지락(Ground fault)은 전류가 의도된 회로 경로를 벗어나 대지, 접지된 도체, 장비 외함 또는 기타 전도성 표면으로 흐를 때 발생합니다. 이는 손상된 절연, 습기, 느슨한 배선, 오염 또는 기계적 손상으로 인해 발생할 수 있습니다.
지락은 감전, 과열, 장비 고장 및 화재를 유발할 수 있습니다. 전기 자동차, 배터리 에너지 저장 시스템, 태양광 발전 설비 및 직류(DC) 급속 충전기에서는, 고전압 회로와 차체 또는 보호 접지 사이의 절연 성능 저하를 나타낼 수도 있습니다.
I. 지락이란 무엇인가?
미국 국립표준기술원(NIST)의 지락 정의에 따르면,, 이는 접지 도체, 전도성 물질 또는 기타 접지 복귀 경로를 통해 정상적인 회로 경로 외부로 흐르는 전류입니다.
정상적인 조건에서는 전류가 소스에서 부하로 흘러 지정된 도체를 통해 돌아옵니다. 지락이 발생하면 해당 전류의 일부 또는 전부가 의도치 않은 경로를 따르게 됩니다.
- 활성 도체가 접지된 금속 외함에 닿는 경우.
- 손상된 케이블 절연으로 인해 전류가 차체에 도달하는 경우.
- 물이 대지로 향하는 전도성 경로를 생성하는 경우.
- DC 버스의 대지 절연 저항이 저하되는 경우.
- 기계적 손상 후 배터리 배선이 차량 차체에 접촉하는 경우.
지락이 항상 극도로 높은 전류를 발생하는 것은 아닙니다. 그 크기는 시스템 전압, 접지 토폴로지, 고장 임피던스, 도체 저항 및 가용한 복귀 경로에 따라. 달라집니다. 따라서 고저항 대지 고장은 기존의 과전류 퓨즈 작동 임계값 아래에 머물 수 있습니다.
II. 지락의 원인은 무엇인가?
대부분의 접지 결함은 전기 절연 손실 또는 인가된 도체와 접지된 도전성 부품 간의 의도하지 않은 연결로 시작됩니다.
- 노후 또는 손상된 절연: 열, 전기적 스트레스 및 장기 작동은 케이블과 부품의 절연을 약화시킬 수 있습니다.
- 습기 또는 냉각수 침입: 물, 응축수 및 배터리 냉각수는 절연 저항을 감소시킬 수 있습니다.
- 느슨하거나 손상된 배선: 진동, 마모, 잘못된 배선 경로 및 느슨한 단자는 살아있는 도체를 노출시킬 수 있습니다.
- 전도성 오염: 먼지, 금속 입자, 소금 및 화학 잔류물은 절연 표면을 연결할 수 있습니다.
- 기계적 충격: 충돌, 케이블 압착 및 배터리 인클로저 손상은 고전압 도체를 차체와 연결할 수 있습니다.
- 설치 오류: 잘못된 접지, 부적절한 누설 거리 또는 손상된 단자는 의도하지 않은 접지 경로를 만들 수 있습니다.
III. 접지 결함 vs. 단락 회로 vs. 아크 결함
| 결함 유형 | 전류 경로 | 일반적인 특성 | 주요 위험 |
|---|---|---|---|
| 접지 결함 | 접지 또는 접지된 인클로저에 연결된 라이브 도체 | 전류는 고전압 또는 결함 임피던스에 의해 제한될 수 있음 | 쇼크, 화재 및 전류가 흐르는 금속 구조물 |
| 단락 회로 | 다른 전위의 도체 사이 | 보통 저임피던스, 고전류 경로 | 열적 및 기계적 손상 |
| 아크 결함 | 간극을 가로지르는 전기 아크를 통한 결함 | 간헐적 또는 지속적인 아킹 | 극심한 열과 점화 |
| 과부하 | 일반 회로 경로를 통해 | 전류가 회로의 연속 정격을 초과함 | 도체 및 부품 과열 |
저임피던스 접지 결함은 단락처럼 행동하여 퓨즈 또는 차단기를 작동시킬 충분한 전류를 발생시킬 수 있습니다. 고저항 접지 결함은 누설 전류만 발생시킬 수 있으며, 이를 위해 접지 결함 릴레이, 잔류 전류 장치 또는 절연 감시 장치가 필요합니다.
IV. 왜 접지 결함이 위험한가?
감전 사고
전류가 안전하게 제어되지 않으면 도전성 인클로저 또는 차량 섀시가 위험한 전위로 상승할 수 있습니다. 전원 공급된 표면을 만지는 사람은 전류 경로의 일부가 될 수 있습니다.
화재 및 과열
저항성 연결을 통과하는 결함 전류는 국부적인 열을 발생시킬 수 있습니다. 손상된 절연체, 단자 및 주변 재료는 일반 과전류 차단기가 작동하기 전에 발화할 수 있습니다.
장비 손상 및 가동 중단
접지 결함은 배터리 모듈, 인버터, 전력 변환 시스템, 충전 모듈, 접촉기 및 제어 전자장치를 손상시킬 수 있습니다. 데이터 센터 및 산업용 직류 네트워크에서는 예기치 않은 정지가 중요한 부하를 중단시킬 수도 있습니다.
두 번째 결함으로의 확대
일부 격리되거나 접지되지 않은 직류 시스템은 최초 절연 결함 이후에도 계속 작동할 수 있습니다. 반대 극에 두 번째 결함이 발생하면 섀시 또는 접지 네트워크를 통한 심각한 극간 전류 경로가 형성될 수 있습니다.
V. 접지 결함은 어떻게 감지됩니까?
잔류 전류 측정
전류 변압기 또는 전자 센서는 송신 및 반환 전류를 비교합니다. 불균형은 전류가 다른 경로를 통해 빠져나가고 있음을 나타냅니다.
절연 감시
An 절연 감시 장치 (IMD) 전원 공급된 도체와 보호 접지 또는 섀시 간의 절연 저항을 측정합니다. 텍사스 인스트루먼트는 배터리 관리 시스템, 에너지 저장 장비, 태양광 인버터 및 DC 충전 장비를 일반적으로 식별합니다 고전압 절연 감시 응용 분야.
접지 결함 릴레이
산업 시스템은 제로 시퀀스 전류, 잔류 전류 또는 전압 변위 등을 감시하는 릴레이를 사용할 수 있습니다. 측정값이 정해진 임계값을 초과하면 릴레이는 경보 또는 차단 명령을 발행합니다.
BMS 및 차량 절연 감시
전기차에서 배터리 관리 시스템은 고전압 배터리와 차량 섀시 간의 절연 저항을 감시합니다. 절연이 허용 임계값 이하로 떨어지면 제어 시스템은 접촉기를 열거나 충전을 제한하거나 비상 차단 장치를 작동시킬 수 있습니다.
VI. 접지 결함은 어떻게 해소합니까?
감지와 차단은 별개의 기능입니다. 센서는 이상 상태를 식별하고, 다른 장치는 영향을 받은 회로를 차단해야 합니다.
- GFCI, RCD 또는 잔류 전류 차단기
- 접지 결함 릴레이로 작동하는 차단기
- 배터리 접촉기
- 충분히 높은 과전류 시 일반 퓨즈
- 능동적으로 트리거되는 파이로퓨즈
- 감시, 접촉기 및 백업 퓨즈의 조합으로 구성된 연동 시스템
퓨즈는 전류에 반응하며 절연 저항을 독립적으로 측정할 수 없습니다. 따라서 낮은 수준의 누설은 과전류 퓨즈를 작동시키지 않을 수 있습니다. BMS 또는 안전 제어기가 신속한 물리적 차단을 명령해야 하는 경우, 다음을 이해하는 것이 중요합니다 파이로퓨즈가 무엇인지 그리고 그것이 접촉기 및 일반 퓨즈를 어떻게 보완하는지.
VII. 전기차의 접지 결함
전기차 고전압 시스템은 일반적으로 도전성 차량 섀시와 절연되어 있습니다. 배터리, 인버터, 모터, 온보드 충전기, 전기 압축기 및 DC 케이블은 적절한 절연을 유지해야 합니다.
- 손상된 주황색 고전압 케이블
- 배터리 팩 내부의 냉각수 누수
- 인버터 또는 모터 절연 실패
- 오염된 커넥터
- 충돌 손상
- 고전압 인클로저 내부로 물이 유입됨
절연 모니터링 시스템은 단락이 되기 전에 저항 감소를 감지할 수 있습니다. 심각도에 따라, BMS는 주 회로 차단기를 열거나 전기차 내 파이로퓨즈. 엔지니어들은 또한 활성 파이로퓨즈 트리거링 완전 안전 개념을 개발할 때 수동 과전류 작동과 함께 사용됩니다.
VIII. 에너지 저장 및 충전 시스템의 접지 결함
배터리 에너지 저장 시스템에는 긴 DC 스트링, 전력 변환 장비, 버스바 및 수많은 연결 지점이 포함되어 있습니다. 습기, 배선 손상 또는 절연 저하로 인해 양극-접지 또는 음극-접지 결함이 발생할 수 있습니다.
격리된 DC 아키텍처에서는 첫 번째 결함이 극-접지 전압을 이동시킬 수 있으며 즉시 큰 과전류를 발생시키지 않습니다. 따라서 지속적인 절연 모니터링이 중요합니다. 두 번째 결함은 훨씬 더 파괴적인 전류 경로를 만들 수 있습니다.
보호는 스트링 및 랙 퓨즈, 절연 모니터링, 접지 결함 감지, 접촉기 또는 DC 차단기, PCS 보호 및 시스템 수준 비상 차단 제어와 조정되어야 합니다. DC 고속 충전기는 높은 전압, 야외 노출, 전력 전자기기 및 차량 연결을 결합하기 때문에 유사한 위험에 직면해 있습니다.
IX. 안전하게 접지 결함을 찾는 방법
접지 결함 문제 해결은 적절한 절차를 사용하는 자격 있는 인력만 수행해야 합니다.
- 시스템의 전원을 차단하고 안전하게 확보하십시오 적용 가능한 안전 절차에 따라.
- 경보 및 이벤트 로그를 검토하십시오 BMS, IMD, 인버터 또는 보호 릴레이에서.
- 시스템을 구역으로 나누십시오 영향받은 회로를 좁히기 위해.
- 케이블, 커넥터 및 인클로저를 검사하십시오 습기, 마모, 오염 및 충격 손상 여부를 확인하십시오.
- 절연 저항을 측정하십시오 시스템에 승인된 장비와 시험 전압을 사용하여.
- 민감한 전자기기를 분리하십시오 제조업체의 요구에 따라 절연 시험 전에 수행하십시오.
- 근본 원인을 수리하십시오, 단순히 알람을 재설정하는 것이 아닙니다.
- 절연 및 기능 시험을 반복하십시오 장비를 다시 가동하기 전에.
고전압 절연 결함의 유일한 평가로 기본 연속성 테스트를 사용하지 마십시오. 간헐적 결함은 습도, 진동, 온도 또는 작동 전압에서만 나타날 수 있습니다.
X. 효과적인 접지 결함 보호 설계 방법
신뢰할 수 있는 보호 설계는 접지 방법과 예상 결함 전류 범위에서 시작됩니다. 엔지니어는 다음을 평가해야 합니다:
- 최대 작동 및 과도 전압
- 단단히 접지된, 저항 접지 또는 고립된 토폴로지
- 최소 및 최대 접지 결함 전류
- 절연 저항 임계값
- 접촉 전압 및 인원 안전 요구 사항
- 시스템 접지 용량
- 필요한 검출 및 차단 시간
- 접촉기 DC 차단 능력
- 퓨즈 전압 등급 및 차단 용량
- 결함 전류 시간 상수
- BMS, PCS 및 인버터 제어와의 조정
- 단일 결함 및 이중 결함 동작
단일 구성요소가 모든 접지 결함 조건을 커버하지 않습니다. 강력한 설계는 계층화된 보호: 조기 감지를 위한 절연 모니터링, 의사 결정용 제어 논리, 명령 차단을 위한 접촉기 또는 트리거 장치, 고전류 백업 보호를 위한 HVDC 퓨즈를 사용합니다.
XI. 자주 묻는 질문
접지 결함이 접지 결함과 동일한 것인가요?
이 용어들은 종종 서로 교환하여 사용됩니다. 둘 다 일반적으로 활성화된 도체에서 접지, 보호 접지, 섀시 또는 접지된 도전성 재료로의 의도치 않은 전류 흐름을 설명합니다.
일반 퓨즈가 접지 결함을 차단할 수 있나요?
오직 결함 전류가 퓨즈의 작동 범위에 들어오고 충분히 오래 지속될 때만 가능합니다. 고저항 접지 결함은 그 범위 아래에 남아 있어 전용 감지가 필요할 수 있습니다. passive 및 active 절연 장치를 선택할 때 퓨즈와 파이로퓨즈의 차이점 를 참조하세요.
DC 시스템에서 접지 결함이 발생할 수 있나요?
네. DC 접지 결함은 전기차 배터리, 태양광 어레이, 에너지 저장 시스템, UPS 장비, 데이터 센터 및 DC 충전 인프라에서 발생합니다.
폴-투-그라운드 결함이란 무엇입니까?
DC 시스템의 양극 또는 음극과 접지 또는 차체 간의 의도하지 않은 연결입니다. 그 동작은 시스템 접지 토폴로지에 크게 의존합니다.
접지 결함 감지기와 퓨즈의 차이점은 무엇입니까?
감지기는 누설 전류, 잔류 전류 또는 절연 저항 감소를 감지합니다. 퓨즈는 정해진 시간-전류 작동 조건에 도달하면 전류를 차단합니다.
전기차가 절연 결함 후에도 계속 작동할 수 있습니까?
응답은 시스템 설계, 결함 심각도 및 적용 안전 요구 사항에 따라 다릅니다. 차량은 경고를 발령하거나 작동을 제한하거나 접촉기를 열거나 비상 격리 조치를 시작할 수 있습니다.
XII. 결론
접지 결함은 전원 공급 회로와 지구, 차체 또는 접지된 도전성 물질 사이의 의도하지 않은 전류 경로입니다. 이는 작은 누설 전류로 시작하여 나중에 파괴적인 단락으로 발전할 수 있습니다.
효과적인 보호를 위해서는 절연 모니터링, 접지 결함 감지, 제어 논리, 접촉기, HVDC 퓨즈 및 적극적으로 작동하는 차단 장치가 필요합니다.. 전기차, 에너지 저장, 충전 또는 산업용 DC 프로젝트의 경우, Chauron은 시스템 전압, 연속 전류, 예상 결함 전류, 시간 상수 및 절연 전략을 검토할 수 있습니다.