앞서 살펴본 것처럼, 접지 에 안전하게 연결되지 않은 전력 시스템은 안전 측면에서 예측할 수 없습니다. 회로의 어느 지점과 접지 사이에 얼마나 많은 전압이 존재하거나 얼마나 적은 전압이 존재할지 보장할 방법이 없습니다.
전력 시스템 전압원의 한 쪽을 접지함으로써 회로의 적어도 한 지점이 지구와 전기적으로 공통되어 감전 위험이 없음을 보장할 수 있습니다. 간단한 2선 전기 전력 시스템에서 접지에 연결된 도체를 중성선 이라고 하고 다른 도체를 핫선 이라고 하며 라이브 또는 액티브 라고도 합니다 .
전압원과 부하에 관한 한 접지는 전혀 차이가 없습니다. 그것은 순전히 개인의 안전을 위해 존재하며, 회로의 적어도 한 지점이 만져도 안전하다는 것을 보장합니다(접지에 대한 전압이 0).
감전 위험의 가능성 때문에 명명된 회로의 "뜨거운" 측면은 전원에서 적절하게 분리하여 전압을 확보하지 않는 한 만지면 위험합니다(이상적으로는 체계적인 잠금/태그 아웃 절차를 사용하여).
간단한 전력 회로에서 두 도체 사이의 위험 불균형은 이해하는 것이 중요합니다. 다음 일련의 그림은 일반 가정용 배선 시스템(단순화를 위해 AC가 아닌 DC 전압 소스 사용)을 기반으로 합니다.
토스터와 같이 전도성 금속 케이스가 있는 간단한 가정용 전기 제품을 살펴보면 제대로 작동할 때는 감전 위험이 없다는 것을 알 수 있습니다. 토스터의 가열 요소에 전력을 전달하는 전선은 고무나 플라스틱으로 금속 케이스(및 서로)에 닿지 않도록 절연되어 있습니다.
그러나 토스터 내부의 전선 중 하나가 우연히 금속 케이스와 접촉하게 되면 케이스는 전선과 전기적으로 공통이 되며 케이스를 만지는 것은 맨 전선을 만지는 것만큼 위험합니다. 이것이 감전 위험을 나타내는지 여부는 우연히 어떤 전선이 닿는지에 따라 달라집니다.
"뜨거운" 전선이 케이스에 닿으면 토스터 사용자는 위험에 처하게 됩니다. 반면, 중성선이 케이스에 닿으면 감전 위험이 없습니다.
엔지니어는 전자의 고장이 후자의 고장보다 발생할 가능성을 낮추기 위해 케이스와 뜨거운 도체의 접촉을 최소화하는 방식으로 기기를 설계하려고 합니다.
이상적으로는 두 전선 모두 실수로 기기의 전도성 케이스에 닿지 않기를 바라지만, 일반적으로 부품의 배치를 설계하여 한 전선이 다른 전선보다 실수로 닿을 가능성을 줄이는 방법이 있습니다.
그러나 이 예방 조치는 전원 플러그 극성을 보장할 수 있는 경우에만 효과적입니다. 플러그를 반대로 꽂을 수 있다면 케이스에 닿을 가능성이 더 높은 도체가 "뜨거운" 도체일 가능성이 매우 큽니다.
이런 방식으로 설계된 가전제품은 일반적으로 "편극" 플러그와 함께 제공되며, 플러그의 한쪽 갈래가 다른 쪽보다 약간 좁습니다. 전원 콘센트도 이와 같이 설계되며, 한쪽 슬롯이 다른 쪽보다 좁습니다.
따라서 플러그를 "뒤로" 삽입할 수 없고 기기 내부의 도체 동일성을 보장할 수 있습니다. 이는 기기의 기본 기능에는 전혀 영향을 미치지 않는다는 점을 기억하세요. 이는 전적으로 사용자의 안전을 위한 것입니다.
일부 엔지니어는 기기의 외부 케이스를 비전도성으로 만들어서 간단히 안전 문제를 해결합니다. 이러한 기기를 이중 절연 이라고 하는데 , 절연 케이스가 도체 자체의 절연 위에 두 번째 절연 층으로 작용하기 때문입니다. 기기 내부의 전선이 우연히 케이스와 접촉하더라도 기기 사용자에게는 위험이 없습니다.
다른 엔지니어들은 전도성 케이스를 유지하면서 세 번째 도체를 사용하여 케이스를 접지에 단단히 연결함으로써 안전 문제를 해결합니다.
전원 코드의 세 번째 갈래는 기기 케이스에서 접지까지 직접 전기 연결을 제공하여 두 지점이 전기적으로 서로 공통이 되도록 합니다. 전기적으로 공통이라면 그 사이에 전압이 떨어질 수 없습니다.
적어도 그렇게 작동하도록 되어 있습니다. 뜨거운 도체가 우연히 금속 기기 케이스에 닿으면 접지선을 통해 전압원으로 직접 단락 회로가 발생하여 과전류 보호 장치가 트립됩니다. 기기 사용자는 안전합니다.
이것이 2단자 콘센트에 플러그를 끼울 때 전원 플러그의 세 번째 갈래를 절대 잘라서는 안 되는 이유입니다. 이렇게 하면 사용자의 안전을 보장하는 기기 케이스의 접지가 이루어지지 않습니다.
기기는 여전히 제대로 작동하지만 내부 결함으로 인해 뜨거운 전선이 케이스와 접촉하면 치명적일 수 있습니다. 2단자 콘센트를 사용해야 하는 경우 접지선이 접지된 커버 나사에 부착된 2~3단자 콘센트 어댑터를 설치할 수 있습니다. 이렇게 하면 이 유형의 콘센트에 꽂혀 있는 동안 접지된 기기의 안전을 유지할 수 있습니다.
그러나 전기적으로 안전한 엔지니어링은 반드시 부하에서 끝나는 것은 아닙니다. 전기 충격에 대한 최종 보호 장치는 기기 자체가 아닌 회로의 전원 공급 측에 배치할 수 있습니다. 이 보호 장치는 접지 고장 감지 라고 하며 다음과 같이 작동합니다.
제대로 작동하는 기기(위에 표시)에서 뜨거운 도체를 통해 측정된 전류는 중성 도체를 통해 측정된 전류와 정확히 같아야 합니다. 회로에서 전자가 흐를 수 있는 경로가 하나뿐이기 때문입니다. 기기 내부에 무과실이 있으면 회로 도체와 케이스를 만지는 사람 사이에 연결이 없으므로 감전이 발생하지 않습니다.
그러나 뜨거운 전선이 우연히 금속 케이스에 닿으면 케이스를 만지는 사람을 통해 전류가 흐릅니다. 충격 전류의 존재는 콘센트의 두 전원 도체 사이의 전류 차이 로 나타납니다.
"핫" 및 "중성" 도체 간의 전류 차이는 접지 연결을 통해 전류가 흐르는 경우에만 존재하며, 이는 시스템에 오류가 있음을 의미합니다. 따라서 이러한 전류 차이는 오류 조건을 감지하는 방법으로 사용될 수 있습니다.
두 전원 도체 사이의 전류 차이를 측정하도록 장치를 설정하면 전류 불균형을 감지하여 분리 스위치를 열어 전원을 차단하고 심각한 감전을 방지할 수 있습니다.
이러한 장치를 Ground Fault Current Interrupters 또는 줄여서 GFCI라고 합니다. 북미 외 지역에서는 GFCI를 안전 스위치, 잔류 전류 장치(RCD), 소형 회로 차단기와 결합된 경우 RCBO 또는 RCD/MCB, 접지 누설 회로 차단기(ELCB)라고도 합니다.
전원 콘센트에 내장할 수 있을 만큼 컴팩트합니다. 이 콘센트는 독특한 "테스트" 및 "재설정" 버튼으로 쉽게 식별할 수 있습니다. 안전을 보장하기 위해 이 접근 방식을 사용하는 가장 큰 장점은 기기 설계와 관계없이 작동한다는 것입니다.
물론 GFCI 콘센트 외에도 이중 절연 또는 접지된 기기를 사용하는 것이 더 좋겠지만, 기기의 설계 및 상태를 넘어 안전성을 개선하기 위한 조치가 가능하다는 사실을 아는 것도 위안이 됩니다.
화재를 예방하기 위해 설계된 회로 차단기인 아크 고장 회로 차단기(AFCI)는 간헐적인 저항 단락 회로에서 열리도록 설계되었습니다. 예를 들어, 일반적인 15A 차단기는 15A 정격을 훨씬 넘어 부하가 걸리면 빠르게 회로가 열리도록 설계되고 정격을 약간 넘어 부하가 걸리면 더 느리게 열립니다.
이는 각각 직접 단락과 몇 초간의 과부하로부터 보호하지만 아크로부터는 보호하지 못합니다. 아크 용접과 유사합니다. 아크는 매우 가변적인 부하로, 반복적으로 70A 이상에서 피크를 이루고 교류 제로 크로싱으로 회로를 개방합니다.
평균 전류는 표준 차단기를 트립하기에 충분하지 않지만 화재를 일으키기에는 충분합니다. 이 아크는 금속 단락 회로로 인해 금속이 타서 이온화된 가스의 저항성 스퍼터링 플라즈마가 남을 수 있습니다.
AFCI에는 이 간헐적 저항 단락 회로를 감지하는 전자 회로가 들어 있습니다. 그것은 핫-뉴트럴 및 핫-그라운드 아크로부터 보호합니다. AFCI는 GFCI처럼 개인 감전 위험으로부터 보호하지 않습니다. 따라서 GFCI는 여전히 주방, 욕실 및 실외 회로에 설치해야 합니다.
AFCI는 대형 모터를 시동할 때, 그리고 일반적으로 브러시 모터에서 종종 트립되기 때문에, 미국 국가 전기 규정에 따라 설치는 침실 회로로 제한됩니다. AFCI를 사용하면 전기 화재가 줄어들 것입니다. 그러나 AFCI 회로에서 모터가 있는 가전제품을 작동할 때 발생하는 성가신 트립은 문제입니다.
검토:
- 전력 시스템은 종종 전압 공급 장치의 한쪽을 접지에 연결하여 해당 지점의 안전을 보장합니다.
- 전력 시스템에서 "접지된" 도체를 중성 도체라고 하며, 접지되지 않은 도체를 핫 도체라고 합니다 .
- 전력 시스템의 접지는 부하의 작동을 위해서가 아니라 개인의 안전을 위해 존재합니다.
- 가전제품이나 기타 부하의 전기적 안전성은 우수한 엔지니어링을 통해 개선할 수 있습니다. 극성 플러그, 이중 절연, 3단자 "접지" 플러그는 모두 부하 측의 안전성을 극대화할 수 있는 방법입니다.
- 접지 고장 전류 차단기 (GFCI)는 부하에 전원을 공급하는 두 도체 사이의 전류 차이를 감지하여 작동합니다. 전류에 전혀 차이가 없어야 합니다. 차이가 있다는 것은 전류가 두 개의 주 도체가 아닌 다른 수단을 통해 부하에 들어오거나 나가야 한다는 것을 의미하며, 이는 좋지 않습니다. 상당한 전류 차이는 자동으로 분리 스위치 메커니즘을 열어 전원을 완전히 차단합니다.