Introduction
Scope
Grounding and Bonding
Ground Systems
Grounding Loops
Noise Reduction
Electrostatic Noise
Surge Suppressors
Power
Uninterruptible Power Systems
Electrical Installation Details
21.1 서론
Electrical Installation 전기 설치
이 장에서는 산업 시설 내 전기 설치(EI, Electrical Installation)에 대해 다룹니다. 자동화 공정이 잘못된 전기 설치 관행으로 인해 실패하지 않도록 필요한 정보를 제공하는 것을 목적으로 합니다.
이 장에서는 안전 및 신호 잡음 감소를 위한 접지(grounding)의 기본 사항을 포함하여, 전력 품질(power quality), 무정전 전원 공급 장치(UPS, Uninterrupted Power Supply) 시스템, 전기 회로 보호 및 인클로저(enclosure)에 대한 개요를 다룹니다.
21.2 범위
이 절에서는 자동화 공정을 사용하는 산업 제조 시설에서 신뢰할 수 있는 전기 설치를 달성하기 위해 필요한 주요 전기 설치 기준을 설명합니다. 이러한 EI 기준에는 전력 품질, 플랜트 수준의 전력 분배, 접지, 전자기 결합(EMC, Electromagnetic Coupling), 전력선 컨디셔닝(Power Line Conditioning), 잡음 특성 등이 포함됩니다.
이 절에서는 사무실 건물이나 시스템 정보 부서에 있는 대형 컴퓨터 시설에 대한 전기 설치 요구사항은 다루지 않음을 유의하시기 바랍니다.
21.3 접지(Grounding) 및 접속(Bonding)
접지(Grounding)는 전기설비(EI)가 안전하고 정상적으로 작동할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 합니다.
적절하게 접지된 전기설비는 퓨즈(fuse), 차단기(circuit breaker), 계측기(metering), 누전 차단기(GFI: Ground Fault Interrupter), 낙뢰 방지기(lightning arrestor), 서지 보호기(surge protector)와 같은 보호 장치들이 제대로 작동할 수 있도록 해줍니다.
적절하게 접지되고 설계된 전기설비는 다음과 같은 상황에서 회로를 안전하게 개방된 상태(무전원 상태)로 유지합니다:
• 과부하(overload)
• 단락(short circuit, 장비 폭발 이전)
• 지락(ground fault)
• 서지(surge, 예: 낙뢰에 의한)
작업자의 안전은 미국 화재방지협회(NFPA: National Fire Protection Association)의 국가 전기 규정(NEC: National Electrical Code) 및 캐나다 전기 규정(CEC: Canadian Electrical Code)에 명시되어 있으며, 이를 충분히 이해하고 전기설비 설계에 통합해야 합니다.
21.3.1 접지(Grounding)
접지된 전기 시스템은 낙뢰, 전압 서지(line surge), 또는 고전압 회선과의 비의도적인 접촉으로 인해 발생하는 전압을 제한하고, 정상 작동 중에는 접지 전압을 안정화할 수 있도록 지면과 연결되어야 합니다. (NEC 조항 250-4(A)(1))
21.3.2 접지됨(Grounded)
‘접지됨(Grounded)’이란 지면 또는 지면을 대신할 수 있는 도전성 물체에 연결된 상태를 의미합니다. (NEC 조항 100)
21.3.3 접지 도체(Grounding Conductor)
접지 도체는 전류를 흐르지 않는 장비의 금속 부분, 전선관(raceway), 기타 인클로저(enclosure)를 시스템의 접지된 도체(system grounded conductor), 접지 전극 도체(grounding electrode conductor), 또는 이 둘 모두에 연결하기 위해 사용되는 도체입니다. 이 연결은 서비스 장비(service equipment) 또는 별도로 유도된 시스템의 전원(source)에서 이루어집니다. (NEC 조항 100)
21.3.4 접속(Bonding)
접속(Bonding)은 금속 부품들을 영구적으로 연결하여 전기적으로 도전성 경로를 형성하는 것으로, 전기적 연속성(electrical continuity)과 예상되는 전류를 안전하게 전달할 수 있는 능력을 확보하는 것을 의미합니다. (NEC 조항 100)
21.4 접지 시스템(Grounding Systems)
NEC는 시스템 접지를 반드시 설정하도록 요구하며, 이는 가능한 한 서비스 진입점(service entrance)에서 이루어져야 합니다. NEC는 주로 작업자의 안전과 화재 방지에 중점을 둡니다.
신호의 기준 전압(0V reference)을 설정하는 것은 NEC와 함께 작동해야 하며, 이는 잡음(noise)과 접지 루프(ground loop)를 줄이기 위해 필요합니다. 이러한 요소들은 NEC의 주요 목적은 아니지만, 일반적으로 두 목적은 조화를 이루며, 때로는 두 가지 목표를 동시에 만족시키는 데 어려움이 있을 수 있습니다.
이 장에서는 일부 접지 관련 고려사항과 실무를 다루지만, 이 내용이 접지에 대한 결정적인 참고 자료는 아니라는 점을 이해하셔야 합니다. 이 장의 주요 목적은 접지 시스템이 자동화 시스템의 성능을 어떻게 향상시키는지를 설명하는 데 있습니다.
모든 신호 접지 시스템의 핵심은 실용적인 접지 평면(ground plane)을 개발하는 것입니다. 현대 제어 시스템에는 고주파(high frequency) 신호가 많기 때문에, 목표는 등전위점(equipotential point)을 설정하는 것입니다. 이는 동일한 임피던스(impedance)를 가진 넓은 영역을 효과적으로 형성하는 것으로, 서비스 진입점을 포함한 여러 접지를 포함합니다. 이를 달성하는 방법은 다양하며, 적절한 시점에서 본 장에서 다루게 될 것입니다.
21.4.1 접지 전극(Grounding Electrode)
소규모 시설의 기본적인 접지 요소는 막대, 파이프 또는 판으로 구성된 단일 전극(제작된 전극, made electrodes)입니다.
단일 접지 전극(서비스 진입점 또는 별도로 유도된 접지의 진입점)이 25옴(ohm)을 초과하는 저항을 가지는 경우, 추가 전극을 설치하여 보완해야 합니다.
그러나 NEC에서는 저항이 여전히 25옴을 초과할 경우 어떻게 해야 하는지에 대해서는 명시하고 있지 않습니다.
실제로 대부분의 전기설비(EI)는 10옴(MIL HDBK 419A) 이하의 접지 저항을 가져야 하며, 실무에서는 5옴 이하가 바람직합니다.
21.4.2 접지 삼각형(Grounding Triads)
단일 접지봉(ground rod)만으로는 등전위 평면(equipotential plane)을 형성하거나 효과적인 접지를 구현하기 어렵습니다.
실제로 대부분의 산업용 시스템에서는 삼각형 배열(triad)을 사용합니다.
삼각형 배열은 세 개의 접지봉으로 구성되며, 각 접지봉은 최소 3미터(10피트) 길이이며, 토양의 저항이 높은 경우에는 더 긴 접지봉이 필요합니다.
이 접지봉들은 지면에 삼각형 형태로 최소 3미터(10피트) 간격으로 박아 설치한 후, 서로 접속(bonding)하여 하나의 접지봉처럼 사용합니다.
Figure 21-1: Triads and Building Grounds
21.4.3 등전위 평면(The Equipotential Plane)
등전위 평면은 일반적으로 작업 구역 아래에 위치한 표면으로, 얇은 도전성 금속판 또는 구리망(copper screen)을 여러 지점에서 접속(bonding)하여 구성되며, 일반적으로 삼각형 배열(triad)을 통해 접속됩니다. 이 평면은 서비스 접지를 포함하며, 매우 낮은 임피던스(impedance)를 가지는 하나의 큰 접지 영역으로 작동합니다.
등전위 평면을 구성하는 도전성 매체는 다음과 같습니다:
(a) 콘크리트 바닥에 매립된 구리 격자(copper grid)
(b) 컴퓨터실 바닥과 같은 금속 재질의 상승 바닥(raised metal floor)
(c) 바닥 타일이나 카펫 아래에 설치된 알루미늄, 구리, 인청동(phosphor bronze) 망 또는 금속판
(d) 장비 위 천장 타일 위에 설치된 격자 구조(ceiling grid)
격자(grid)의 개구부는 관심 있는 최고 주파수의 1/20 파장보다 크지 않아야 하며, 최대 4인치까지 허용됩니다. 설계 목표로는 격자 개구부가 4인치를 초과하지 않도록 해야 합니다. (MIL HDBK 419A)
고주파(high frequency)에서 접지 대상 장비 아래에 위치한 이 넓은 도전성 표면은 단일 도체보다 훨씬 낮은 특성 임피던스(characteristic impedance)를 제공합니다. 이는 특성 임피던스(Z₀)가 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)의 함수이기 때문입니다. 지면에 대한 커패시턴스가 증가하면 Z₀는 감소합니다.
일반적으로 도전성 평면이 지면에 대해 가지는 커패시턴스는 단일 도체보다 높습니다. 도전성 평면의 크기를 늘려 더 넓은 영역을 포함하게 되면 커패시턴스는 증가합니다. 또한 도전성 금속판의 길이에 의해 발생하는 인덕턴스는 폭이 넓어질수록 감소하여 Z₀를 더욱 낮춥니다.
도전성 금속판의 크기를 크게 확장하면 특성 임피던스는 매우 낮은 값에 근접하게 되며, 넓은 주파수 범위에서 낮은 상태를 유지합니다. 이는 접속된 모든 장비에 대해 등전위 기준 평면(equipotential reference plane)을 형성합니다. 등전위 접지 평면을 통과하거나 그 위를 따라 흐르는 ‘잡음이 있는(noisy)’ 도체는 그 전자장이 도체와 접지 평면 사이에 제한되게 됩니다.
(등전위 평면에 대한 내용은 MIL HDBK 419A에서 발췌 및 재구성되었습니다.)
21.4.4 별도로 유도된 접지(Separately Derived Grounds)
표준 서비스 진입점에서의 고정 접지(solid ground)에서는 중성선(neutral)과 안전 접지(safety ground)가 해당 지점의 접지 전극(grounding electrode)에 직접 연결됩니다. 이 지점은 시스템 내에서 이들이 연결되는 유일한 지점입니다. 이러한 방식은 시스템 내에서 지락(ground fault)이 발생할 경우 회로 차단기(circuit breaker)나 퓨즈(fuse)가 작동하여 회로를 차단함으로써 회로를 보호할 수 있도록 합니다. 그러나 일부 공정에서는 이러한 방식이 문제가 될 수 있습니다. 특히 지락으로 인해 공정을 제어하는 장비가 중단되는 경우, 공정을 즉시 멈추는 것은 일반적으로 바람직하지 않습니다. 이러한 경우에는 별도로 유도된 접지(separately derived ground)를 사용하는 것이 일반적입니다.
Figure 21-2: Separately Derived System
델타 변압기(delta transformer)의 입력은 접지된 시스템과 금속적으로 연결되어 있지 않다는 점에 유의하십시오(변압기 대신 발전기(generator)를 사용할 수도 있습니다). 따라서 이 접지는 별도로 유도된 접지(separately derived ground)입니다. 접지 도체(grounding conductor)에 고정된 도체(solid wire)를 사용하는 대신, 임피던스(impedance)나 저항(resistance)을 사용할 수 있으며, 이를 통해 시스템을 중단시키지 않고도 지락(ground fault)이 존재할 수 있도록 할 수 있습니다. 이 경우 요구되는 유일한 조건은 지락 감지 시스템(ground fault detection system)과 숙련된 작업 인력(competent workforce)이 반드시 갖추어져 있어야 한다는 점입니다.
Figure 21-3: Ground Types
21.4.5 기타 권장 사항(Other Recommendations)
철골 구조물(steel framed buildings)은 철골이 전기적으로 연속성을 유지할 수 있도록 설계되어야 합니다.
프로그래머블 전자 장치(PE: Programmable Electronic devices)를 지원하는 계측 전원 패널(instrument power panel) 또는 배전용 변압기(distribution transformer)에는 단일 지점 접지(single point ground)를 사용하는 것이 권장됩니다.
건물 간 또는 서로 다른 접지 방식의 시스템 간에 존재하는 접지 평면 사이의 모든 통신 배선은 비금속(nonmetallic) 재질이어야 하며, 예를 들어 비금속 강도 부재(nonmetallic strength members)를 포함한 광섬유(fiber optic)를 사용하는 것이 바람직합니다.
모든 PE 장치 및 관련 배전 장비에는 다음 기준에 따라 서지 보호기(surge protector)를 설치해야 합니다:
• 서지 보호기의 부하 측(load side)에 위치한 장치 또는 장비를 즉시 보호할 수 있도록 할 것
• 변전소 낙뢰 방지기(substation lightning arrestor) 등 상위 장치와 조화를 이루도록 설계할 것
21.4.6 장비(Equipment)
전기설비(EI)는 해당 용도에 적합한 장비를 사용해야 합니다(예: NEC 코드, 조항 500). 그러나 PE 장비는 원하는 안전성과 기능성을 확보하기 위해 추가적인 고려가 필요합니다. 이러한 고려사항은 다음과 같습니다:
• 진동 및 접지 전류를 제거할 수 있도록 장착할 것 — 예: 비도전성 진동 차단 마운트를 사용하여 인클로저 후면 패널에 PE 장치를 설치
• 전자기 적합성(EMC: Electromagnetic Compatibility) 문제를 방지하기 위해 제조업체의 지침에 따라 정확하게 조립할 것
• PE 장치가 설치된 캐비닛 내에서 적절한 열 방출이 가능하도록 배선 경로를 설계할 것
• 가능한 경우 단일 지점 접지를 사용할 것
• EMC 발생원으로부터의 절연(isolation)을 확보할 것
• EMC 문제를 방지하기 위해 전압 수준을 분리할 것(자세한 내용은 제조업체의 설치 지침 참조)
21.4.7 인클로저 접지(Enclosure Grounding)
캐비닛 접지(Cabinet grounding)는 아래 도면에서 설명되어 있습니다. 캐비닛 하단에 절연된(캐비닛과 분리된) 접지 스트립을 설치할 필요는 없습니다. 이는 캐비닛이 등전위 평면(equipotential plane)에 접속(bonding)되어 있으며, 그 평면의 일부이기 때문입니다.
신호 반환선(signal returns)과 실드(shields)는 도면에 표시된 방식대로 연결됩니다.
Figure 21-4: Typical Cabinet Grounding (Graphic extracted from MIL HDBK 419A)
21.5 접지 루프(Ground Loops)
접지 루프(ground loop)는 회로 내의 접지 지점 간 전위 차이로 인해 원하지 않는 전류가 접지 지점 사이를 흐르게 되면서 발생합니다. 이러한 현상을 ‘접지 루프’라고 부릅니다. 접지 루프는 반드시 지면 접지를 통해 전류가 흐를 필요는 없습니다.
이러한 이유로 실드는 한쪽 끝에서만 접지하는 것이 바람직합니다. 신호 반환선(signal return) 자체가 양쪽 끝에서 모두 접지될 경우에도 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 송신기가 열전쌍 송신기(thermocouple transmitter)일 경우, 열전쌍이 열정(b열정: thermal well)에 기계적으로 고정되어 있어 전기적으로도 접지될 수 있습니다. 이러한 상황에 대한 해결책은 다양하지만, 가장 간단한 방법은 실드를 한쪽 끝에서만 접지하는 것입니다. 이 방식은 ‘단일 지점 접지(single point ground)’를 사용하는 것으로, 1MHz 이하의 잡음이 있는 회로에 대해 매우 효과적입니다.
대부분의 경우, 실드를 한쪽 끝에서만 접지하면 신호선과 접지 사이에서 파라데이 실드(Faraday shield) 역할을 하여 잡음 결합(noise coupling)을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 그러나 고주파(HF: High Frequency), 즉 1MHz 이상의 잡음에 대해서는 어떻게 해야 할까요? 등전위 평면의 목적은 넓은 영역에 걸쳐 0V 기준을 형성하는 것이며, 고주파의 경우에는 다중 지점 접지(multiple-point ground)가 바람직합니다.
Figure 21-5: Typical Ground Loop
실드 케이블(shielded cable)의 사용은 잡음을 억제하는 잘 알려진 기술입니다. 그러나 고주파 잡음이 문제인 경우에는 실드를 양쪽 끝에서 모두 접지하는 것이 더 효과적일 수 있습니다.
실드 케이블의 양쪽 끝을 관련 장비의 섀시(chassis)에 접속(bonding)하면, 고주파에서 이 케이블은 1:1 변압기(transformer)처럼 작동합니다. 이때 실드는 ‘1차측(primary)’ 역할을 하고, 도체(conductor)는 ‘2차측(secondary)’ 역할을 합니다. 실드의 양 끝 사이에 전압이 가해지면(두 장비 간의 전위 차이), 동일한 전압이 도체에 유도됩니다. 이때 유도된 전압의 극성은 가해진 전압 또는 공통 모드 잡음(common mode noise) 전압을 정확히 상쇄하는 방향으로 작용합니다.
이 효과는 매우 강력하여, 9미터(29피트) 길이의 피드백 케이블은 일반적으로 공통 모드 잡음을 약 60dB(1000:1)까지 감소시킬 수 있으며, 90미터(290피트) 길이의 케이블은 약 80dB(10000:1)까지 감소시킬 수 있습니다. 실드를 한쪽 끝에서만 접지할 경우 이러한 감쇠 효과는 완전히 사라지게 됩니다.
21.6 잡음 저감(Noise Reduction)
이 장에서는 실드 처리(shielding) 및 기타 잡음 저감 기술 전체를 다루기에는 범위를 벗어나지만, 설치 시 몇 가지 세부 사항을 준수하면 전기적 잡음을 상당히 줄일 수 있습니다.
21.6.1 잡음 모델(The Noise Model)
잡음(noise)은 우리가 원하는 통신과 유사한 특성을 가진 하나의 통신 형태입니다. 잡음에도 발생원(source), 경로(path), 수신기(receptor)가 존재합니다. 우리는 앞서 접지에 대해 충분히 논의했으며, 양질의 접지(0V 기준)를 확보하는 것이 잡음 저감에 필수적입니다.
기본적으로 잡음을 발생원에서 차단할 수 있다면 매우 유리한 상황입니다. 그러나 대부분의 경우 우리는 잡음의 경로를 차단하거나 수신기를 보호(실드 처리)하는 데 집중합니다. 이는 잡음의 발생원을 파악하기 어렵고, 그 발생원이 유해하며, 우리가 그것을 이동시키거나 줄일 수 있는 권한이 없을 수도 있기 때문입니다. 예를 들어 낙뢰(lightning)가 대표적인 사례입니다.
21.6.2 경로 차단(Interrupting the Path)
물리적 분리(physical separation)는 일반적으로 잡음을 줄이는 데 가장 비용이 적게 드는 방법 중 하나입니다. 복사 잡음(radiated noise)은 제곱 법칙(square law)을 따르며, 이는 복사된 잡음의 전계 강도가 발생원으로부터의 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다는 의미입니다. 즉, 발생원으로부터 두 배 더 멀리 떨어져 있으면, 도달하는 복사 전력은 절반 거리일 때의 1/4 수준이 됩니다.
표 21-1은 잡음 발생원(noise generator), 잡음의 강도(intensity), 그리고 사용해야 할 케이블 종류에 대한 목록입니다.
다양한 수준의 신호를 서로 다른 전선관(conduit)에 배치하는 것만으로도 경로를 분리할 수 있으며, 이는 신호선에 대한 잡음 결합(coupling)을 줄이는 데 도움이 됩니다.
시스템 설계자의 목표는 잡음 발생원과 수신기 사이의 결합 메커니즘(coupling mechanism)을 최소화하는 것입니다.
시스템 내 전기적 잡음을 처리하기 위해 일반적으로 사용되는 다섯 가지 기술은 다음과 같습니다:
• 고주파 접속(High-frequency bonding)
• 실드 처리(Shielding)
• 분리(Segregation)
• 필터링(Filtering)
• 기계적 접점 억제(Suppression of mechanical contacts)
21.6.2.1 고주파 접속(High-frequency Bonding)
도체의 굵기와 관계없이 일정 길이의 전선은 고주파(HF)에서는 상당한 임피던스(impedance)를 나타내므로, 고주파 접속에는 적합하지 않습니다. 예를 들어, 500mm(19.7인치) 길이의 전선은 아마추어 무선 주파수인 144MHz에서 효율적인 안테나처럼 작동합니다. 이는 2미터 파장의 1/4에 해당하는 안테나로, 송신기의 50옴 출력 임피던스를 자유 공간의 377옴에 맞추는 역할을 합니다. 따라서 단순한 전선 하나가 길이와 주파수에 따라 50옴에서 377옴 사이의 임피던스를 나타낼 수 있습니다.
고주파 접속의 목적은 시스템 내 모든 금속 구조물이 고주파에서 동일한 전위를 가지도록 하는 것입니다. 이렇게 하면 두 장비가 케이블로 연결되어 있을 때, 케이블은 ‘공통 모드(common mode)’ 전압(케이블 양 끝 간의 전압)을 전달하지 않게 됩니다.
해결책은 ‘등전위 접지 평면(Equipotential Ground Plane)’ 원칙을 사용하는 것입니다. 넓고 평평한 도전성 표면의 모든 지점은 모든 주파수에서 동일한 전위를 가지며, 이는 모든 지점 간 거의 0에 가까운 임피던스를 의미합니다. 이는 인쇄회로기판(PCB) 설계에서 잘 알려진 방식으로, 하나의 층을 거의 그대로 유지하여 보드 내 모든 장치의 기준(reference)으로 사용합니다.
제어 캐비닛 내에서는 패널 자체를 활용하여 이 원칙을 쉽게 구현할 수 있으며, 아연 도금 강판(zinc-plated steel)을 사용하면 더욱 용이합니다. 페인트가 칠해진 경우에는 각 장착 지점 아래의 페인트를 긁어내야 하며, 그렇지 않으면 부식이 발생하여 접속 효과가 상실될 수 있습니다.
인접한 여러 패널은 상단, 중간, 하단을 넓고 짧은 스트랩으로 접속하여 전체 장비에 걸쳐 접지 평면을 확장할 수 있습니다.
PWM 구동 전원 케이블(PWM drive power cable)은 가능하면 항상 실드 처리해야 합니다. 고출력에서는 실드 처리가 어려울 수 있으므로, 전선관(conduit)을 실드로 사용할 수 있습니다. 단, 전선관은 연속적이고 철재(ferrous)여야 하며, 패널과 모터 프레임 양쪽에 접속되어야 합니다.
21.6.2.2 분리(Separation)
잡음 발생원과 수신기가 충분히 떨어져 있으면(경로가 길어지면) 상호 간섭이 발생하지 않습니다. 200mm(7.9인치) 거리만으로도 간섭을 크게 줄일 수 있지만, 일반적인 혼잡한 패널에서는 이 정도 거리조차 확보하기 어렵습니다.
해결책은 제어 패널 내 영역을 ‘조용한 구역(quiet zone)’과 ‘잡음 구역(noisy zone)’으로 구분하는 것입니다. 각 구역은 ‘조용한 배선 경로(quiet wire way)’와 ‘잡음 배선 경로(noisy wire way)’를 통해 연결되며, 서로 다른 색상(예: 검정색은 잡음용, 회색은 조용한 구역용)을 사용하여 쉽게 식별할 수 있습니다. (표 21-1 참조)
21.6.3 수신기 보호(Protecting the Receptor)
다른 방법이 모두 실패할 경우, 수신기 자체를 강화해야 합니다. 수신기(대상 장비)를 실드 처리할 수 있으며, 실드에는 두 가지 형태가 있습니다: 자성 재료(ferrous)와 비자성 재료(nonferrous)입니다. 자성 재료는 자기적 특성을 가지며, 철(iron)과 강철(steel)은 자성 재료이고, 알루미늄(aluminum)은 그렇지 않습니다. 장비를 알루미늄과 같은 비자성 재료로 둘러싸면 전자기 복사(electromagnetic radiation), 즉 복사 신호로부터 보호할 수 있습니다. 전자기 복사의 정전기장(electrostatic field)을 줄이면 신호 자체도 감소합니다.
그러나 산업 환경에서는 많은 전류에 의해 생성되는 자기장(magnetic field, H)이 주요한 잡음원이 되며, 비자성 실드는 자기장에 거의 영향을 주지 못합니다. 반면, 자성 재료는 자기장에 대해 낮은 자속 저항(reluctance)을 제공하여 효과적으로 보호할 수 있습니다. 대부분의 자성 재료는 도전성이 있으므로, 정전기장(E field)에 대해서도 보호 효과를 제공합니다.
장비 또는 시설을 보호할 때는, 해당 시설로 들어오거나 나가는 모든 도체에 필터(filter) 및 기타 기술을 적용하여 잡음이 보호 구역으로 유입되거나 유출되지 않도록 해야 합니다.
21.7 정전기 잡음(Electrostatic Noise)
정전기 잡음은 절연 표면에 축적된 전하(charge)가 방전될 때 발생합니다. 낙뢰(lightning)는 그 대표적인 예입니다. 천둥구름의 상승 기류(wind current)는 구름 하단에 음전하를, 상단에는 양전하를 형성합니다(이온화된 입자가 위쪽으로 이동하기 때문). 지면은 반대 전하를 가진 표면을 제공합니다. 전위차(potential difference)가 충분히 커지면, 선행 방전(leaders stroke)이 경로를 이온화하고, 주 방전(main stroke)이 발생하여 전하를 평형 상태로 만들려고 시도합니다. 이로 인해 우리가 잘 아는 낙뢰 현상이 발생하며, 이어서 방전 주변의 공기가 가열되어 천둥소리(thunderclap)가 발생합니다.
Figure 21-6: Lightning as an ESD
마찬가지로 훨씬 작은 규모에서도, 전하 간의 차이가 거리 대비 충분히 커지면 정전기 방전(ESD: Electrostatic Discharge)이 발생하여 보호되지 않은 전자 회로를 손상시킬 수 있습니다. 그러나 이 장에서 주요하게 다루는 관심사는 낙뢰(lightning)와 그로 인한 복사 효과(radiated effects) 및 전도 효과(conducted effects)입니다.
21.7.1 정전기 방전에 의한 복사(Radiation from an ESD)
정전기 방전(ESD: Electrostatic Discharge)이 발생하면 매우 넓은 대역폭의 전자기 에너지가 순간적으로 높은 에너지로 방출되어 광대역 펄스(wideband pulse)를 생성합니다. 이 잡음은 펄스 또는 스파이크(spike) 형태로 제어 시스템에 유입되어 예기치 못한 결과를 초래할 수 있습니다.
잡음 실드 처리(shielding)와 양질의 접지(good grounding)는 회로가 이러한 잡음에 민감하게 반응하는 것을 줄이는 데 도움이 됩니다.
21.7.2 정전기 방전에 의한 전도 잡음(Conducted Noise from an ESD)
낙뢰와 관련된 주요 우려 사항은 직접적인 낙뢰 외에도 시스템을 통해 유입되고 전도되는 잡음 스파이크(noise spike)입니다. 지면과 평행하게 길게 설치된 도체는(철재 전선관에 수용되지 않은 경우) 유도(induction)에 의해 ESD 잡음이 결합될 수 있습니다. 구름 간 낙뢰(cloud-to-cloud strike)는 지면에 평행한 전류를 생성하며, 이 전류가 도체와 평행하게 흐를 경우 도체에 전류가 유도되어 시스템으로 유입됩니다.
기타 충격성 잡음(impulse noise)은 시스템에 혼란을 줄 수 있지만, 장비를 파괴하는 경우는 드뭅니다.
21.7.3 ESD로부터의 보호(Protection from ESD)
낙뢰의 영향을 방지하기 위한 방법은 여러 가지가 있으며, 적절한 접지, 실드 처리, 서지 억제기(surge suppressor)와 같은 능동적 보호(active protection)가 포함됩니다.
장비에서 발생하는 잡음 스파이크나 임의의 펄스(random pulse)와 같은 기타 잡음 문제는 실드 처리 및 능동 잡음 저감 회로(active noise reduction circuitry)와 같은 잡음 억제 기술을 통해 줄일 수 있습니다.
전원 품질(Power Quality) 문제는 ESD 보호를 포함하여 장비가 올바르게 작동하고 수명을 유지할 수 있도록 다양한 방법을 적용하는 것을 의미합니다. 서지 억제기는 이러한 목적을 위해 사용되며, 낙뢰로 인한 ESD로부터 보호하는 주요 수단 중 하나입니다.
21.8 서지 억제기(Surge Suppressors)
서지 억제기는 그 구조와 사용된 재료에 따라 다양한 명칭으로 불립니다. 가장 잘 알려진 두 가지 명칭은 다음과 같습니다:
• 과도 전압 서지 억제기(TVSS: Transient Voltage Surge Suppressor)
• 서지 보호 장치(SPD: Surge Protection Device)
21.8.1 TVSS
과도 전압 서지 억제기(TVSS)의 주요 능동 부품은 다음과 같습니다:
• 가스 튜브(Gas tube): 가스 방전기 또는 가스 서지 억제기(gas discharge/gas surge arrestor)라고도 불립니다.
• 반도체(Solid state) 부품
• SAS(Silicon Avalanche Diode): 상업적으로는 트랜조브(Transorb) 등의 이름으로 알려져 있습니다.
• 실리콘 제어 정류기(SCR: Silicon Controlled Rectifier): 일부 서지 억제기에서는 SAS보다 높은 전류를 처리하기 위해 크로우바(crowbar) 역할로 사용됩니다.
• 금속 산화물 반도체(MOV: Metal Oxide Varistor): 전압 의존 저항기 또는 바리스터(varistor)라고도 불립니다. MOV는 반복적인 서지에 의해 성능이 저하될 수 있으므로, MOV와 직렬로 퓨즈(fuse)를 설치해야 하며, 가능하면 MOV 고장 시 이를 표시하거나 경고하는 장치도 함께 설치하는 것이 바람직합니다.
Comm-Omni International에서 제조한 RAV라는 상업용 장치는 가스 튜브(gas tube)와 바리스터(varistor)를 결합한 형태입니다.
21.8.2 TVSS 회로(TVSS Circuitry)
능동 부품(active components)만으로는 완전한 TVSS를 구성할 수 없으며, 올바르게 작동하기 위해서는 추가적인 부품이 필요합니다. 대부분의 TVSS는 능동 부품을 조합한 하이브리드(hybrid) 장치이며, 일부는 오직 수동 부품(passive components)만으로 구성되기도 합니다.
다음은 TVSS 회로의 예시입니다.
하이브리드 억제 회로(hybrid suppression circuit)는 그림 21-7에 나타난 바와 같이 여러 유형의 전원 장애(line disturbance)에 대응할 수 있습니다.
가스 튜브(gas tube)와 실리콘 클램핑 장치(silicon clamping device)를 결합하여 2단계 억제(two-stage suppression)를 제공합니다.
과도 전압(transient)이 발생하면, 가스 튜브가 작동하여 대부분의 에너지를 크로우바(crowbar) 방식으로 차단합니다. 실리콘 클램핑 장치는 가스 튜브가 놓칠 수 있는 과도 전압의 선단(leading edge)을 포착하여 추가적으로 억제합니다.
직렬 임피던스(series impedance)는 저항기(resistor) 또는 인덕터(inductor)일 수 있으며, 펄스가 충분히 높은 전압을 생성하여 가스 튜브를 작동시킬 수 있도록 설계되어야 합니다.
21.8.3 설치(Installation)
서지 억제기의 설치 위치는 그 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 가장 좋은 방법은 전력 배전망(power distribution network)을 따라 서지 억제기를 분산 설치(distributed installation)하는 것입니다.
그림 21-8은 이러한 단계적 보호(staged protection)의 예시를 보여줍니다.
Figure 21-8: Staged TVSS
21.9 전력(Power)
21.9.1 전원(Source)
현장 계획(site planning)에는 전원 공급 방식에 대한 분석이 포함되어야 하며, 예를 들어 전력 회사로부터 구매하는 방식(utility purchased), 제3자로부터 구매하는 방식(third-party purchased), 자체 발전(self-generated), 그리고 이들의 조합(hybrid)이 있습니다. 각 옵션은 비용, 가용성, 용량, 운영 이력 등을 고려하여 분석해야 합니다.
또한 해당 현장이 환경적 교란 요소(예: 뇌우, 토네이도, 지진, 허리케인, 습도)에 얼마나 노출되어 있는지도 분석해야 합니다. 전기설비(EI)는 이러한 조건을 고려하여 적절한 가용성을 확보할 수 있도록 필요한 설계 요소를 포함해야 합니다. 예를 들어, 철제 기둥과 목재 기둥의 선택, 모든 가공선에 대한 카운터포이즈(counterpoise) 시스템, 가공선 대신 지중선(underground line) 사용, 또는 다른 물리적 경로를 사용하는 병렬선(parallel line) 등이 있습니다.
전력 배전 구성(electrical distribution configuration)은 링(ring), 이중 병렬(dual parallel), 또는 스타(star) 방식 중에서 원하는 가용성 수준에 적합하고, 공정을 지원하는 변전소 설계와 호환되어야 합니다.
배전 변전소(distribution substation)의 구성—변전소의 수, 위치, 용량—은 공정 배전과 호환되어야 하며, 하나의 변전소 고장으로 인해 여러 공정 설비가 동시에 중단되는 등의 공통 원인(common-cause) 장애를 최소화해야 합니다. 전력 공급 전압 수준은 공정에서 요구하는 전기 부하에 적합해야 하며(예: 삼상 모터/480V AC, 단상 모터/120V AC, PE 장치 전원 입력/120V AC), 이에 맞춰야 합니다.
전력 배전 계측(distribution metering)은 구매 전력의 핵심 요소입니다. 예를 들어, 전원 공급원을 전환하는 데 8사이클(cycle)의 응답 시간이 필요한 경우가 있습니다. 계측 기술은 무엇입니까? (예: 전력선 통신(carrier frequency on power lines), 광섬유(fiber optics), 무선(wireless))
플랜트의 계측 시스템과 어떤 인터페이스가 필요한가요?
해당 계측 방식이 공정의 자동화 특성과 호환되는지도 분석해야 합니다. 예를 들어, 공정이 브라운아웃(brownout)이나 전압 강하(voltage dip)를 견딜 수 있는가? 펌프 모터와 같은 공정 부하에는 전압 강하 후 자동 재시작을 위한 지연형 저전압 보호(time-delay under-voltage protection)를 제공해야 하는가? 구매 전력 공급자가 정의한 전압 강하, 전압 스파이크(spike), 브라운아웃의 정량적 기준은 무엇인가? 이러한 기준이 변전소 용량에 어떤 영향을 미치는가? 공정에는 어떤 영향을 주는가?
공정은 구매 전력 시스템에 높은 피크 부하(peak load)를 가할 수 있습니다. 이로 인한 영향은 무엇이 있는가? 예를 들어, 공정에 매주 기동되는 대형 모터(예: 0.1500 HP 이상)가 있을 수 있습니다. 모터 기동 시 필요한 에너지는 전력 회사의 전압을 저하시킬 수 있으며, 이로 인해 다른 고객에게 영향을 줄 수 있습니다.
이러한 분석은 사전 계획(preplanning) 단계에서 적절한 전력 공급원을 선택하기 위해 반드시 수행되어야 합니다.
또한, 전력 공급자와 체결하는 계약에는 사용자가 전력 회사의 시스템에 가할 수 있는 최대 전력 수요(maximum power demand)가 명시될 수 있습니다. 어떤 경우든 이 값은 전기설비(EI) 설계 전에 반드시 정의되어야 합니다.
대부분의 PE 자동화 공정에 사용되는 전력 시스템은, 유틸리티 전력 손실 시 제어 시스템의 일부에 대해 일정 시간 동안 전력을 유지할 수 있는 기능이 필요합니다. 이러한 기능이 요구되는 일반적인 부하는 다음과 같습니다:
• 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 및 분산 제어 시스템(DCS) 컨트롤러와 같은 PE 로직 솔버
• 유량, 압력, 온도, 위치 스위치 등의 센서 입력
• 표시등, 경보, 운영자 디스플레이 및 키보드 등의 진단 출력
이러한 전력은 대체 전원(alternative power source)을 필요로 하며, 예를 들어 연료 기반 전기 발전기 또는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 등이 이에 해당합니다. 이들은 필요한 응답 속도와 용량을 갖추어야 합니다.
21.9.2 전력 품질(Power Quality)
전력 품질(Power Quality)은 장비와 기기를 안전하고 신뢰성 있게, 기능적으로 작동할 수 있도록 전력을 공급하는 개념입니다. 이를 위해서는 모니터링이 필요하며, 전력을 구매하는 경우에는 허용 가능한 이상 상태(abnormality)의 수준을 명확히 규정한 사양이 요구됩니다.
21.9.2.1 이상 전력의 정의(Definitions of Abnormal Power)
• 전압 강하(Sag): 전력 주파수에서 RMS 전압이 반 사이클에서 수 초 동안 감소하는 현상. 디핑(Dip)이라고도 함
• 전압 상승(Swell): 전력 주파수에서 RMS 전압이 반 사이클에서 1분까지 증가하는 현상
• 정전(Outage): 일정 시간 동안 전력이 완전히 상실되는 현상. 블랙아웃(Blackout)이라고도 함
• 임펄스, 과도(transient), 서지(surge): 사이클 내에서 발생하는 장애로, 파형에 짧고 급격한 불연속이 발생하며, 정규 파형에 대해 가산 또는 감산될 수 있음
• 진동성 과도 또는 링 웨이브(Oscillatory Transient or Ring Wave): 감쇠되는 사인파 형태의 사이클 내 장애
• 노치(Notch): 전력 전압의 정상적인 파형에서 반 사이클 미만 지속되는 스위칭 또는 기타 장애. 초기에는 정상 파형과 반대 극성으로 나타나며 노치를 형성함
• 잡음(Noise): 원하는 신호에 중첩되거나 변조되어 나타나는 원치 않는 전기 신호 성분
• 고조파(Harmonics): 전력선에 존재할 수 있는 주파수로, 기본 주파수(미국 기준 60Hz)의 배수(예: 120, 180, 240, 300Hz) 형태
21.9.2.2 고조파 특성(Harmonic Characteristics)
비선형 전력 장치(nonlinear power devices)는 고조파(harmonics)를 유발합니다. 측정 지표는 총 고조파 왜곡(THD: Total Harmonic Distortion)이며, 전압과 전류 모두에 대해 측정됩니다. 비율은 기본 입력(RMS) 값에 대한 고조파 전류 또는 전압의 RMS 값의 백분율로 나타냅니다.
트리플 고조파(Triplen harmonics)는 3의 배수인 홀수 고조파로, 결합될 경우 서로 더해집니다.
21.9.2.3 고조파로 인한 문제(Problems Caused by Harmonics)
• 중성선의 과열
• 변압기의 과열
• 패널 보드의 과열
• 퓨즈 또는 회로 차단기의 조기 차단
• 전력 품질 저하로 인한 데이터 오류 및 장비 오작동
• 전력 시스템 내 공진 현상으로 인한 큰 전압 과도 발생
21.10 무정전 전원 장치(UPS: Uninterruptible Power Systems)
UPS는 요구되는 조건에 따라 다양한 형태와 크기로 제공됩니다. 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다:
• 요구 전력량(power required)
• 전력 유지 시간(duration of power required)
• 전환 시간(switchover time)
• 전력 품질(power quality)
• 비용(costs)
UPS는 오프라인(offline), 온라인(online), 또는 기타 방식으로 구성될 수 있습니다.
21.10.1 오프라인 UPS(Offline UPS)
그림 21-9는 오프라인 UPS의 블록 다이어그램(block diagram)을 보여줍니다.
Figure 21-9: Offline UPS
오프라인 UPS는 대기형(standby) 또는 전환형(forward transferring) UPS라고도 불립니다. 이 UPS의 전환 시간(switching time)은 약 4ms이며, 스위칭 모드 전원(SMPS: Switch Mode Power Supply)의 경우에는 이 시간이 충분하여 일반적으로 문제가 되지 않습니다. 그러나 선형 전원 공급 장치(linear power supply)가 이 전환 시간 동안 전압을 유지할 수 있는지를 반드시 확인해야 합니다. 대부분의 산업용 선형 전원은 과도하게 부하되지 않는 한 큰 문제가 없습니다. 정상 작동 조건에서는 전원선(line)과 부하(load) 사이에 직접적인 경로가 존재하므로, 전도 경로(conduction path)에는 필터 및 과도 전압 서지 억제기(TVSS: Transient Voltage Surge Suppressor)가 반드시 설치되어야 합니다.
한 가지 고려해야 할 사항은 출력 파형(output wave shape)입니다. 저가형 오프라인 또는 대기형 UPS는 약 90V의 구형파(square wave)를 출력하며, 이 RMS 값은 120V에 해당합니다. 이러한 파형은 상당한 잡음을 발생시키므로 전력 품질(power quality) 요소를 반드시 고려해야 합니다. 일반적으로는 구형파 출력은 피하는 것이 좋습니다. 완전한 사인파(sine wave) 출력으로 가는 중간 단계로는 계단형 출력(stepped output)이 있으며, 이는 부하가 출력을 통합하여 준사인파(quasi sine wave)로 부드럽게 작동할 수 있도록 합니다. 고급형 UPS는 실제 사인파(true sine wave) 출력을 제공합니다.
21.10.2 온라인 UPS(Online UPS)
온라인 UPS는 일반적으로 공정(process)에 항상 전력을 공급하는 역할을 합니다. 회전식(rotary) 모델(플라이휠 및 모터/발전기 사용)과 반도체형(solid-state) 모델이 있으며, 그림 21-10은 반도체형 온라인 UPS의 블록 다이어그램(block diagram)을 보여줍니다.
이 방식은 비용이 많이 드는 솔루션이지만, 전력 품질(power quality), 사이클 내 전환(subcycle switchover), 그리고 반도체형일 경우에는 움직이는 부품이 없다는 장점이 있습니다.
Figure 21-10: Online UPS
21.11 전기설비 세부사항(Electrical Installation Details)
모든 전기설비(EI)에는 수많은 설치 세부사항이 요구됩니다. 설치 전 계획(pre-installation planning), 공정 흐름(process flow) 및 제어 지점(control points), 그리고 문서화(documentation)는 반드시 수행되어야 할 필수 요소입니다. 요구사항은 매우 다양하며, 이 장의 나머지 부분에서는 주요 전기적 요구사항만을 다룹니다.
NEC(National Electrical Code) 및 CEC(Canadian Electrical Code)는 특정 용도에 맞는 배선 요구사항을 규정하고 있으며, 여기에는 도체 용량 및 크기(conductor capacity and sizing), 전선관 크기(conduit sizing), 인클로저 등급(enclosure classifications), 보호 특성 및 크기(protection characteristics and sizing) 등이 포함됩니다.
21.11.1 전류 용량(Ampacity)
NEC(2005) 제310조 “일반 배선을 위한 도체(Conductors for General Wiring)”에서는 도체의 전류 전달 능력(current carrying ability), 도체 식별 방법(identification), 특정 조건에서 필요한 감쇄율(derating)을 정의하고 있습니다.
부속서 C(Annex C)에서는 특정 크기의 전선관(conduit) 또는 전선로(raceway)에 어떤 크기의 도체를 몇 개까지 수용할 수 있는지를 명시하고 있습니다.
21.11.2 인클로저(Enclosures)
인클로저는 다양한 이유로 필요하며, 그 중 하나는 전기 장비 주변에 있는 사람을 잠재적인 위험으로부터 보호하는 것입니다.
위험 지역(hazardous area)에서는 인클로저가 해당 지역을 장비로부터 보호하는 역할을 합니다. 이러한 지역에서는 장비 인클로저가 방폭(explosion proof) 구조일 수 있으며, 이는 인클로저 내부에서 폭발이 발생하더라도 인클로저가 충분한 강도를 가지고 있고, 외부로 연결되는 포털(portal)이 충분한 냉각 길이를 갖추고 있어 외부 대기를 점화시키지 않도록 설계되어 있다는 의미입니다. 또 다른 인클로저의 용도는 퍼지 캐비닛(purge cabinet)으로, 일반적으로 질소(nitrogen)와 같은 비점화성(non-incendive) 가스로 캐비닛을 가압하여 내부에서 점화가 발생하지 않도록 방지합니다.
인클로저는 장비와 작업자를 보호합니다. 표준 인클로저 사양 목록은 미국 전기 제조업체 협회(NEMA: National Electrical Manufacturers Association)의 웹사이트 http://www.nema.com에서 확인하실 수 있습니다.
인클로저는 보호 능력에 따라 등급이 매겨집니다. 모든 인클로저는 내부 장비에 대한 우발적인 접촉(최대 1000V까지)으로부터 보호 기능을 제공하지만, 이후에는 실내, 실외, 부식 방지, 방폭 등 환경 조건을 견딜 수 있는 능력에 따라 등급이 결정됩니다. IEC 60529는 유럽 및 기타 국가에서 사용되는 사양을 제공하며, 북미에서는 NEMA가 별도의 표준을 제공합니다. 두 사양 간에는 직접적인 상호 대응 관계는 없지만, 일반적으로 보호 기능이 많을수록 인클로저의 비용도 높아집니다.
자동화 분야에서 가장 널리 사용되는 인클로저 유형 중 하나는 NEMA Type 4입니다. 이 인클로저는 실내 및 실외 사용이 가능하며, 먼지, 오염물, 물로부터 보호 기능을 제공하고 외부의 얼음에도 견딜 수 있습니다.
Type 4X는 Type 4의 모든 보호 기능을 제공하며, 추가로 부식성 물질(corrosive agents)에 대한 보호 기능도 갖추고 있습니다.
Type 6P는 Type 4X의 모든 보호 기능을 제공하며, 침수(submersion)에도 견딜 수 있습니다.
Type 7, 8, 9는 실내 위험 장소(indoor hazardous locations)에서 사용되며, 각 유형 식별자는 해당 장소의 위험 물질 등급(class of materials)을 지정합니다.
Type 10은 메탄가스(methane gas)가 존재하는 광산(mines) 환경을 위한 인클로저입니다.
21.11.3 보호 장치(Protection)
이 항목에서 말하는 보호 장치(protective devices)란 회로 차단기(circuit breaker), 퓨즈(fuse), 지락 전류 차단기(GFCI: Ground Fault Current Interrupter)와 같은 장치를 의미합니다.
21.11.3.1 퓨즈(Fuses)
퓨즈는 일회성 과전류 보호 장치(one-time overcurrent protection device)입니다. 과도한 전류가 흐르면 퓨즈의 능동 요소(active element)가 녹아 회로를 차단합니다.
퓨즈에는 단일 요소(single element, 빠른 차단형: quick blow)와 이중 요소(dual element, 느린 차단형: slo-blo) 유형이 있습니다.
퓨즈는 다양한 형태로 제공되며, 다음과 같은 4가지 정격(rating)을 가집니다:
- 전압 정격(voltage)
- 전류 정격(amperage)
- 교류 단락 전류 차단 정격(AC Short Circuit Interrupting Rating, AIR)
- 순시 정격(instantaneous rating)
참고로, 일정 전류 이상을 처리하는 카트리지형 퓨즈(cartridge fuse)는 더 이상 둥근 단자를 사용할 수 없으며, 블레이드(blade) 접점을 사용해야 합니다.
21.11.3.2 퓨즈 대체 방지(Fuse Rejection Feature)
퓨즈에는 퓨즈 대체 방지 기능(fuse rejection feature)이 적용되어, AIR(Ampere Interrupting Rating)가 낮은 퓨즈를 높은 정격의 퓨즈 대신 물리적으로 장착할 수 없도록 설계되어 있습니다.
2.11.3.3 회로 차단기(Circuit Breakers)
회로 차단기는 일반적으로 두 가지 유형으로 나뉩니다: 바이메탈(bimetallic) 방식과 자기(magnetic) 방식입니다.
• 바이메탈 방식은 서로 다른 열팽창 계수를 가진 두 금속을 결합한 바이메탈 스트립(bimetallic strip)을 사용하여, 과전류가 흐를 경우 스트립이 휘어지면서 차단기를 작동시킵니다. 이 방식은 반복성(repeatability)이 비교적 우수하지만, 주변 온도(ambient temperature)에 따라 작동점(trip point)이 낮아질 수 있으므로 온도 영향을 고려해야 합니다.
• 자기 방식은 산업 현장에서 흔히 사용되며, 선로 전류(line current)를 이용해 과전류가 발생한 선로를 끊어내는 방식입니다. 일부 자기식 차단기는 트립 설정값(trip setting)을 조정할 수 있습니다.
2.11.3.4 GFCI
GFCI(Ground Fault Circuit Interrupter, 누전 차단기) 장치는 전원선(Phase)과 중성선(Neutral)의 전류를 비교하여, 두 전류 간에 불균형이 발생하면 전류가 다른 경로를 통해 반환되고 있음을 의미하며, GFCI의 설정된 차단 전류에 도달하면 회로를 차단하여 감전 사고를 예방합니다.
이 장치는 물과 전력이 함께 설치된 산업 제어 시스템 내 어느 곳에나 설치되어야 합니다. 일반적으로 고장에 비해 미세한 전류 경로가 접지로 흐를 때 이를 감지하여 감전 사고를 방지하기 위해 사용됩니다.
일반적인 주거용 장치는 4mA의 불균형 전류에서 작동하며, 산업용 장치는 약 10mA 또는 조절 가능한 경우 해당 범위 내에서 작동합니다.