접촉전압과 보폭전압
저압전로의 지락사고에 대한 전로 및 인체 감전보호에 대해 설명하시오.
인체의 감전현상을 표현하기 위한 인체 임피던스의 전기적 등가회로를 나타내고 감전의 과정과 방지대책을 설명하시오.
접촉전압과 보폭전압에 의한 위험을 방지하는 방법을 설명하시오.
전기설비의 안전대책 중 감전의 메카니즘과 방지대책에 대해 설명하시오.
변전소 접지설계 시 검증할 수 있는 접촉전압, 보폭전압과 심실세동전류에 대해 설명하시오.
감전
1) 감전
→ 인체의 두 부분이 도전성 부분에 접촉되어질 때, 두 접촉부 사이에 전위차가 형성되어 인체를 통해서 전류가 흐르는 것
→ 감전위험 인자
→ 전압의 크기, 통전 전류의 크기, 통전시간, 인체의 저항, 통전 경로
[표] 통전전류에 따른 인체의 생리반응
| 구분 | 전류범위 [mA] | 현상 |
|---|---|---|
| 감지전류 | ~1 | 전압 인가 시 단지 자극만을 느끼며 전기가 통하는 것을 감지할 수 있는 정도의 전류 |
| 가수전류 | 7~8 | 전압 인가 시 자력으로 충전부로부터 인체를 이탈시킬수 있는 한계범위 |
| 불수전류 | 10~15 | 전압 인가 시 근육 경련현상으로 자력으로 이탈할수 없게 된다 |
| 심실세동 전류 | 50~100 | 전압 인가 시 심장이 맥동을 하지 못하고 불규칙적으로 세동하여 형액의 순환이 곤란해진다 |
2) 감전 메카니즘
① 뇌의 자율신경계 미소 펄스전류 신호(수십 μA 수준)에 의한 심근의 이완과 수축을 정확하게 제어함으로서 심장은 약 0.7초 주기로 규칙적으로 동작한다. 이러한 메카니즘에 따라서 심장은 체내에 필요한 혈액과 산소를 공급한다.
② 외부에서 수십 mA의 크기의 전류가 흐르면 이러한 신호체계가 교란되어 심장의 수축과 이완이 정확하게 동작하지 않고 심근의 미소하게 진동이 발생된다. 이 진동을 심실세동이라고 한다.
③ 심실세동의 결과로 혈압이 저하되어 체내에 혈액공급이 결국 중단으로 사망에 이른다.
3) 최소 심실세동전류와 통전시간 관계
접촉전압(Touch voltage)
정의
- 정의
- 사람이 대지위에 서서 대지전위가 상승된 기기 외함에 접촉했을때 사람의 발과 손 사이에 발생하는 전압
- 도전성 부분과 이격된 거리 1[m]기준의 전위차
※ 국내에서는 접지설계는 규정에서 정하는 접지저항을 얻는 것을 목표로 한다면 ANSI/IEEE의 접지설계는 허용 접촉전압과 보폭전압을 고려한 설계를 한다.
허용 접촉전압의 계산식
(체중 70kg인 사람) …… ANSI/IEEE Std. 80
Cs: 표면층의 두께와 반사계수에 의해 결정되는 계수
ρs: 표면층의 저항률[Ω·m]
t: 사고지속시간 [s]
Rb: 인체의 저항 [Ω]
Rh: 손의 접촉저항 [Ω]
Rf: 발의 접촉저항 [Ω]
I0: 인체에 흐르는 전류 [A]
Ii: 인체 허용한계전류 [A]
F: 심장전류계수(1.0)
→ IEC에서는 허용 접촉전압을 교류전압의 경우 50[V], 직류전압의 경우 120[V]로 규정함
감소계수(Cs)의 산출
① 반사계수(K)
……… [ρ: 대지의 저항률, ρs: 표면층의 저항률]
② 감소계수(Cs): 표면층의 두께와 반사계수에 의해 결정되는 감소계수
보폭전압(Step voltage)
1) 정의
- 정의
- 접지전극 부근의 지표면상에 생기는 전위차로 인체에 걸리는 전위차른 지표면상에 사람이 발로 접근할 수 있는 2점간(보통1[m])의 전위차의 최대치를 말한다
- 접지전극 부근 대지면 두 점 간의 길이 1[m]의전위차를 말한다
2) 허용 보폭전압의 계산식
(체중 70kg인 사람) …… ANSI/IEEE Std. 80
Cs: 표면층의 두께와 반사계수에 의해 결정되는 계수
ρs: 표면층의 저항률[Ω·m]
t: 사고지속시간 [s]
Rk: 인체의 저항 [Ω]
RH: 손의 접촉저항 [Ω]
RF: 발의 접촉저항 [Ω]
I0: 인체에 흐르는 전류 [A]
Ik: 인체 허용한계전류 [A]
F: 심장전류계수(0.04)
접촉전압 및 보폭전압 저감
일반적으로 허용 보폭전압은 허용 접촉전압보다 큰 값을 가지게 되는데 감전전류의 경로가 심장으로부터 멀기 때문이다. 그러므로 인체의 안전을 위해서는 접촉전압의 저감이 매우 중요하게 된다.
1) 접지저항을 저감시켜 지락시 전위상승을 억제한다.
2) 변전소의 넓은 부지에서는 Mesh 접지를 시행하여 전위경도를 저감시키고, Mesh 간격을 최소화하여 전위차 발생을 최소화 한다.
3) 접지극을 깊이 매설한다.
4) 지락전류를 제한하여 전위상승을 억제한다.
5) 표면을 자갈이나 시멘트로 포장하여 대지면 접촉저항을 증가시킨다.
6) 건축물내에서는 등전위 본딩(주등전위 본딩, 보조 등전위 본딩 강화)의 실시로 전위차 발생을 최소화한다.
7) 설비의 도전성 부분의 근방에 장애물을 설치하여 전위경도가 높은 부분에 근접할 수 없도록 한다.
저압전로에서 접촉상태에 따른 접촉전압 기준
| 종별 | 접촉 상태 | 허용접촉전압 | 위험도 |
|---|---|---|---|
| 제1종 | ⦁인체의 대부분이 수중에 있는 상태 ⦁욕조, 수영장 풀장 등 안에 있는 경우 | 2.5[V] 이하 | 가장 높음 |
| 제2종 | ⦁인체가 현저히 젖어있는 상태 ⦁금속성의 전기기계장치나 구조물에 인체의 일부가 상시 접촉되고 있는 상태 | 25[V] 이하 | 대단히 높음 |
| 제3종 | ⦁제1종 및 제2종 이외의 경우로서 통상의 인체상태 있어서 접촉전압이 가해지면 위험성이 높은 상태 | 50[V] 이하 | 높음 |
| 제4종 | ⦁제1종 및 제2종 이외의 경우로서 통상의 인체상태에 있어서 접촉전압이 가해져도 위험성이 낮은 상태 ⦁접촉전압이 가해질 우려가 없는 상태 | 제한 없음 | 낮음 |
→ 보호 접지저항(RE)의 산출
인체가 제3종 접촉상태인 경우에 규정된 허용 접촉전압은 50[V]이다. 인체에 걸리는 전압을 50V 이하가 되도록 보호접지 저항을 시설해야 한다.
위의 회로와 같이 R2와 RE는 직렬이며, RE에 분압된 전압이 인체에 걸리는 접촉전압이 된다.
3종 접촉상태인 경우, RE에 분압된 전압은 허용 접촉전압인 50[V]를 이하가 되어야 한다.
예를 들어, E=220[V], R2=20[Ω]이라면 보호접지 저항은 얼마로 되는지?
감전방지
1) 보호접지 → 기기접지
전기기기 및 전기설비의 금속외함(노출 도전성 부분)의 접지를 말하며, 프레임 접지라고도 부른다. 기기의 절연파괴로 누설전류가 흐르는 상태에서 사람이 접촉했을 때 접촉전압을 저감하여 감전을 방지할 목적으로 접지를 시행한다.
→ 누전차단기(30mA, 0.03초 이내)를 시설하는 경우에 접지하지 않아도 된다.
→ 0.5초 이내 전로를 차단할 수 있는 과전류차단기가 시설된 경우 접지저항을 완화하여 적용할 수 있다.
→ 기기접지 저항을 저감시키기 위해 건축물 구조체 접지를 하는 것이 바람직하다.
2) 보호용 등전위 본딩
보호용 등전위 본딩은 지락사고 등으로 발생되는 접촉전압을 현저하게 저감시켜 인체를 감전으로부터 보호하는 안전(Safety)을 위한 접지이다.
보호용 등전위 본딩은 기기의 노출 도전성부분과 계통외 도전성부분 등을 전기적으로 접속하는 것으로 주등전위 본딩과 보조등전위 본딩으로 구분한다.
3) 직접접촉에 대한보호
(1) 의도적, 무의식적인 접촉에 대한 보호 수단 … [일반인 대상]
충전부 자체의 완전한 절연, Barrier(격벽), Encloser(폐쇄함, 외함)
(2) 무의식적인 접촉에 대한 보호 수단 …[숙련자 대상]
충전부를 손이 미치는 범위(Arm’s reach) 밖에 설치, 장애물 설치
(3) 직접접촉에 대한 추가적인 보호 수단
누전 차단기 설치(정격감도전류: 30mA 이하, 동작시간: 0.03초 이내)
4) 간접접촉에 대한보호 -> 자동차단장치에 대한 보호
전기기기의 열화 등으로 누전이 발생되는 경우에 노출도전성 부분을 접촉하는 경우 위험을 방지하는 수단을 말한다.
(1) TT 계통
간접접촉보호를 위해 자동차단 조건(Ra*Ia<50V)을 만족하는 차단장치(과전류차단기, 누전차단기)를 적용하며, TT계통에서 과전류차단기에 의한 자동차단조건을 만족하지 못하는 경우가 많으므로 주로 누전차단기에 의해 보호되며, 누전차단기를 적용하지 않는 경우는 보조등전위 본딩을 강화한다.
(2) TN 계통
TN계통에서는 접촉전압이 50[V]이상 발생될 우려가 있는 경우를 제외하고는 주로 과전류차단기에 의해서 보호를 한다. 특히, TN-C 접지계통에서서 누전차단기 사용이 금지된다.
(3) IT 계통
① 제 1고장: 절연보호장치 및 경보장치
② 제 1사고제거 전 제 2고장 발생: 과전류차단기 및 누전차단기에 의한 보호
→ TN계통과 유사한 상황이 되어 과전류차단기에 의한 보호가 적절
답글 남기기