도망가는 전기 잡는 '누전차단기' 작동 원리는?


전기를 사용하고 필요로 하는 곳에는 ‘반드시’라고 해도 좋을 만큼 중요한 게 있습니다.  

바로 '누전차단기'인데요, 

누전차단기가 있음으로 안전한 전기사용이 가능합니다.


누전이란 전류가 샌다는 것으로 볼 수 있는데, 

전류가 흘러야 할 곳인 도체를 통해 지나가지 않고 엉뚱한 곳으로 가면 새는 것과 같기에 누전으로 볼 수 있습니다.

예를 들어서 수도관을 통해 물이 흘러야 하는데 물이 엉뚱한 곳으로 흐른다면 물이 샌다고 표현하지요.





그것과 동일하게 전선 어딘가가 벗겨져 있거나 찢긴 상태라면 

다른 도체의 역할을 하는 물체를 통해 전류가 나가게 되고, 그것을 바로 누전이라 합니다.


안전한 전기 사용을 위해 꼭 필요한 누전차단기는 

어떻게 누전을 감지하고 전류를 차단할 수 있을까요? 

누전차단기의 작동 원리 및 누전차단기와 배선차단기의 차이를 알아보겠습니다.






LG산전(현 LS 산전)에서 제작했던 30AF 크기의 정격전류 20A의 누전차단기입니다.

2003년에 나온 제품으로 올해 꽃다운 낭랑 18세입니다. 

하지만 보통 누전차단기의 수명을 10년 정도로 보니 교체할 시기가 넘은 제품입니다.



누전차단기의 내부 모습은 이렇게 설계되어 있습니다.



누전 차단기의 메인 기판입니다. 

메인 기판에 전류가 직접 흐르는 것을 막기 위해 플라스틱으로 절연한 모습도 보입니다.





누전차단기의 회로 기판에서는 누전차단기가 오동작하지 않도록 노이즈를 제거하거나

전원 측에서 들어오는 surge(이상전압)의 필터 기능을 가지고 있습니다.

이 메인 기판은 배선용 차단기에도 동일하게 설계되어 있습니다.





접점 부분을 자세히 보면 20이라는 숫자와 V2라고 쓰여 있는 것을 볼 수 있는데요, 

이는 과부하시 바이메탈 스위치 원리에 따라 접점이 벌어져 전류를 차단하는 역할을 합니다.

(바이메탈 스위치는 열이 많이 오르면 떨어지고 열이 식으면 다시 붙습니다.)


우리가 일상에서 흔히 사용하는 다리미나 커피포트에도 

바이메탈 스위치가 있어서, 일정 온도까지 올라가면 ‘탁’ 꺼지고 

온도가 내려가면 다시 켜지는 것을 확인할 수 있습니다.


따라서 이 누전차단기는 20A를 넘게 사용해서 열이 많이 발생하면 스위치가 작동해 전류를 차단하는 역할을 합니다. 

이 역시 배선용 차단기에도 있는 기능입니다.


차단기가 떨어졌을 때 어떻게 하시나요? 

흔히 두꺼비집이라 불리는 분전함에서 떨어진 누전차단기의 손잡이처럼 생긴 핸들을 올려줍니다. 

그럼 다시 전기사용이 가능해지니까요.


누전차단기의 손잡이(핸들)가 올라가면 전류가 흐르고, 

떨어지면 전류가 끊어지는 원리는 매우 간단합니다.





누전차단기의 핸들을 올리면 물리적으로 접점에 붙지만, 핸들을 내리면 접점이 끊어집니다.


예시 속의 사진을 자세히 보면 

전압선 1차측 단자 쪽이 까맣게 변한 것을 볼 수 있는데, 

이는 잦은 트립과 접속으로 접점이 과열되어 고장 나고 그을렸다는 것을 알 수 있습니다.


누전차단기가 자꾸 떨어진다면 계속해서 임의로 올리지 말고 

전기기술자를 불러 누전 여부를 알아보는 게 좋습니다. 

무리하게 계속 올리다 보면 차단기가 고장 나고, 이로 인해 누전을 감지하지 못해 전기 화재로 연결되는 경우가 많기 때문입니다.





사진 속 동그란 부품으로 전선이 들어가고 나오는 모습을 볼 수 있는데, 

저 동그란 부품이 바로 영상변류기(ZCT, Zero Current Trans)입니다. 

빨간 선으로 들어가는 전류와 하얀 선으로 나오는 전류의 차이를 계산합니다. 


그런데 왜 원형 모양일까요? 

전류가 흐르는 방향(나사)의 주변으로 자계가 반시계방향으로 동그랗게 생기기 때문입니다.


영상 변류기 자체로 검출되는 신호는 매우 약해서 

근처에 있는 메인기판의 반도체가 이를 증폭 시켜서 트립 코일로 전달합니다. 

만약 누설전류가 많다면 이를 누전으로 감지하고 위험하기에 전류를 차단합니다.

배선용 차단기는 영상 변류기가 없어서 누전을 차단하지 못하고, 누전차단기보다 가격이 저렴합니다.





전류를 차단하는 힘 즉, 물리적으로 차단기를 트립 시키는 힘은 바로 트립 코일(TC, Trip Coil)의 전자기력에 의해 생깁니다. 

차단기의 종류는 여러 가지가 있지만 실제로 우리가 주변에서 볼 수 있는 저압 차단기는 전자석을 이용한 차단기입니다. 

이는 전류가 흐를 때만 동작하므로 전류동작형이라고 합니다.





누전차단기의 핵심이라고 할 수 있는 것이 영상 변류기(ZCT)와 트립 코일(TC) 입니다. 

이들이 있기에 누전을 인식하고 전류를 차단할 수 있습니다.



누전차단기의 작동 원리가 어땠나요? 나름 재미있고 신선했으면 합니다.






몰라서 어렵고 어려워서 멀리했던 전기. 

이제는 파워존과 함께 재미있게 즐기며 배워보세요.





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