지락사고 대응의 출발점, 접지방식별 지락전류 특성과 검출원리 이해

 전기가 흐르는 전선 중 한 가닥이 땅에 닿아버리는 사고를 "지락사고"라고 한다. 쉽게 말해, 전기가 원래 흘러야 할 길(전선)을 벗어나 땅으로 새어나가는 사고이다. 이런 사고가 생기면 전류의 일부가 땅으로 흘러버리기 때문에, 이를 빨리 알아채고 차단해야 화재나 감전 같은 큰 피해를 막을 수 있다.

 

 그런데 여기서 한 가지 어려운 문제가 생긴다. 발전소나 변전소에서는 안전을 위해 전기설비를 땅과 연결해 두는데, 이를 "접지"라고 한다. 그리고 이 접지를 어떤 방식으로 하느냐에 따라, 지락사고가 났을 때 땅으로 새어나가는 전류(지락전류)의 크기가 완전히 달라진다. 어떤 방식에서는 지락전류가 수천 Ampere에 달할 정도로 크게 나타나지만, 어떤 방식에서는 겨우 몇 Ampere 수준으로 아주 작게 나타난다.

 

 문제는 전류가 클 때와 작을 때 이를 감지하는 방법이 서로 다르다는 점이다. 전류가 크면 마치 큰 소리가 잘 들리는 것처럼 감지기가 쉽게 알아챌 수 있지만, 전류가 아주 작으면 마치 작은 속삭임을 알아듣기 어려운 것처럼 감지 자체가 매우 까다로워진다. 그렇다고 전류가 작은 접지방식이 나쁜 것은 아니다. 오히려 전류가 작을수록 사고가 나도 사람이 감전되거나 기기가 망가질 위험은 줄어든다. 즉, "안전하게 만들수록 감지하기는 더 어려워지는" 딜레마가 존재하는 것이다.

 

 그렇다면 이렇게 작은 전류까지도 놓치지 않고 잡아내려면 어떤 방법을 써야 할까? 지금부터 접지방식에 따라 지락전류가 어떻게 달라지는지, 그리고 이를 감지해 내는 원리는 무엇인지 하나씩 살펴보고자 한다.

 

 

1. 접지방식별 지락전류 특성

 

접지방식에 따라 지락전류의 크기 차이가 크며, 이에 따라 적용 가능한 검출방식도 달라진다.

 

직접접지방식은 지락전류가 단락전류 수준으로 매우 크게 나타나므로 과전류계전기로 검출이 가능하다. 

저항접지방식은 접지저항을 통해 지락전류를 수십~수백 [A] 수준으로 제한하므로 영상전류를 검출하는 방식이 필요하다. 

소호리액터접지방식은 리액터를 이용하여 지락전류를 상쇄시킴으로써 지락전류가 거의 0에 가까운 값을 유지하게 되므로, 이를 검출하기 위해서는 특수한 검출방식이 요구된다. 

비접지방식은 대지정전용량에 의한 충전전류만 흐르며 그 크기가 수 [A] 이하로 매우 작아 검출이 곤란한 특성을 갖는다.

 

이처럼 지락전류가 클수록 검출은 용이해지지만 사고 시 기기 손상 및 인체감전의 위험이 커지고, 반대로 지락전류가 작을수록 안전성은 높아지나 검출이 어려워지는 trade-off가 존재한다.

 

2. 지락검출의 기본원리

 

가) 영상전류 검출

3상 회로가 평형상태를 이루고 있을 때에는 각 상전류의 벡터합이 0이 되지만, 지락사고가 발생하면 영상전류(3상 전류의 벡터합으로서 지락전류에 비례하는 성분)가 나타나게 된다.

 

Io = Ia + Ib + Ic (Io: 영상전류, Ia·Ib·Ic: 각 상전류)

 

이러한 원리를 이용하여 영상변류기 ZCT(Zero-phase Current Transformer, 3상 전선을 하나의 철심에 관통시켜 평형 시에는 0을, 지락 시에는 영상전류를 검출하는 변류기)로 지락전류를 검출한다.

 

나) 영상전압 검출

지락사고가 발생하면 건전상의 대지전위가 상승하고 중성점의 전위가 이동하게 되어 영상전압(3상 상전압의 벡터합)이 발생하게 된다.

 

Vo = Va + Vb + Vc

 

이는 영상전압검출기 GPT(Grounding Potential Transformer, 3상 전압을 하나의 회로로 합성하여 영상전압을 검출하는 계기용 변압기로써 GVT라고도 함)로 검출하며, 특히 비접지계통과 같이 지락전류가 미세하여 전류검출이 곤란한 경우에 보조적인 검출수단으로 활용된다.

 

다) 방향판별

다회선(피더가 여러 개로 구성된 계통)에서는 어느 회선에서 사고가 발생하였는지를 구분할 필요가 있으므로, 영상전류의 크기뿐만 아니라 영상전류와 영상전압의 위상관계를 비교하는 방향지락계전기 DGR(Directional Ground Relay, 지락전류가 흐르는 방향을 판별하여 사고회선만을 선택적으로 차단하는 계전기)을 사용한다.

 

이를 통해 건전회선은 정상 운전을 유지하면서 사고회선만을 선택차단(보호협조: 사고구간에 한하여 차단기가 동작하도록 함으로써 정전범위를 최소화하는 것)할 수 있게 된다.

 

접지계통의 보호

 

 지금까지 살펴본 내용을 한마디로 정리하면 이렇다. 접지를 어떻게 하느냐에 따라 사고가 났을 때 새어나가는 전류의 크기가 크게 달라지고, 그 크기에 맞는 감지 방법을 골라 써야 한다는 것이다.

 

 전류가 아주 큰 직접접지방식에서는 마치 큰 소리를 듣는 것처럼 비교적 간단한 감지기(과전류계전기)로도 사고를 쉽게 알아챌 수 있다. 하지만 저항접지·소호리액터접지·비접지방식처럼 전류를 일부러 작게 만들어 안전성을 높인 방식에서는, 작은 속삭임을 알아듣듯 훨씬 섬세한 방법이 필요하다. 이때 사용하는 것이 3상 전류의 합을 이용해 미세한 새어나감을 잡아내는 "영상전류 검출"과, 전압의 변화를 통해 이상을 감지하는 "영상전압 검출"이다.

 

 또한 한 곳이 아니라 여러 갈래로 전기가 흐르는 복잡한 계통에서는, 단순히 "사고가 났다"는 것을 아는 것만으로는 부족하다. "어느 선에서 사고가 났는지"까지 정확히 짚어내야 그 부분만 골라서 끊어낼 수 있고, 나머지 지역은 정전 없이 정상적으로 전기를 쓸 수 있기 때문이다. 이러한 역할을 하는 것이 방향지락계전기(DGR)이며, 이를 통해 꼭 필요한 부분만 선택적으로 차단하는 정교한 보호가 가능해진다.

 

 결국 접지계통의 보호란, 접지방식별로 다르게 나타나는 지락전류의 특성을 정확히 이해한 뒤, 상황에 맞는 감지 원리(영상전류 검출, 영상전압 검출, 방향판별)를 적절히 조합하여 사용하는 것이라고 할 수 있다. 이러한 기본 원리를 이해해두면, 앞으로 다루게 될 보다 구체적인 보호계전기(과전류계전기, 지락과전류계전기 OCGR, 방향지락계전기 DGR 등)의 실제 적용 사례도 훨씬 수월하게 이해할 수 있을 것이다.