잔류 전류 모니터링(RCM)을 통한 화재 보안 강화
소개
여러 유럽 국가에서 실시한 여러 연구에 따르면 건물 안팎에서 발생하는 화재의 가장 흔한 원인은 전기(30~35%)와 인적 실수(15~20%)로 분류할 수 있습니다. 최첨단 전기 안전 시스템에도 불구하고 건물 화재에 대한 보고는 항상 있습니다. 전기 공급 시스템에서 가장 흔한 결함은 절연 결함으로 인해 도체와 접지 사이에 흐르는 고장 전류입니다. 이 문서에서는 잔류 전류 모니터링에서 발생할 수 있는 고장 메커니즘을 살펴보고 개요를 제공합니다.
건물의 전기 회로는 두 개의 서로 다른 회로 차단기로 보호됩니다.
- 과전류 보호 장치는 전기 퓨즈 또는 과전류 보호(OCP)라고도 하며, 전류가 지정된 시간 동안 지정된 전류 값을 초과하는 경우 전기 회로를 차단합니다. 퓨즈 또는 회로 차단기와 같은 과전류 보호 장치에는 다양한 유형이 있습니다. 집이나 아파트의 모든 전기 퓨즈는 일반적으로 배전반에 다른 회로 차단기와 함께 보관됩니다. 과전류 장치는 장시간에 걸쳐 흐르는 과전류로 인한 과도한 발열로 인해 케이블이나 기타 장비가 손상되지 않도록 보호합니다. 과전류는 과부하 또는 단락으로 인해 발생할 수 있습니다. 과전류 보호는 대부분의 국가에서 전기 설비에 대한 건축 규정 및 표준에 따라 의무적으로 적용되고 있습니다.
- 잔류 전류 장치(RCD)는 맨손으로 전선과 같은 활선 도체에 직접 접촉할 경우 사람이 다치는 것을 방지하기 위해 고안된 인명 구조 장치입니다. RCD는 일반 퓨즈와 회로 차단기가 제공할 수 없는 수준의 개인 보호 기능을 제공합니다. RCD는 고장이 발생하면 자동으로 전기가 차단되는 민감한 안전 장치입니다. RCD는 지락으로 인한 감전 및 화재의 위험으로부터 보호하도록 설계되었습니다. 예를 들어, 사람이 욕실의 전등에 노출된 전선을 만졌을 때 젖은 바닥이 접지된 라디에이터에 전기적으로 연결되어 있는 경우입니다.
지난 몇 년 동안 RCD 분야에는 중요한 변화와 발전이 있었습니다. 따라서 이 분야의 중요한 혁신은 아래에 설명되어 있습니다. 이미 검증된 장치를 올바르게 선택하면 전기 시스템의 화재 위험을 최소화할 수 있습니다.
RCD의 원리
RCD의 원리는 아래 그림 1에 설명되어 있습니다. 사람이 절연되지 않은 도체에 닿으면 인체의 저항이 약 800옴이므로 전류의 일부가 사람을 통해 흐를 수 있습니다. 대부분의 경우 이 저항은 접지에 대한 저항이 다소 낮습니다. 이 전류는 접지를 통해 전압 소스(변압기 접지된 2차측)로 다시 흐릅니다. 전류가 합산 변압기를 통해 다시 흐르지 않으면 잔류 전류가 발생합니다. 이 값이 충분히 높으면 RCD가 트립되어 전체 회로가 중단됩니다.
정격 잔류 전류의 50~100% 사이의 트립은 국제 표준에 명시되어 있습니다. 30mA RCD가 트립되는 경우 15~30mA의 잔류 전류가 있어야 합니다. 30mA의 임계값은 개인 보호를 보장하기 위한 것으로, 자유롭게 접근할 수 있는 소켓이 있는 곳이라면 어디에서나 필요합니다.
산업 환경에서는 30mA RCD로 보호되는 관리 건물 외에도 일반적으로 생산에 사용되는 대형 기계가 있습니다. 이러한 기계에는 자유롭게 접근할 수 있는 소켓이 없더라도 RCD를 사용하여 보호하는 것이 합리적입니다. 기계의 절연 결함은 또한 화재나 오작동을 일으킬 수 있으며, 이 또한 위험의 원인이 될 수 있습니다. 시중에는 디커런트 트립 값을 가지고 있어 디커런트 보호 목적을 추구하는 디커런트 RCD가 있습니다. 다음 표에는 해당 트립 전류와 함께 세 가지 유형의 디커런트 보호 기능이 나열되어 있습니다.
도체와 접지 사이에 흐르는 전류가 열로 60W 이상 방출되면 화재가 발생할 수 있습니다. 230V의 공급 전압에서 이는 약 300mA에 해당합니다. 따라서 화재 방지용 RCD의 최대 트립 값은 300mA입니다.
서로 다른 신호 파형을 위한 RCD
전류 값 외에도 전류의 신호 형태는 이제 RCD의 올바른 작동에 매우 중요합니다. 오늘날 많은 전기 부하는 비선형 부하( )로 표시되어야 하는데, 이는 이러한 장치가 주전원에서 비정현파 전류를 사용하기 때문입니다. 따라서 RCD가 감지한 잔류 전류는 비정현파 곡선 형태를 띠는 경우가 많습니다. RCD가 올바르게 작동하려면 사용할 RCD와 관련하여 연결된 부하를 고려해야 합니다.
예를 들어 새 세탁기를 구입했는데 설명서에 B타입 개인용 차단기(30mA)가 명시되어 있는데 이를 고려하지 않은 경우 다음 시나리오( )가 발생할 수 있습니다.
고장으로 인해 세탁기는 8mA의 잔류 전류로 직류를 생성합니다. 그러나 배전 캐비닛의 개별 회로는 유형 A RCD에 의해서만 보호됩니다. 유형 A RCD에는 직류가 지정되어 있지 않습니다. 최소 6mA의 직류는 유형 A에 설치된 소형 변압기( )를 자기 포화 상태로 밀어 넣는 효과가 있습니다. 그러면 헤어 드라이어가 물이 채워진 욕조에 떨어집니다. 이제 역전류는 욕조 물을 통해 전기 접지로 흐르고 다시 전력 회사의 변압기의 접지된 2차 권선으로 흐릅니다. 이 잔류 전류는 이제 펄스 또는 정현파 파형( )을 가지며, 이는 실제로 유형 A RCD에 의해 커버됩니다. 예를 들어 이 잔류 전류가 40mA인 경우 유형 A RCD가 트립되어야 합니다. 그러나 이 경우 변류기의 철심이 이미 8mA DC 전류에 의해 완전히 자화되어 변류기가 더 이상 40mA를 2차측으로 변환할 수 없기 때문에 RCD가 트립되지 않습니다. 배전 시스템에 RCD 유형 B 또는 B+가 설치된 경우, 잔류 전류 값이 총 48mA로 트립 임계값을 초과했기 때문에 RCD가 확실히 트립되었을 것입니다.
기계 및 RCD
산업용 시스템에 자유롭게 접근할 수 있는 소켓이 없는 경우, 운영자는 RCD로 시스템을 보호할 의무가 없습니다. 안전의 관점에서 잔류 전류에 대한 보호( )는 항상 권장됩니다. 그러나 모터 또는 기타 유도성 장비의 스위치를 켜는 과정에서 전류 피크가 발생하면 잘못된 트립이 발생하여 생산 공정에 해로운 영향을 미칠 수 있는 경우가 종종 있습니다.
시스템 관련 잔류 전류가 있을 수도 있습니다. 전류 신호의 고주파 성분은 필터 또는 케이블 커패시턴스를 통해 접지로 흐를 수 있습니다. 다음 그림에서는 주파수 변환기의 예를 사용하여 이러한 시스템 관련 잔류 전류를 개략적으로 보여줍니다.
이러한 시스템 관련 잔류 전류는 화재 보안용 RCD(300mA)로는 더 이상 보호할 수 없는 수준에 도달할 수 있습니다.
잔류 전류 모니터는 이러한 상황에 대한 해결책을 제시할 수 있습니다. 다음 그림 3은 RCD와 달리 RCM은 공급 라인을 독립적으로 차단할 수 없음을 보여줍니다. 잔류 전류는 적절한 인터페이스를 통해서만 측정되고 출력됩니다. 또한 RCM에는 하나 이상의 릴레이 출력이 있어 회로 차단기를 제어하는 데 사용할 수 있습니다.
Danisense 솔루션
Danisense RCM 솔루션에는 릴레이 출력과 4-20mA DC 표준 기계 신호로 변환되는 TRMS 값이 있어 PLC( 프로그래머블 로직 컨트롤러) 또는 범용 측정 장치에서 쉽게 처리할 수 있습니다. 보다 심층적인 분석을 위해 USB 인터페이스를 SRCM 소프트웨어 도구와 함께 노트북에 연결할 수 있습니다. 이 구성을 사용하면 현재 신호를 더 자세히 분석할 수 있습니다. 무엇보다도 이 소프트웨어는 오실로스코프 보기와 FFT 분석을 제공합니다.
PLC를 통한 잔류 전류 모니터링
복잡한 산업 기계에서는 다양한 전기 부품이 PLC를 통해 제어되는 시스템을 구성합니다. 따라서 이러한 플랜트는 위에서 언급한 표보다 더 높은 잔류 전류 수준을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 다음 값은 정격 전류가 235A인 생산 공장의 결과입니다.
국제 표준화로 인해 지속적인 잔류 전류 모니터링이 절연 테스트를 대체할 수 있다고 해도 위에 표시된 측정값을 통한 절연 저항 분석은 그리 간단하지 않습니다. 발전소에서는 다양한 개별 소비자가 제어되며, 이로 인해 총체적으로 서로 다른 잔류 전류 수준이 발생합니다.
이러한 이유로 일부 PLC 제조업체는 이미 기계 표준 신호를 통해 PLC에 연결할 수 있는 잔류 전류 센서를 포트폴리오에 포함하고 있습니다. 을 통해 다양한 기계 상태를 시동 및 성공적인 안전 테스트 직후 측정된 잔류 전류 수준과 연결하면 PLC에 "건강한" RC 기준선을 저장할 수 있습니다. 이 데이터를 통해 생산 공장을 안정적이고 의미 있게 모니터링할 수 있습니다.
결론
일반적으로 많은 절연 결함이 잔류 전류를 서서히 증가시키기 때문에 RCM을 조기 경보 시스템으로 사용할 수 있습니다. 이러한 이유로 이러한 장치는 예측 유지보수 조치로 분류됩니다. 많은 경우, 많은 감독 당국( )에서 요구하는 정기 안전 검사의 일부인 절연 테스트를 피할 수 있습니다. RCM 장치는 데이터 센터나 병원과 같이 중요 인프라의 일부인 건물에서는 이미 의무화되어 있습니다. 예기치 않은 기계 고장이 문제가 되는 산업 분야에서도 유용하게 사용할 수 있습니다. RCM은 절연 결함 발생 시 안전과 시스템 가용성을 개선하는 궁극적인 솔루션입니다.