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저압아크플래시위험

아크플래시 인체화상

[그림 1] 저압 아크 플래시 위험

[그림 2] 인체 화상

 
 
 

1.2.1 자료 조사

신규 전력계통은 설계도면을 참조하여 자료를 파악할 수 있지만, 운전 중인 전력계통은 그동안 변경된 저압회로까지 조사하여 단선 결선도를 수정 보완하는 데 많은 시간과 노력이 요구된다. 수개월 동안 아크 플래시 위험분석의 전체 일정 중에서 50% 정도를 이 과정에서 소요하게 되는 어려움이 있다. 세부적인 자료조사는 다음 사항을 참조하여 정리한다.

① 전원 공급 측부터 구내 저압계통의 배분전함, 제어함, 케이블, 전동기까지 조사한다. 단 소용량 변압기 3상 125kVA 이하로 공급하는 240V 이하의 저압기기와 단상 3선식 계통은 제외한다.

② 전동기 용량은 37kW 이상을 적용한다.

③ 고저항 접지방식은 비접지방식으로 취급한다.

④ 자료조사 서식은 [표3.12]부터 [표3.20]을 참조한다.

⑤ 조사된 기기 구성요소들을 식별하고, 계통해석, 유지관리를 목적으로 단선 결선도를 수정 보완한다.

⑥ 적용범위는 [표3.1]과 같다.

 

[표 3.1] 아크 플래시 위험분석 적용범위

구 분

적용 범위

계통 전압

3상 208V~15,000V

주파수

50Hz 또는 60Hz

3상 단락전류

700A~106,000A

도체간격

13㎜~152㎜

큐비클, 배분전함

open air, box, MCC, panel, switchgear, cables

계통 접지방식

비접지, 직접접지, 저항접지

고장 조건

3상 단락고장

 
 

(출처) IEEE Std 1584-2002

 

(주)

1. 단상 부하 또는 DC 계통은 이 조건을 적용하지 않음.
2. 저압 전동기는 37kW 이상을 조사하여 단락전류 계산.
3. 초기 대칭분 3상 단락전류(A) : Ibf (bolted fault current)
4. 15,000V를 초과하는 계통은 Ralph Lee에 의한 수식으로 계산.

 

1.2.2 전력계통 운용모드 결정

방사형의 단순한 전력계통은 최대 단락전류와 최소 단락전류 차이가 거의 없지만, 대용량 플랜트와 같이 운용조건이 복잡한 전력계통은 수전 또는 모선방식에 따라 여러 개의 단락전류 계산조건이 발생한다. 예를 들어 [그림3.3]과 같이 구성된 계통에서 UTIL-1, UTIL-2와 BUS TIE 차단기 투입 또는 개방 모드에 따라 단락전류의 차이가 크게 나타나므로 다음 사항을 고려하여 계통운용조건을 결정한다.

① 1회선 또는 2회선 수전방식
② Bus tie 차단기 투입 또는 개방
③ 발전기 병렬운전 또는 예비

 

[그림 3.3] 전력계통 운용모드 예

 

1.2.3 단락전류( Ibf  : bolted fault current) 계산

즉 [그림3.3]과 같이 어느 고장 지점의 3상 단락전류는 전력계통 운용모드에 따라 최대 단락전류와 최소 단락전류의 차이가 분명하기 때문에 이 것을 구분하여 계산한다. 왜냐하면 기기정격은 최대 단락전류를 적용하면 되지만, 과전류 보호계전기의 반한시 동작특성은 최소 단락전류에서 보호계전기의 동작시간이 더 지연되므로 아크 플래시 사고에너지가 더 증가하기 때문이다.

1) 최소 단락전류(Tie 차단기 개방)

13.8kV switchgear-A 모선 고장조건일 때 전원측(UTIL-1)으로부터 공급되는 단락전류와 부하측(LOAD-A)의 회전기기로부터 공급되는 단락전류를 합해서 구한다.

2) 최대 단락전류(Tie 차단기 투입)

LOAD-A 회로 고장조건일 때, 전원측(UTIL-1)과 전원측(UTIL-2)으로부터 공급되는 단락전류와 부하측(LOAD-A, LOAD-B)의 회전기기로부터 공급되는 단락전류를 합해서 구한다.

 

[그림 3.4] 계통 운용모드에 따른 단락전류 계산 예

 
 

1.2.4 아크 고장전류(Ia ) 계산

아크 고장전류를 정확히 계산하는 일은 어려운 일이므로 계산 모델을 정하여 구하고 있다. 아크 고장전류는 단락전류의 크기에 영향을 받으며 아크 임피던스 때문에 단락전류보다 낮게 계산된다. [그림3.5]는 테브난의 등가회로로부터 고장 지점의 아크 임피던스를 0으로 하여 완전 3상 단락전류를 구한 후 아크 고장전류 변화에 따른 사고에너지 변화정도를 보여주고 있다. 이론적으로 3상 단락전류와 아크 고장전류의 크기가 같은 조건 Ia /Ibf=1.0pu  에서 사고에너지의 크기는 변화하지 않는다. 그러나 전력계통에서 아크 임피던스를 무시할 수 없으므로 3상 단락전류의 70%로 감소하는 아크 고장전류에서 사고에너지는 가장 크게 변화되는 것을 알 수 있다. 따라서 [표3.2] 조건처럼 전압, 기기형태, 도체간격, 거리계수 등을 적용하여 실험결과에 의한 아크 고장전류는 고•저압에 따라 (수식3.1) (수식3.2)로 계산한다.

 

[그림 3.5] 아크 고장전류 변화에 따른 사고에너지 변화특성

 

① 저압인 경우(<1,000V)

 

  

여기서, 고압인 경우는 open, box 형태를 구별하지 않으므로  값을 적용하지 않는다.

 

[표 3.2] 전압 및 기기 형태에 따른 적용 계수

 

(출처) IEEE Std 1584-2002 Table 4.
(주) 거리 계수는 사고에너지 계산을 위한 factor 임.

 

1.2.5 보호기기 동작특성과 아크 지속시간

과부하 또는 단락 사고로부터 변압기, 콘덴서, 전동기, 발전기, 케이블, 부스, 기기 등을 보호하기 위해 적절한 보호기기를 사용한다. 보호기기는 과전류 보호계전기, 퓨즈, 차단기 등이 사용되며 보호협조를 통해 고장 지점을 선택차단하고, 아크 플래시 위험으로부터 작업자를 보호할 수 있어야 한다. 특히 보호기기의 동작시간은 아크 플래시 사고에너지 증감에 영향을 크게 미치게 된다. 다음은 아크 플래시 위험분석에 요구되는 보호기기별 동작특성을 설명한다.

① 퓨즈

퓨즈의 동작특성은 제작사로부터 용단시간, 아킹 제거시간을 입수할 수 있으나, 만일 평균 용단시간을 알고, 아킹 제거시간을 모를 때는 평균 용단시간 0.03초까지 15%, 0.03초를 넘는 경우 10%의 아킹 시간을 더해서 아킹 지속시간을 구한다. 퓨즈 동작특성에 대한 이해는 [그림2.43] [그림2.44] [그림3.6] [표2.13] [표2.14]를 참조한다.

② 저압 차단기

저압 차단기의 동작특성은 [표2.11] [표2.12] [그림2.45] [그림3.6]과 자세한 것은 제작사의 카다로그를 참조한다. 여기서 고장 제거시간(total clearing time curve)이란 차단기의 트립핑과 아킹 제거시간을 포함한다.

③ 보호계전기

과전류 보호계전기와 차단기를 사용하는 경우 아크 지속시간은 보호계전기 동작시간과 차단기 동작시간을 더해서 구한다. 계전기 동작시간은 보호계전기 정정계산서 및 보호협조 곡선에서 찾을 수 있으며, 차단기 동작시간은 [표3.3]을 참조한다.

 

[표 3.3] 차단기 동작시간

구 분

정격 차단시간(cycles)

정격 차단시간(초)

저압 MCCB

1.5

0.025

저압 차단기

3.0

0.050

1~35kV 차단기

5.0

0.080

>35kV 차단기

8.0

0.130

(출처) IEEE Std 1584-2002, Table 1.

 

[그림 3.6] 보호기기 과전류-동작시간 예

 

1.2.6 부스 간격

일반적으로 부스와 부스 사이의 갭은 [표3.4]를 참조한다.

 

[표 3.4] 부스 간격

구 분

부스 간격(㎜)

15kV switchgear

152

5kV switchgear

104

저압 switchgear

32

저압 MCC and panel boards

25

cable

13

기타

적용하지 않음

(출처) IEEE Std 1584-2002, Table 2.

 

1.2.7 작업거리

작업거리는 최소 안전거리이며 [그림3.8]과 같이 고장 지점으로부터 작업자의 손이나 팔과의 거리를 말하는 것이 아니라 작업자의 안면 및 가슴부분의 작업거리를 말한다. 최소 안전 작업거리는 [표3.5]를 참조한다.

[그림 3.8] 작업거리 예

 

[표 3.5] 최소 안전 작업거리

구 분

작업 거리(㎜)

15kV switchgear

910

5kV switchgear

910

저압 switchgear

610

저압 MCC and panel boards

455

cable

455

기타

현장 조건 적용

(주) 1. >1kV ~ <35kV 스위치기어 910㎜
2. >35kV 스위치 기어 1,829㎜
(출처) IEEE Std 1584-2002, Table 3.

 
 

1.2.8 사고에너지 레벨 계산

 

이전까지의 모든 단계를 거쳐서 아크 플래시 사고에너지를 계산한다. 사고에너지를 구하는 수식은 아크 지속시간 0.2초, 작업 거리 610㎜ 일 때를 기본 조건으로 해서 구한 것이다.

 
 

(수식3.4)로부터, 실제 작업 거리와 아크 지속시간을 적용한 사고에너지는 (수식3.5)로 계산한다.

 
 

그러나 계통전압이 15kV를 넘는 경우 사고에너지 계산은 IEEE Std 1584에 의한 (수식3.5)를 적용하지 않고, Ralph Lee에 의한 (수식3.6)으로 계산한다.

 
 
1.2.9 아크 플래시 보호범위 계산
 

[그림3.9]에서 바깥 둘레의 아크 플래시 보호범위(flash protection boundary)는 고장 지점으로부터 작업자의 피부에 떨어지는 아킹 전류를 사고에너지로 계산했을 때 판단할 수 있는 보호거리를 말하며, 치료 가능한 2도 화상을 일으키기 직전의 보호에 해당된다. 또한 노출된 충전부위로부터 전격(electrical shock)을 보호하기 위해 [그림3.9] [그림3.10]과 같이 접근 제한(Limited), 접근 한계(Restricted), 접근 금지(Prohibited)의 범위를 정하고 있으며 충전부 접근제한 거리는 [표3.6]을 참조한다.

 
 

[표 3.6] 충전부의 접근제한(전격방지를 위한 충전부와 작업자 사이의 거리)

 

계통 전압
(선간전압, kV)

접근 제한(m)
Limited

접근 한계(m)
Restricted

접근 금지(m)
Prohibited

노출 이동 도체

노출 고정 전로

0.05 미만
미규정
미규정
미규정
미규정
0.05~0.3
3.05
1.07
접촉 금지
접촉 금지
0.31~0.75
3.05
1.07
0.305
0.0254
0.751~15
3.05
1.53
0.66
0.178
15.1~36
3.05
1.83
0.787
0.254
36.1~46
3.05
2.44
0.838
0.432
46.1~72.5
3.05
2.44
0.965
0.635
72.5~121
3.05
2.44
0.991
0.813
138~145
3.36
3.05
1.093
0.940
161~169
3.56
3.56
1.22
1.07
230~242
3.97
3.97
1.6
1.45
345~362
4.68
4.68
2.59
2.44
500~550
5.8
5.8
3.43
3.28
765~800
7.24
7.24
4.55
4.4
 

[그림3.9]의 아크 플래시 보호범위는 계통전압 15kV 이하인 경우 (수식3.7) IEEE Std 1584, 계통전압 15kV를 넘는 경우 (수식3.8) Ralph Lee에 의한 방법으로 계산한다.

 
 

 

1.2.10 아크 플래시 위험분석 적용방법
 

1) 분석 결과

 

분석 결과에는 [표3.8] [표3.9]와 같이 회로명, 전압, 단락 전류, 아크 전류, 고장 지속시간, 아크 플래시 보호범위, 작업 거리, 사고 에너지, 개인 안전보호구 등급(PPE) 등을 나타내고 분석 년, 월, 일을 표시한다. 예시한 결과에서 보는 바와 같이 저압 600V 이하에서 PPE 등급이 더 높게 요구는 경우도 있음을 알 수 있다.

 
 
 

2) 개인 안전보호구 선정

 

분석결과에 근거하여 개인 안전보호구(PPE) 등급을 선정하여야 하며 방염복장 체계는 [표3.10]을 참조한다.

 

 

 

(출처) National Fire Protection Association(NFPA 70E)
(주)
1. 위험 등급 4는 보호기기의 동작특성을 개선하거나 단락전류 크기를 제한하여 위험등급을 낮추도록 권장하며,
위험 등급 5는 활선작업을 금지하도록 권장.
2. 난연성(방염) 작업복에는 셔츠, 바지, 멜빵바지, 재킷, 외투, 파카 등이 있으며, 다층 구조 또는 겹쳐 입을수록 보호정도가 높아짐.
3. 위험 등급 3 이상은 얼굴, 귀, 목, 어깨 등을 보호할 수 있도록 헤드기어 착용. (이하 설명내용 참조)

 

[그림 3.12] PPE 위험 등급 0, 1, 2, 3, 4 착용 예

 

[그림3.12]는 [표3.10]의 위험 등급별 개인 안전보호구를 착용한 예를 나타낸 것이다. 실무에 적용하는 경우 다음사항에 유의하여 선정하도록 한다.

가) PPE 0의 경우 : 사고 에너지가 낮으므로 개인 보호구 착용을 요구하지 않는다. 이 때는 비용해성의 인화성 작업복을 착용할 수 있다.

나) PPE 1의 경우 : 난연성의 긴 셔츠와 바지를 착용한다. 그 외 보호구로 헬멧, 보안경, 장갑, 부츠 등을 착용한다.

다) PPE 2의 경우 : 면내복위에 난연성의 긴 셔츠와 바지를 착용한다. 그 외 보호구로 안면 보호구(후드 형태의 헬멧), 장갑, 부츠 등을 착용한다.

라) PPE 3의 경우 : 면내복위에 난연성의 긴 셔츠와 바지를 착용하고, 다층의 겉옷 또는 외투를 입는다. 그 외의 보호구로 얼굴, 귀, 목, 어깨를 보호하기 위한 헤드기어와 장갑, 부츠 등을 착용한다.

마) PPE 4의 경우 : 면내복위에 난연성의 긴 셔츠와 바지를 착용하고, 다층(3겹 이상)의 겉옷 또는 외투를 입는다. 그 외의 보호구로 얼굴, 귀, 목, 어깨를 보호하기 위한 헤드기어와 장갑, 부츠 등을 착용한다.

바) PPE 5는 위험성이 매우 높으므로 사고에너지 억제대책을 강구하고, 대책이 어려운 경우 활선작업을 금지한다.

사) 개인 안전보호구를 착용하고, 필요시 재킷, 파커, 우의 등을 착용할 수 있다.

아) 개인 안전보호구는 가능한 노출되는 모든 부분을 덮을 수 있어야 한다.

자) 작업성을 저해하므로 꼭 끼는 옷차림은 피하는 것이 바람직하며, 느슨한 옷차림은 공기의 공간을 만들어 열전달을 차단하는데 효과가 있다.

차) 난연성 작업복의 사용, 세탁, 보관, 훈련 등의 방법은 제작사의 지침을 따르도록 한다.

3) 경고 라벨 제작 및 부착

아크 플래시 위험분석 결과에 근거하여 작업자의 위험을 경고하는 라벨을 디자인한다. 라벨의 형태에 대해서는 구체적인 지침이 없으나 식별과 판독이 용이하도록 다음 사항에 주의하여 디자인한다.

가) 시간이 경과되거나 주변이 고온인 환경에서는 부착된 라벨이 훼손될 수 있으므로 재질과 색상 선택에 유의한다.

나) 동일한 함 내에서 PPE 등급이 다른 경우는 더 높은 등급을 적용한다. 예를 들어 변압기를 함에 설치하는 경우 변압기 1차측은 과전류 보호계전기 순시 동작에 의해 위험 등급이 낮게 계산되지만, 변압기 2차측은 1차측의 과전류 보호계전기 한시 동작에 의해 시간이 지연되므로 위험 등급이 더 높게 계산된다.

다) 배분전함 내에서 PPE 등급을 결정하는 차단기는 앞단의 차단기 동작조건으로 결정한다. 왜냐하면 어떤 위치의 배분전함 주차단기가 폭발하면 앞단의 차단기로 보호되어야 하기 때문이다.

라) 다음의 경고 라벨 디자인은 아크 플래시 보호범위, 사고 에너지, PPE 등급별로 방염복장을 나타내었고, 전격에 대한 위험을 경고하기 위해 충전부 접근 제한거리도 함께 표현한 사례이다. 이것은 계통 구성 또는 기기가 변경되는 경우 다시 분석하여야 하므로 분석 년, 월, 일도 함께 나타내었다. (디자인 : 파워세븐엔지니어링)



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