그라운딩 원칙 (1/3)

그라운딩(Grounding) 원칙

 

그라운딩 시스템 원칙을 논하고 그라운딩이 어떻게 안전과 퓨즈 혹은 회로 차단기 같은 장치 보호 회로의 효과적인 동작과 관련 있는지 살펴본다.

 

대부분의 엔지니어 또는 전문가에게 그라운딩은 간단한 주제이고 요구되는 지식보다 주의를 덜 받는다. 어떤 사람들에게는 그라운드가 있고 또한 깨끗한 그라운드(Clean Ground)도 있다. 30년 전에 컴퓨터가 상대적으로 새로운 것이었을 때, 전자회로와 컴퓨터의 그라운드에 대한 많은 접근이 있었다. 이런 접근 중의 일부는 “깨끗한 그라운드”라 불렸는데 그것은 종종 파워 그라운드로부터 격리되었다.

이런 아이디어의 상당 부분은 효과가 없다는 것이 증명 되었고 때때로는 장비와 사람에게 위험하다. 주파수가 높아짐에 따라서(컴퓨터가 빨라짐에 따라서) 그라운딩, 쉴딩, EMI, 번개 보호와 정전기에 대한 연구가 가속되었다. 이런 연구는 그라운딩 뒤에 있는 기초 과학의 결과를 낳았다. 이 주제는 생각하는 것만큼 간단하지 않다. 기초 원리에 대한 이해를 분명히 해야 한다.

먼저, 회로의 그라운드 혹은 그라운딩은 잘못 명명된 이름이다. 대부분의 경우 이 용어는 회로를 땅(earth)으로 연결(connect)하는 것을 의미한다. 실제로 그것은 회로를 공통 기준 점에 연결하는 것이다. 대부분의 시스템에서 그것은 땅이다.

그라운드의 주요 목적은 다양한 전기 에너지 소스 간에 공통 기준점을 제공하는 것이다. 다양한 전기 에너지 소스의 예로는 다음이 있다.

●  다양한 파워 시스템         - 공용 유틸리티, 사이트 생성, 배터리 시스템

●  다양한 전압 시스템         - 138,000v, 13,800v, 480v, 120v, …

●  다양한 에너지 소스         - 전기 에너지, 번개, 정전기, RF 에너지

전기 시스템의 그라운딩을 논할 때, 특히 파워 시스템에서, 어떻게 그라운딩 시스템이 과전류 보호와 관련되는지를 고려할 필요가 있다. 왜냐하면 그것은 동반되어 진행되기 때문이다.

그라운딩 시스템이 어떻게 작동하는지에 영향을 주는 잘못된 개념이 몇 개 있다. 다음 사실은 일반적으로 알려져 있지 않거나 잘못 이해되고 있는 것이다.

●  땅이 항상 좋은 그라운드인 것은 아니다.

●  60 Hz에서 허용할 만한 것이 고주파에서 항상 작동하는 것은 아니다.

●  큰 도체를 가진 시스템의 상호연결(interconnection)은 부적절하게 설치될 때 효과적이지 않다. - 빌딩 주변의 그라운드 루프와 빌딩 간의 상호연결은 충분하지 않다. - 그라운드 도체는 위상 도체와 함께 도관 안에서 진행되어야만 한다(그라운드 도체는 도관 밖에서 상호연결처럼 행동한다).

●  회로 차단기와 퓨즈의 사이즈가 적절할 지라도 항상 보호 되는 것은 아니다.

●  쉴드 그라운딩은 중요한 문제를 유발할 수 있다. 대부분의 시간에서 그라운드는 하나의 단으로 끝나지만 항상 그렇지는 않다. 어떤 회로는 양단 그라운드를 필요로 한다.

●  새로운 건축 방법과 재료는 실제 문제를 유발할 수 있다. -  전기적 도체로서의 유익이 있는 구조물 요소의 제거는 전기적 문제를 유발한다.

●  부적절하게 설치된 번개 보호 시스템은 더 큰 손상을 유발할 수 있고 어떤 번개 보호도 하지 못 할 수 있다.

 

* 위상 도체: 다상(polyphase) 회로에서  중립(neutral)를 도체를 제외한 다른 어떤 도체

 

 

안전

실제로, 그라운딩의 목적은 공통 기준 점을 제공하는 것 보다 더 많다. 그것은 안전의 열쇠이다. 즉 다음을 보호 한다.

●  사람

●  장비

●  시설

전기적 위험으로부터 사람, 장비, 시설을 보호하는 것을 고려할 때, 그라운딩과 과전류 보호 둘 다 고려할 필요가 있고 그것이 서로 어떻게 관련되는지 알 필요가 있다. 그것은 함께 진행된다. 어떤 시설의 전기 보호 시스템은 다음과 같은 의도가 있다:

●  감전, 화재로부터 사람 보호

●  고장, 화재로부터 장비와 시설 보호

●  케이블 고장으로부터 전기 회로 보호

보호 시스템이 의도된 대로 작동하기 위해서, 먼저 작동 해야만 하고, 다음으로 위험을 제거하거나 최소한 최소화 하기에 충분히 빨리 작동해야만 한다. 그 곳이 적절한 그라운딩이 역할을 하는 곳이다.

다른 사실은, 대부분의 경우에 사고와 실패는 동시에 일어나는 2개의 이벤트나 고장 때문이다. 예들 들어, 빈약한 그라운드는 차체로 문제를 유발하지 않지만 쇼트 회로에 커플 되어 사고가 난다. 다르게 말하면, 부적절하게 설치되는 그라운드 시스템(부적절한 회로 보호를 갖고 있는)은 쇼트 회로가 발생할 때까지 문제를 유발하지 않을 것이다. 결국 회로 차단기는 열리지 않고 장비는 파괴될 것이다.

많은 경우에, 전기적 문제의 감소와 잠재적 제거는 적절한 그라운딩의 함수이다. 그라운딩은 오옴의 법칙을 적절히 응용해서 비정상적인 전압과 전류를 제어하는 것이다.

           E = IR

           E = IR + jIX_C + jIX_L

그라운딩은 E와 I의 효과를 줄이기 위해 R을 제어하거나 최소화 하는 것이다. 부적절한 그라운딩은 그라운딩이 없는 것보다 더 큰 위험을 초래할 수 있다. 그라운딩에 대한 잘못된 이해는 효과가 없거나 심지어 더 나쁜 즉 위험하고 부적절한 그라운딩 시스템의 설치를 이끌 수 있다.

 

 

전기 쇼크

전기 쇼크(감전)는 사람 몸의 두 부분이 다른 전위차를 가진 회로의 도체와 접촉할 때 몸을 가로 지른 전위차의 차이가 발생되어 일어난다. 사람 몸은 저항을 가지고 있고 몸이 전위가 다른 두 도체 사이에 연결되면 몸을 통해서 회로가 형성이 되고 전류가 흐른다.

사람 몸이 하나의 도체에만 연결되면, 회로가 형성되지 않고 아무 일도 일어나지 않는다. 사람 몸이 회로의 도체와 연결 될 때, 전압이 어떻든지, 위험 잠재성이 있다. 전위 차이가 클수록 위험은 크다. 전기 쇼크의 효과는 몸의 어떤 부위가 도체에 연결되었는지의 함수이다. 각 접촉 점의 저항 즉 접촉 부위에서 몸의 표면 저항도 또한 요소이다.

전기적 접촉이 인체를 경유하는 회로 경로가 심장을 가로지를 때, 사망할 잠재성은 최대가 된다. 아래 그림에 보이는 것처럼, 인체의 저항은 500 ohms부터 600k ohms까지 변한다. 피부가 촉촉해지면, 접촉 저항은 줄어든다. 피부가 소금을 포함한 땀 때문에 촉촉해지면 저항은 더 심하게 떨어진다. 아래 그림은 인체를 가로지르는 3개의 다른 전위차에서 인체를 흐를 수 있는 전류의 양을 보여준다. 또한 AC와 DC에서 다른 전류 레벨 효과를 보여준다. 궁극의 효과는 심장이 멈춰서 죽게 만드는 섬유화이다.

13,800v 같은 고 전압이 관여되면, 몸은 문자 그대로 익이서 터진다. 아래 그림은 또한 인체가 어떻게 감전될 수 있는지를 묘사하는 Safe Sally와 Suzie Sizzle 두 막대 그림을 보여준다. 여성의 이름은 단지 기억하기 좋도록 지어진 것이다.

쇼트 회로

전기 쇼크가 어떻게 발생하고 그라운딩이 어떻게 적용되는지 분석하기 위해서, 관련된 회로를 살펴볼 필요가 있다. 아래 그림은 소스(트랜스포머 또는 모든 AC 회로에 대한 제너레이터), 회로 보호, 도체(R1), 그리고 부하(RL)로 구성된 기초 회로를 묘사한다. 쇼트 회로는 파워 소스와 부하 사이에 의도하지 않은 어떤 연결(R_SC)이다. 아래 두 번째 그림을 보라. 쇼트 회로는 완전 쇼트, 순간적인 쇼트, 간헐적인 쇼트, 또는 하이 임피던스 쇼트 등으로 분류된다. 완전 쇼트는 매우 드문 경우로 두 도체 사이의 저항이 매우 낮다. 많은 경우에 쇼트는 높은 저항성 쇼트이거나 순간적이거나 간헐적이다. 높은 저항성 쇼트는 고 저항이나 임피던스 연결로 시작하지만 일반적으로 낮은 임피던스 연결로 진행된다.

전기 시스템에서 쇼트는 phase-to-phase, phase-to-neutral, 또는 phase-to-ground로 분류된다. 아래 그림은 전형적인 phase-to-phase 또는 phase-to-neutral 쇼트를 보여준다.

아래 그림은 기본 phase-to-ground 쇼트를 보여준다. 대부분의 쇼트는 phase-to-ground이고 phase-to-phase 또는 phase-to-neutral로 시작해서 phase-to-ground로 진행한다.

쇼트 회로와 그것이 유발하는 손상으로부터의 보호를 생각할 때, 주워진 회로에서 흐를 수 있는 쇼트 전류의 최대 량을 알 필요가 있다.

AC 파워 시스템을 고려할 때, 공급 트랜스포머나 제너레이터의 임피던스가 가용한 쇼트 회로 전류 I_SC의 양을 결정한다. 트랜스포머나 제너레이터로부터의 거리, 리드 길이, 도체 저항이 쇼트 전류의 양을 줄인다. 쇼트 회로 사이에 연결된 모터와 공급 트랜스포머나 제너레이터는 제너레이터처럼 행동해서 쇼트 전류의 흐름을 더 한다.

쇼트 회로가 유발할 수 있는 손상의 양과 타입을 생각할 필요가 있다. 완전 쇼트가 가장 파괴적이라고 생각할 수 있을 것이다. 임피던스가 가장 낮고 가장 큰 전류를 흘릴 수 있는 완전 쇼트가 실제로는 종종 가장 덜 파괴적이다. 간단한 아크가 화재를 유발함으로써 매우 파괴적일 수 있다. 대부분의 아크는 120VAC에서 0.5~1 ohm의 저항을 갖는다. 따라서 아크는 매우 짧은 시간 동안 120에서 240A 사이의 전류를 흘릴 수 있다. 이것은 14,400에서 28,800W 사이의 열을 만들어낸다. 20,000W는 모든 방향으로 날아가는 1/16” 직경의 구리 소립자를 만들 낼 것이다. 따라서 화재가 시작된다.

중요한 것은 어떤 단위 시간 동안 집중된 와트 밀도이다. 아래 그림은 그 시점을 묘사한다. 큰 구리 바를 통해서 흐르는 1000A는 어떤 것을 할 수 있는 충분한 열을 만들지 못하지만, 매우 작은 접촉 면을 가진 아크는 구리 소립자를 만들 수 있다. 이것을 바라보는 다른 관점은, 5W 크리스마스 트리 전구를 생각해 보라. 쇼트 회로의 대부분은 작은 전류가 흐르는 아크 결함이고 종종 화재로 이어진다.

쇼트 회로는 그것이 phase-to-phase, phase-to-neutral, 또는 phase-to-ground든지 간에 일반적으로 완전 쇼트가 아니라 상대적으로 높은 임피던스이다. 대부분의 120VAC 회로는 15A 퓨즈나 회로 차단기로 보호된다.  쇼트가 발생하면, 휴즈나 회로 차단기가 보호를 해서 회로를 오픈 시킬 것이라고 생각할 수 있다. 그러나 많은 경우에 그렇지 않다.

보호 장치가 기능하기 위해서, 쇼트는 감지할 수 있는 충분한 시간 동안 충분한 전류가 있어야만 한다. 15A 보호 장치에 대해서 15A 이상의 쇼트 전류가 있어야 한다. 아래 그림은 전형적인 퓨즈의 시간-전류 특성을 보여준다. 제일 왼쪽 곡선이 15A 퓨즈이다. 15A 퓨즈가 오픈 되고 고장을 종료시키려면 0.2초 동안에 100A가 필요하고, 10초 동안에 70A가 필요하며 1000초 동안에는 20A가 필요하다. 아크 회로는 긴 시간 동안에 구리 소립자를 만들 수 있고 퓨즈를 오픈 시키지 않는다.

과전류 보호는 주로 과부하와 어떤 타입의 쇼트 회로를 보호한다. 과전류 보호 시스템이 아무리 좋을지라도 그것이 항상 작동하는 것은 아니다. 대부분의 쇼트 회로는 phase-to-ground 고장으로 진행하기 때문에 ground 고장 보호가 추가 보호를 제공할 유일한 시스템이다.