단락 지락 위험성 대응방안에 대하여 알아보겠습니다. 단락은 전기회로에서 상과 상 또는 상과 중성선 사이가 저항이 거의 없는 상태로 연결되어 비정상적으로 큰 고장전류가 흐르는 현상을 말한다. 이로 인해 설비의 손상, 발열, 화재 등이 발생할 수 있으며, 차단기나 보호계전기를 통해 신속히 전류를 차단해야 한다. 지락은 전선 등 충전부가 대지에 접촉하여 전류가 대지를 통해 흐르는 현상으로, 일반적으로 1선 지락이 가장 흔하다. 지락은 감전, 누전, 오동작 등의 문제를 일으킬 수 있어 접지 시스템과 지락 보호장치가 필수적이다.
1. 단락(短絡, Short Circuit)
- 전기회로에서 상(相) 간 또는 상과 중성선 간이 직접적으로 접촉하거나 저항이 거의 없는 상태로 연결되는 현상.
- 정상적인 전류보다 매우 큰 고장전류(Fault Current)가 흐르며, 발열·화재·기기손상이 발생할 수 있음.
- 보호계전기나 차단기의 동작으로 고장전류를 신속히 차단해야 함.
1.1 3상단락(3상 단락, Three-Phase Fault)
- 고압 수배전반 내부에서 금속 공구(예: 스패너)가 떨어져 3개의 전원 단자에 동시에 접촉되면 삼상단락이 발생한다. 이때 극심한 폭발과 화염이 발생할 수 있다.
1.2 2상 단락(상간 단락, Line-to-Line Fault)
- 전동기 말단 단자에서 절연이 마모된 전선 두 가닥이 닿으면서 R상과 S상이 접촉되어 단락되는 경우.
1.3 단락시 케이블이 소손되지 않는 단면적
단락 시 케이블에 고장전류가 흐르면 저항열(I²t)로 인해 절연이 파괴되고 케이블이 소손될 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 케이블의 단면적(S)이 고장전류를 일정 시간 동안 안전하게 견딜 수 있는 크기 이상이어야 한다.
S = (Ik × √t) / k
| 기호 | 항목 | 단위 | 설명 |
|---|---|---|---|
| S | 도체의 최소 단면적 | ㎟ | 단락 시 전류에 의해 소손되지 않도록 설계해야 할 최소 단면적 |
| Iₖ | 예상되는 단락전류 | A (암페어) | 케이블에 흐를 것으로 예상되는 최대 고장전류 |
| t | 차단기 동작시간 | s (초) | 차단기가 단락전류를 차단하는 데 걸리는 시간 |
| k | 열계수 (도체 계수) | A·s⁰·⁵/㎟ | 도체 재질 및 허용온도 조건에 따라 정해지는 값 (ex. 구리 143, 알루미늄 94) |
1.3.1 K 값의 의미
열계수 k는 다음과 같은 요소를 반영하여 도출된 경험적 상수입니다.
- 도체 재질 : 연동(구리, annealed copper)
- 절연 유형 : PVC
- 초기 온도 : 30℃
- 최고 허용 온도 : 160℃
즉, k = 134 A·s⁰·⁵/㎟ 는 구리 도체가 30℃에서 시작해 160℃까지 견딜 수 있는 조건에서, 절연이 소손되지 않고 단락전류를 견딜 수 있도록 도출된 수치입니다.
1.3.2 왜 K 값이 143이나 134, 115 등이 혼재되는가?
| 조건 | k 값 | 적용 예시 |
|---|---|---|
| 구리, PVC 절연, 30→160℃ | 134 | 일반 저압 배선용 기준 (국내 KS, IEC 일부) |
| 구리, XLPE 절연, 90→250℃ | 143 | 고온 허용 케이블, 산업용, 발전설비용 |
| 알루미늄, XLPE, 90→200℃ | 94 | 알루미늄 배선 사용 시 |
| 구리, 초기온도 70℃, 최고온도 160℃ | 115 | 보호도체나 특수용도에서 보수적 설계 시 |
즉, k 값은 조건(절연 종류, 초기/최고 온도, 도체 종류)에 따라 달라지는 값이며, 실무에서는 보수적 적용을 위해 낮은 값(예: 115~134)을 채택하는 경우도 많습니다.
1.3.3 예제
- 예상 단락전류가 8,000A, 차단기 차단시간이 0.1초인 경우, k = 134 (구리, PVC절연 기준)을 사용할 때 케이블의 최소 단면적 S는 얼마인가?
- 풀이] 주어진 조건 : Ik = 8,000 A, t = 0.1 초, k=134
- 결론 – 최소 단면적 S ≒ 19 ㎟ 이상 확보 필요 → 실무상 22㎟ 또는 25㎟ 사용.
2. 지락(地絡, Ground Fault)
- 전선로의 충전부(활선)가 대지(Earth)에 접촉하여 전류가 대지를 통해 흐르는 현상.
- 1선 지락(Single Line-to-Ground Fault)이 대부분이며, 지락전류의 크기는 접지방식에 따라 다름.
- 고저항접지, 저저항접지, 비접지 방식에 따라 보호 방식이 상이함.
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 발생 위치 | 전선, 전기기기, 절연 파손부 등에서 활선이 대지와 접촉 |
| 형태 | 대부분 1선 지락(Single Line-to-Ground Fault), 드물게 2선 또는 3선 지락도 발생 |
| 흐르는 전류 | 지락전류(Ig)는 접지 방식(비접지, 저저항접지, 고저항접지)에 따라 크기 달라짐 |
| 위험 요소 | 감전사고, 전기화재, 보호장치 오동작, 설비 오손 등 유발 가능 |
2.1 접지방식에 따른 구분
| 구분 | 정의 | 지락전류 크기 | 특징 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|---|---|
| 고저항접지 | 접지선에 수 kΩ 수준의 고저항(수천~수만 Ω)을 삽입하여 제한된 지락전류만 흐르게 하는 방식 | 수 A 이하 | 제한된 전류 흐름으로 아크 위험 줄임 | 절연 스트레스 완화설비 연속 운전 가능 | 지락검출 민감도 낮음보호계전기 설정 복잡 |
| 저저항접지 | 수십~수백 Ω 수준의 저항을 접지점에 연결하는 방식 | 수십~수백 A | 전류를 어느 정도 흐르게 하여 지락을 신속히 검출 | 신속한 지락 검출 가능 | 고장 전류에 의한 기기 손상 가능 |
| 비접지(무접지) | 계통 중성점을 대지에 연결하지 않음 | 수 mA 이하 (정전 용량 전류만 흐름) | 지락 발생 시 전류가 작아 설비는 계속 운전 가능 | 고장 시에도 연속 운전 가능 | 지락 발생 시 전압 불평형 심함2차 지락 시 과전압 위험 |
2.2 지락전류크기
지락이 발생하면 다음과 같이 접지 임피던스를 통해 지락전류가 흐름
Ig = Vph / Zg- Ig : 지락전류 [A]
- Vph : 상전압 [V]
- Zg : 접지 임피던스 [Ω]
실제 지락전류의 크기는 접지 저항, 지락점 저항, 선로 임피던스 등에 따라 결정됨.
3. 위험성
3.1 단락의 위험성
| 구분 | 위험 내용 | 상세 설명 | 실무 사례 |
|---|---|---|---|
| 1. 고장전류 발생 | 회로에 수천~수만 A의 과전류가 흐름 | 차단기 정격을 초과하면 차단 실패 또는 기기 파손 | 배전반 내 단락 발생 시 차단기 용단, Arc 발생 |
| 2. 발열 및 화재 | 접촉부 또는 배선에서 급격한 발열 발생 → 절연재 발화 | I²t에 비례한 발열로 절연 파괴 → 화재 확산 | 플러그 접속부 단락 시 콘센트 주변 벽체 발화 |
| 3. 아크 발생 | 고장점에서 고온·고압의 아크 플래시 형성 → 화염과 파편 분출 | 수천 ℃의 플라즈마 아크가 인체·설비에 직접 피해 | 변전실 배선 작업 중 드라이버 접촉 → Arc 폭발 |
| 4. 기계적 손상 | 순간적인 전자력으로 케이블·기기 손상 (전기적 충격력: F = BIL) | 고압선 간 리플, 버스덕트 변형, 볼트 이탈 등 | 배전반 내 부스바 휨, 고정볼트 파단 발생 사례 다수 |
| 5. 차단기 파손 | 정격 이상 고장전류가 흐르면 차단기가 내부 아크로 파괴 | 차단불능 → 연쇄적인 화재 확산 우려 | ACB 내부 접점 용융, 차단 실패 후 배전반 폭발 사례 |
| 6. 전기실 전체 정전 | 주회로 단락 시 다회로 보호계전기 동작 → 전체 설비 정지 | 보호협조 미흡 시 오동작으로 생산 중단, 민원 발생 | 대형마트 조명 단락 → 전체 조명 및 POS 시스템 정지 |
| 7. 인명피해 | 아크 또는 폭발에 의한 화상, 실명, 파편상 등 발생 | PPE 미착용 상태에서의 단락작업 매우 위험 | 작업자 장갑 미착용 상태에서 결선 → 손등 화상 사례 |
| 8. 보호계전기 오동작 | 설정값 불일치 시 정상 설비 차단 또는 고장점 미차단 | 고장전류 미감지, 보호 협조 실패로 위험 확산 | OCR 설정 과대 → 단락점 미차단, 배선 소손 |
3.2 지락의 위험성
| 구분 | 위험 내용 | 상세 설명 | 실무 사례 |
|---|---|---|---|
| 1. 감전 사고 위험 | 지락 시 접지되지 않은 외함에 누설전류가 흐르면 인체 감전 | 특히 금속 케이싱, 배관, 케이블트레이 등에서 위험 | 노후 전등기구에서 누전 → 작업자 감전 |
| 2. 누전 화재 발생 | 절연 파괴로 누설전류가 접지 구조체·건축자재 통해 발열 → 화재 | 누전은 장시간 축적 발열로 절연재·목재 등 착화 | 천장 내부 배관 누전 → 장시간 후 배관 화재 |
| 3. 전압 불균형 발생 | 1선 지락 시 비접지 또는 고저항접지 계통에서는 나머지 상에 전압 상승 | 상간전압 불균형으로 기기 손상, 절연 내력 초과 | 비접지 UPS 계통 1선 지락 → 다른 상 전압 1.73배 상승 |
| 4. 설비 절연 열화 | 반복적·간헐적 지락은 절연 재료의 열화 및 수분 유입 촉진 | 고장 미발견 시 전체 회로의 절연 저하 유발 | 콘크리트 매입배관 내 수분 침투 → 반복 지락 발생 |
| 5. 보호계전기 오동작 또는 미동작 | 지락전류가 미소할 경우 일반 차단기는 감지 불가 → 지속적 방치 | 지락계전기(GR) 미설치 시 인지 불능 | 기숙사 누전 차단기 미감지 → 주방 배선 연소 |
| 6. 설비 연속 운전 방해 | 저저항 또는 비접지 계통에서 지락 시 전체 차단 또는 경보 발생 | 과도한 설정 민감도는 정전 빈도 증가로 불편 | 제조라인 설비 지락 계전기 오감지 → 설비 1일 3회 정지 |
| 7. 접지 불량 시 전압 상승 | 접지 저항 과다 시 외함 전위 상승 → 인체 접촉 시 감전 가능 | 접지불량 + 지락 시 전위차 50V 이상 발생 | 야외 CCTV 기둥 접지 불량 → 유지보수 중 감전사고 |
| 8. 접지전류 루프 형성 | 다중접지 구조에서 지락 시 순환전류(지락루프) 발생 → 간섭 신호 유입 | 제어계통·통신설비 오동작의 원인 | 빌딩 통신실 접지 루프 발생 → 방화셔터 연동 오작동 |
3.3 종합 비교
| 구분 | 단락(Short Circuit) | 지락(Ground Fault) |
|---|---|---|
| 고장경로 | 상-상 또는 상-중성선 간 | 상-대지 간 |
| 전류 크기 | 매우 큼 (수천~수만 A) | 보통 수 A~수백 A (접지방식에 따라 다름) |
| 위험성 | 화재, 폭발, 기기 파손, 인명사고 | 감전, 누전화재, 전압 불안정, 설비 열화 |
| 보호장치 | 과전류계전기(OCR), 차단기 | 누전차단기(ELB), 지락계전기(GR), 접지 |
4. 대응방안
| 구분 | 주요 대응방안 | 상세 설명 |
|---|---|---|
| 1. 보호계전기 선정 및 설정 | ● 단락 보호: 과전류 계전기(OCR), 차단기 (MCB, MCCB, ACB) ● 지락 보호: 지락계전기(GR), 누전차단기(ELCB, ELB), 디지털 보호계전기 | ▶ 예상 단락전류 분석 후 차단기 정격 용량과 트립곡선 설정 필요 ▶ 접지 전류 크기에 따라 지락 보호계전기 민감도 조정 |
| 2. 적정한 접지 시스템 구축 | ● 고저항, 저저항, 비접지 방식 중 계통 특성에 맞게 선택 ● 계통 중심점(N) 또는 외함 접지 강화 | ▶ 고압 계통에는 저저항 접지, 정보통신이나 병원 등은 고저항 접지 적용 ▶ 접지저항 10Ω 이하, 정격전류 이상 대응 가능한 접지도체 확보 |
| 3. 단락전류 해석 및 설계 반영 | ● 단락 해석(Fault Current Analysis) 실시 ● CT·VT 정격, 차단기 용량 설계에 반영 | ▶ 전기실, 변전실, 주회로 등에 예상 단락전류 산정 후 ▶ 기기 파괴 방지용 차단기·퓨즈 설정 및 분기회로 보호조치 |
| 4. 도체 단면적 확보 | ● 단락 시 소손되지 않도록 도체 단면적 선정→ 수식: S = (Iₖ × √t) / k | ▶ 예: Iₖ = 10,000A, t = 0.2s, k = 143 → S ≈ 31.3㎟ → 35㎟ 이상 적용 ▶ 메인배선, 스폿결선, 접속단자부에 특히 중요 |
| 5. 절연 유지 관리 | ● 정기 절연저항 측정 (MΩ 이상 유지) ● 열화 방지: 습기, 이물질, 기름 유입 차단 | ▶ 3상 배선 간 절연저항 ≥ 1MΩ, 지락 우려시 상-지 절연 측정 ▶ 노후 배선, 금속덕트 내 수분 축적 시 즉시 교체 |
| 6. 아크 및 화재 차단 대책 | ● 아크차단기(AFCI), Arc Flash 보호구 ● 배선용 차단기 선정 시 아크 내량 확인 | ▶ 고장전류와 아크 전류 구분, 아크 플래시 에너지 계산 필요 ▶ 전기실·변전실 등 작업 시 PPE 착용 및 Arc Flash 표지 설치 |
| 7. 점검 및 시험 운영 | ● 정기 점검: 누전시험기, 절연저항계 활용 ● 계전기 트립시험 및 접지 연속성 시험 | ▶ 지락 계전기 동작시험, 차단기 트립시간 시험 ▶ 접지전극(어스)의 연속성 확인 및 부식 여부 점검 |