 서지의 유입이 발생하더라도 이를 견디기 위한 최소한의 서지내성을 확보해야한다.

서지에 대한 최소한의 전기설비 및 제품에 대한 보호수준을 제공하기 위해, 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC) 및 전기전자공학자협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) 등에서는 표준을 운영하고 있다⁽⁵⁾-⁽⁹⁾. IEEE Std. C62.41.1에서는 1,000 V 이하 저전압 교류계통에서 서지가 발생할 것으로 예상되는 다양한 환경에 대해 제시하였다⁽⁵⁾. 더욱이, IEEE Std. C62.41.2 및 IEC 61000-4-5에서는 서지에 대한 제품의 강인성을 평가하기 위한 대표적인 파형을 제시하였다⁽⁶⁾-⁽⁷⁾. 최근에는 태양광, 풍력설비 등 다양한 전기설비를 위한 서지보호 표준이 지속적으로 개발되고 있다⁽⁸⁾-⁽⁹⁾.

서지로 인해 발생하는 전자시스템의 오동작, 정전, 소자의 소손 등을 방지하기 위해서는 서지 경로의 특성 분석과 안전한 사용을 위한 예방책 마련이 필요하다. 산업분야에서는 제어시스템의 오동작으로 정전 또는 생산의 불필요한 영향을 일으켜 물적 손실을 초래할 수 있다. 또한, 주거분야에서는 오동작이 발생한 제품의 교체와 정전이라는 불편함을 초래할 수 있다. 공동주택 등의 안전검사를 예로 들면, 전기설비의 절연열화 상태 측정에는 수변전실에서의 각 동력, 공용설비, 전등, 전열설비 전원공급을 차단기 등을 통한 개폐가 수반된다. 이때 발생하는 서지는 차단기를 개폐하면서 전류차단 과정에서 전류의 순간적인 변화로 발생하는 일상적인 현상이나, 전로에 연계된 저압기계기구로 전파됨에 따라 저압기계기구 본래의 절연 상실로 고장에 이르게 한다⁽¹⁰⁾-⁽¹¹⁾.

개폐 시 발생한 서지에 대한 연구가 진행되었다⁽¹²⁾-⁽¹⁵⁾. 이러한 연구에서는 서지에 대한 특성 분석과 원인조사 연구가 상당 수 확인된다. 저압기계기구를 대상으로 서지 특성을 분석한 연구는 다소 부족한 실정이지만, 주전원 차단 시 개인용 컴퓨터에 미치는 영향에 대해 연구되었다. 상기 연구에서는 개인용 컴퓨터에 대해, 바리스터 유무에 따른 서지에 대한 내성을 검토하였다⁽¹⁵⁾. SPD(Surge Protect Device), 개인용 컴퓨터 등에 대한 서지 내성 연구가 수행되었다⁽¹⁶⁾. 연구에 따르면, 서지의 크기에 따라 SPD, 개인용 컴퓨터 등의 소손이 발생할 수 있다는 것을 실험으로 검토하였고, 지속적인 서지인가는 전원공급부에 존재하는 바리스터 및 입력퓨즈 등이 손상될 수 있음을 확인하였다.

최근 저압기계기구의 소손 발생이 증가하는 추세에 있다. 한국전기안전공사의 지난 10년('12~'21)간 발생한 경미한 사고와 전문인배상 통계에 의하면, 총 331건의 사고(경미한 사고 290건, 전문인배상 41건)가 발생하였으며, 이 중 개폐서지에 의해 집계된 고장 건수는 240건(경미한사고 235건, 전문인 배상 5건)이었다⁽¹⁷⁾. 최근 5년간('17~'21년) 저압기계기구의 고장이 발생한 제품군을 살펴보면 비디오폰, 키폰, 월패드와 같은 인터폰 류가 28.8 % 이었으며, 냉장고, 텔레비전, 김치냉장고, CCTV가 각각 23.7 %, 17.3 %, 16.5 %, 13.7 % 순으로 확인된다. 상기 통계에 의하면, 대부분의 저압기계기구의 고장은 전원부가 존재하고 있는 PCB(Printed Circuit Board)에서 발생하였다. 사용 연수 경과에 따라 열화가 진행된 저압기계기구는 PCB에서 기본적으로 보유할 절연내력과 PCB를 보호하기 위한 보호소자가 열화로 서지에 대한 내성이 약해진다⁽¹⁸⁾-⁽¹⁹⁾. 따라서 개폐서지 등 전기서지에 빈번하게 노출된 저압기계기구는 수명 및 기능이 저하될 가능성이 높음에 따라, 이에 대한 영향 검토가 필요하다.

본 논문에서는 저압 개폐서지 특성 분석을 통한 저압기계기구 소손예방에 대해 제언한다. 전원 개폐 시 발생하는 서지는 저압기계기구에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 전원 개폐 시 서지 발생에 대한 국내외 관련 연구사례를 조사 및 분석한다. 또한 소손 발생이 접수된 제품에 대해 서지내성 실험 등을 통해 전원 개폐 시 발생하는 서지에 대한 저압기계기구 소손 영향에 대해 검토한 후 보다 안전을 확보할 수 있는 방안에 대해 제언한다.

본 논문의 전체 구성은 1장에서 본 연구의 배경 및 필요성을 다루며, 2장에서는 저압계통에서 발생하는 노이즈 특성에 대해 다룬다. 3장에서는 저압기계기구의 고장이 발생한 제품에 대한 실태조사를 근거로 하여 사고다발 제품군의 서지내성실험 수행과 전원 개폐 시 발생하는 서지에 대한 기술검토를 수행하였고, 마지막으로 4장에서는 본 연구의 결론을 기술한다.

2. 저압계통에서 발생하는 노이즈 특성

노이즈는 발생되는 크기와 영향에 따라 특성이 구분된다. 단시간 영향을 주는 경우에는 인지가 가능하나, 장시간 영향을 미칠 경우, 노이즈 영향을 인지하는데 어렵게 된다. 통상 IEEE Std. C62.41.2에 정의된 고에너지와 과다노출에 의한 시스템의 영향이나 새그(Sag)나 스웰(Swell)에 관련된 문제점 등이 수시로 영향을 미치는 인자가 된다⁽⁷⁾. 이에 따라, 외란에 따른 지속시간에 따라 평가하기 위한 2차원 형태의 전력 수용도 곡선이 제안되었다. 그중 잘 알려진 것은 CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturers Association) 곡선이며, 1970년대 개발되었다⁽²⁰⁾. 그림 1은 CBEMA 곡선과 그에 따른 주요 설명을 나타낸다. CBEMA 곡선은 전력 수용도 곡선 중의 하나로서 정상모드전압(Normal Mode Voltage)에 대한 적정성을 확인할 수 있고, 전압변동의 크기와 지속시간에 대한 허용오차로 정의된다. 보라색 실선은 허용범위를 나타낸다. 예로써, 사용전압을 100 %를 기준으로 서지는 300 %일 경우 100 us 이내, 200 %일 경우 1 ms 이내, 130 %일 경우 8.33 ms 이내에 위치하여야 허용가능으로 간주된다. 장시간 영역대의 변동의 경우, 최대허용 과전압은 106 %, 최대허용 저전압은 87 %이다. CBEMA 곡선은 IEEE 446에 채택되어 활용되고 있다⁽²¹⁾.

그림. 1. CBEMA 곡선⁽²¹⁾

Fig. 1. CBEMA curve⁽²¹⁾

그림. 2. 임펄스 파형⁽²²⁾

Fig. 2. Waveform of impulse⁽²²⁾

서지는 전기회로에서 있어서 자연현상에서 기인하는 뇌격 또는 전력계통에서 개폐조작에 따라 발생하는 과도 임펄스 또는 스파이크 파형을 말한다. 특히, 전로를 따라 전파되는 과도 전압파이며 빠른 증가와 느린 전압 감소로 나타나는 특징이 있다⁽²²⁾. 그림 2는 임펄스 파형을 나타낸다. t1은 상승시간, t2는 반치시간을 나타낸다. IEC 60060-1에 따르면 1.2/50 us 임펄스는 표준 낙뢰 임펄스, 250/2500 us 임펄스는 표준 개폐서지 임펄스로 활용된다.

2.4 저압계통의 정전 구분

정전의 경우, 산업분야에서는 생산품의 불량률 상승은 물론, 재가동까지의 생산중단과 작업자 안전까지의 위험을 초래할 수 있으며, 주거분야에서는 불편함을 초래한다. 표 4는 저압계통에서의 정전 구분과 이에 대한 비교를 나타낸다⁽²³⁾. 정전은 0.1 p.u. 미만으로 전압이 감소하며, 또한 순간정전(Momentary interruption)과 일시적인 정전(Temporary interruption), 지속 정전(Sustained interruption)은 외란의 지속시간으로 구분할 수 있다.

표 4. 저압계통의 정전 비교 ⁽²³⁾

Table 4. The comparison of interruption on low-voltage systems ⁽²³⁾

Classification	NLV (p.u.)	Time
Instantaneous interruption	≤ 0.1	8.3 ms - 0.5 s
Momentary interruption	≤ 0.1	8.3 ms - 3 s
Temporary interruption	≤ 0.1	3-60 s
Sustained interruption	≤ 0.1	> 1 min

정전의 상태나 시간에 따라 정전을 정의하는 다양한 방법이 있다. 따라서 현장의 노이즈 등에 의해 발생할 수 있는 다양성에 대해 인지하고 시스템 구조 파악을 통해 해결방안을 마련할 필요가 있다. 상기의 내용을 종합하여 CBEMA 곡선을 재정리하면, 다음의 그림 3과 같이 표현될 수 있다.

그림. 3. 발생원에 따라 정의한 CBEMA 곡선

Fig. 3. The CBEMA curve defined by source

3. 개폐서지 영향 조사와 기술검토

개폐서지는 차단기 또는 개폐기를 사용하여 정상적인 부하 개폐 시 발생한다. 또한 차단기가 고장전류를 차단하거나 전류가 0점에서 차단되지 않거나, 스위칭의 재점호에 의해 발생하는 서지를 의미한다. 개폐서지는 뇌서지에 비해 크기가 작고 파두시간이 더 느리지만, 지속시간이 훨씬 길고 에너지 함량이 높아 전기회로의 절연에 좋지 않은 영향을 준다. 개폐서지는 스위칭 시점의 초기 전압이 최종 전압과 크기 및 극성이 불일치 할 때마다 발생한다. 부하 구성에 따른 동상전류 차단, 지상전류 차단, 진상전류 차단 등에 개폐서지가 발생하는 양상이 다르다. 개폐서지의 크기는 일반적으로 초기 상태에서 스위칭 되는 동안 손실이 없다고 가정할 경우, 약 2 p.u.까지 증가하는 특징을 가진다⁽¹¹⁾, ⁽²⁵⁾. 전력망 내 이러한 개폐서지는 과도진동의 초기 2～3주기 동안 상당한 진폭을 갖는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 수용가의 부하는 인덕터, 커패시터, 저항으로 구성된다. 인덕터와 커패시터는 에너지를 보유하는 상대적인 소자이기 때문에 서로 자기에너지와 정전에너지를 주고받는다. 이때 자기에너지는 $E_{L}=0.5LI^{2}$으로 표현될 수 있고, 정전에너지는 $E_{c}= 0.5CV^{2}$으로 표현된다. L과 C소자는 과도상태를 유발하므로, 차단기가 투입될 경우 에너지가 충전된 전원측과 방전상태의 부하측의 에너지교환이 발생한다. 이에 따라, 정상전압 대비 높은 크기의 오버슈트와 고주파를 포함한 이상전압이 발생하게 된다.

3.1 IEC 61000-4-5에 의한 개폐서지 검증

그림 4는 서지발생장치와 시험구성을 나타낸다. 저압기계기구를 대상으로 서지에 대한 내성을 검토하기 위해, 본 논문에서는 IEC 61000-4-5에 의거한 서지발생을 통해 검증을 실시하였다⁽⁶⁾. 서지발생시험장치는 서지발생장치(20 kV/10 kA급, SG2414), 3 kV 디커플링 트랜스포머로 구성된다. 서지 계측을 위해 최대사용전압 6 kV의 프로브가 사용되었다. 결선은 L-N연결, L-G연결, N-G연결을 통해 시료에 서지를 인가하였다.

그림. 4. 서지발생장치와 시험구성

Fig. 4. The surge generator and experimental performance

그림 5와 6은 서지인가 파형을 나타낸다. 시료에 가한 전압은 1 kV, 2 kV, 4 kV이다. 직류전원의 경우 정극성, 부극성 임펄스 각 5회 인가하였고, 교류전원의 경우 위상의 0°, 90°, 270°에서 정극성, 부극성 임펄스 각 5회를 90초 간격으로 인가하였다.

그림. 5. 부극성 서지인가 파형(1 kV)

Fig. 5. Negative polarity surge waveform (1 kV)

전압을 높이면서 위상에 따른 영향을 확인할 수 있도록 구분하였으며, 전압이 높을수록 시료에 영향을 미칠 것으로 판단하였다.

그림. 6. 정극성 서지인가 파형(4 kV)

Fig. 6. Negative polarity surge waveform (4 kV)

서지인가 대상은 최근 5년간('17~'21년) 저압기계기구의 고장이 발생한 제품 실태조사를 바탕으로 소손 비율이 높은 비디오폰과 CCTV가 선정되었다. 시험 시료는 비디오폰 10개, CCTV 10개를 확보하였다. 비디오폰의 시험시료는 중고품 5건, 전시품 2건, 신품 3건으로 구성된다. 비디오폰을 대상으로 서지인가 시험을 수행한 결과, 7건에 대해서는 규격 내 정상동작을 하였지만, 중고품 2건과 신품 시료 1건에서 소손이 발생하였다. 이 중, 중고품 2건의 경우에는 전원인가 시 퓨즈(시료 3) 및 제너다이오드(시료 5)가 소손되었으며, 이는 중고품이다 보니 먼지 등에 따른 내부단락에 의해 허용전류를 초과한 것으로 판단된다. 신품 시료 1건(시료 9)의 경우 서지인가실험 도중 써미스터 소손이 발생하였다. 소손당시 실험조건은 L-N결선 4 kV 인가, 정극성, 270도 조건이었다. PCB 기판 확인 결과, 써미스터 외 주변 소자의 파손흔적은 찾아볼 수 없었다. 실험조건과 유사하게, 지속적인 서지가 제품이 인가된다면 소자의 발열 증가로 신품일지라도 파손될 수 있다는 가능성을 확인하였다. 서미스터의 경우 세라믹으로 구성되며, 콘덴서의 성질을 가지고 있다. 신품의 경우에도 제조과정에서 이물질의 혼입 및 손상, 재료의 세라믹화에 이물질 및 불량품 혼입 등으로 제 기능을 발휘하지 못한 것으로도 추정할 수 있다.

CCTV의 시험시료는 중고품 6건, 신품 4건으로 구성된다. CCTV의 경우에는 모두 직류어댑터로 공급되는 특징이 있다. 이에 따라, 내부조사결과 서지보호회로는 존재하지 않았으며, 서지보호는 직류어댑터에서 수행한다. CCTV 서지시험 수행결과, 1건의 중고품에서 소손이 발생하였다. 소손당시 실험조건은 L-G결선 4 kV 인가, 정극성 조건이었다. CCTV의 경우 24시간 상시로 운영된다는 특징을 보유하고 있으며, 이에 따라 직류어댑터의 상시 운전에 따른 전원공급소자의 경년변화가 발생하여 서지유입에 대해 취약할 수 있는 가능성이 있음을 확인하였다.

그림 7은 서지인가 시험에 의한 소자 고장 비교를 나타낸다. 소자의 취약성은 전체 실험에서 약 30 %에 이르며, 내용별로 비교하면, 사용된 중고품에서 40 %의 고장이 발생하였고, 신품도 33.3 %의 고장률이 확인되었다. 사용되지 않은 구품에서 소자의 고장이 확인되었는데, 장기간 사용되지 않으면서 내부 소자의 절연 특성이 변화한 것으로 추정된다. 실험을 통해 확인한 결과에 의하면, 소자는 서지에 매우 약하며, 사용 중인 것은 더욱 취약할 수 있다는 결과를 확인하였다. 따라서 서지에 대한 저압기계기구의 소손 예방을 위해서는 추가적인 안전장치가 필요할 것으로 사료된다.

그림. 7. 서지시험에 의한 소자 고장 비교

Fig. 7. The comparison of devices failures by surge test

4. 결 론

본 논문에서는 저압 개폐서지 특성과 분석을 통한 저압기계기구의 소손 예방에 대해 제언하였다. 저압 사용자의 개폐서지에 의한 기계기구 소손원인 분석과 대응방안 마련을 위해 개폐서지 발생과 관련하여 국내외 관련 연구사례를 조사하고 분석하였다. 또한 서지내성 실험 등을 통해 전원 개폐 시 발생하는 서지에 대한 저압기계기구 소손 영향에 대해 검토하였다.

최근 5년간('17~'21년) 저압기계기구의 고장이 발생한 제품 실태조사를 바탕으로 비디오폰과 CCTV을 대상으로 서지인가 실험을 실시하였다. 다만, 결과의 검증성을 향상시키기 위해서는 다수의 시료를 확보하여야 하나, 본 논문에서는 현실적인 문제로 최소한의 시료를 확보하는 수준에서 시험을 실시하였다. 시험 결과, 저압기계기구가 서지 유입에 취약할 수 있는 가능성이 있음을 확인하였다.

기술검토 결과, 저압기계기구 소손을 방지하기 위해서는 서지에 대한 보호체계 구축이 필요하다고 사료된다. 기기의 고유 절연성능은 기기의 사용연수가 증가할수록 PCB내부의 먼지 등에 의해 절연이 약해질 수 있다. 또한 유입서지로부터 PCB를 보호하기 위한 바리스터의 경우에도 사용연수가 증가함에 따라 열화가 진행된다. 이에 따라, 소손이 다수 발생되고 있는 저압기계기구의 PCB 등을 보호하기 위해서는 절연 및 바리스터 열화에 대해 사용자의 인지가 필요하다. 다음으로, 서지소멸시간 확보와 부하차단 및 투입방법의 준용이 요구된다. MCCB 부하차단 이후 ACB, VCB 등의 차단에 대한 서지는 반사파에 의해 계통으로 유입될 수 있다. 투입 시에는 역순임으로 VCB, ACB 투입 시 전로에 존재하는 서지가 부하로 전파되지 않도록 서지소멸시간 확보 단계가 필요하다. 향후 연구를 통해 다양한 시료확보를 통한 위한 서지에 대한 강인성 검토와 서지로부터 저압기계기구를 보호하기 위한 서지 보호체계 구축과 관련된 고도화 연구가 필요할 것으로 사료된다.