Google 데이터 센터의 아크 플래시 발생으로 인해 보호의 중요성이 강조됩니다. 자세히 알아볼까요?

데이터 센터, 산업 시설 또는 대규모 재생 에너지 사이트(예: 풍력 발전소 또는 태양광 발전소)에서의 아크 플래시는 위험한 상황을 초래할 수 있습니다. 아이오와 주¹ 카운실블러프스에 있는 Google 데이터 센터에서 최근 발생한 아크 플래시로 3명이 상해를 입었습니다. 아크 플래시는 전기 폭발을 일으키며 최대 섭씨 19,000도의 열을 발생시킬 수 있습니다. 쉽게 말하자면, 이는 태양의 표면보다 더 뜨겁습니다.

아크 플래시는 오래전부터 심각한 문제였지만, 2020년 1월에서야 미국 전기안전 규정(NEC: National Electric Code)이 아크 플래시 보호를 포함하도록 업데이트되었습니다. 정격 1200A 이상의 회로 차단기에 대한 아크 에너지 경감 요구 사항이 추가되었습니다. 업데이트된 NEC 요구 사항의 핵심은 회로에서 퓨즈 차단 시간이 0.07초 미만일 때 아크 플래시 보호 장비를 사용해야 한다는 것입니다. 퓨즈의 정격이 적절하더라도, 심각한 부상의 위험에 대비해 아크 플래시 보호 계전기와 같은 추가적인 보호 단계가 사용되는 경우가 많습니다.

이를 염두에 두고 아크 플래시의 역학에 대해 논의하고, 미국 노동부의 산업 안전 보건국(OSHA) 요구 사항을 검토하며, 볼트 결함을 아크 결함과 비교하고, IEEE 아크 플래시 위험 계산을 간략하게 설명하겠습니다. 또한 Littelfuse의 몇 가지 아크 플래시 보호 상황과 관련된 보호 계전기를 살펴보겠습니다.

OSHA는 50V 이상에서 작동하는 장비에 대해 아크 플래시 보호에 대한 평가가 수반되어야 한다고 요구합니다. 이 평가에서는 안전에 대한 경계선(금지, 제한 및 제한된 접근)을 결정하고, 어떤 종류의 개인 보호 장비(PPE)를 착용해야 하는지에 대해 설명합니다. 아크 플래시 가능성 및 관련 안전 조치를 평가할 때 볼트 결함과 아크 결함을 구별할 필요가 있습니다.

볼트 고장 전류와 아크 고장 전류 비교

1,000V 미만의 정격 시스템에서 볼트 결함은 임피던스가 0인 결함을 의미합니다. 아크 고장 전류는 아크의 임피던스에 비례하여 정의됩니다. 이러한 시스템의 보호 장치는 더 높고 더 심각한 볼트 고장 전류가 일어날 경우 트립하도록 설정되어야 합니다.

보호 장치 차단 시간도 중요합니다. 더 빠른 해제, 안전 및 시스템 작동 간에는 절충해야 하는 점들이 있습니다. 트립이 더 신속할수록 개인의 안전은 증진될 수 있습니다. 그러나 시스템에 여러 보호 장치가 포함된 경우, 너무 빠른 트리핑은 여러 장치의 조화로운 작동을 방해할 수도 있고, 그 결과 전체 시설에 더 큰 부정적인 영향을 미칠 수도 있습니다. 마이크로 프로세서(MPU)를 기반으로 한 아크 고장 보호 계전기는 자체적으로 빠른 반응 시간을 제공하며, 시설 전반에서 중단을 최소화하기 위해 조화로운 작동을 지원하는 동시에 아크 플래시 보호 속도를 높이기 위해 회로 차단기를 트립시키는 데 사용할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 고장 상태에 대한 반응 시간을 단축하기 위해, 아크 고장 보호 계전기를 사용하여 회로 차단기(CB)를 트립할 수 있습니다. (이미지 출처: Littelfuse)

IEEE 아크 플래시 위험 계산

IEEE 1584-2018에 기반한 아크 플래시 위험 계산은 산업 환경에서 OSHA 규정을 충족하기 위해 흔히 사용됩니다. IEEE 1584는 아크 전류 및 사고 에너지 레벨을 예측할 수 있으므로 필요한 PPE를 결정하고 안전한 작업 거리를 정의할 수 있습니다. 이는 경험에 바탕을 둔 모델을 사용하는데, 그 기반이 되는 변수는 다음과 같습니다.

• 208VAC ~ 15,000VAC, 3상, 주파수 50Hz ~ 60Hz
• 700A ~ 106,000A 볼트 고장 전류
• 공동 사용 장비 인클로저의 크기 및 접지 또는 비접지 컨덕터의 구성
• 모든 3상과 관련된 컨덕터와 결함 사이의 간극

개폐기 보호

시설 설계자는 개폐기 보호를 위하여 Littelfuse의 PGR-8800 계열을 사용할 수 있습니다. PGR-8800-00(그림 2)은 PGA-LS10 시선 포인트 센서로 개폐기 캐비닛을 모니터링할 수 있는 MPU 기반의 계전기로, 아크 플래시 보호 및 결함 위치 식별 기능을 제공합니다. 또한, PGA-LS20 또는 PGA-LS30 광섬유 센서로 후면 모선을 모니터링할 수 있습니다. PGR-8800-00은 아크 플래시의 빛을 1ms 이내에 감지합니다. 여기에는 주변 조명 상태에 대한 보정과, 불필요한 트립을 최소화하기 위해 가변 트립 임계값이 포함되어 있습니다.

그림 2: PGR-8800-00은 다양한 센서를 사용하여 1ms 이내에 아크 플래시 발생을 구분할 수 있습니다. (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

발전기 보호

발전기 보호를 위하여 Littelfuse의 AF0100 아크 플래시 계전기를 사용할 수 있습니다. PGA-LS20/PGA-LS30 광학 센서 및 PGA-LS10 포인트 센서와 함께 사용하도록 설계되었습니다. 발전기를 끄고 차단기를 트립하여 결함이 있는 장치를 유틸리티에서 분리할 수 있습니다. 진동이 많고 공간이 제한된 환경에서 작동하도록 설계되었습니다.

다영역 보호

시설 설계자는 다수의 AF0500 계전기를 결합하여 여러 영역을 무제한적으로 확장하여 포괄할 수 있습니다. 또한 AF0500 계전기는 저렴한 AF0100 계전기와 연결하여 다영역 아크 플래시 보호 시스템의 비용/성능 절충을 최적화할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: AF0500 계전기는 단독으로 사용되기도 하고, 다른 AF0500 계전기와 함께 사용되기도 하며, AF0100 계전기와 함께 다영역 설치의 성능을 최적화할 수 있습니다. (이미지 출처: Littelfuse)

결론

NEC와 OSHA는 아크 플래시 발생과 관련된 위험을 인지하여 산업 환경에서 준수해야 하는 사항을 요구합니다. IEEE 1584는 아크 및 볼트 플래시가 일어날 수 있는 잠재적 전류 레벨을 평가하고, 그에 필요한 보호 방식을 정하는 데 흔히 사용됩니다. 위에서 살펴본 바와 같이, 아크 플래시 보호 계전기는 다양한 응용 제품 시나리오에서 향상된 보호 기능을 제공하는 데 사용할 수 있습니다.

참고 자료:

1: Incident at Google Data Center Highlights Risks of Arc Flash