지락사고보호에 대한 고찰(Ground-Fault Protection) (IEEE 242 1986 Chapter 7)

가. 개요

나. 지락보호와 관련된 계통의 형태 접지와 非 접지계통에 대한 포괄적인 논의는 ANSI/IEEE Std 142-1982의 1장에 있다. 접지 방식의 선택을 고려할 때 가능한 지락사고 보호방식과 그 방식이 계통의 성능, 운전, 및 안전에 미치는 영향을 결정하는 것이 중요하다.

  1. 계통접지의 구분 일반적으로 산업용과 상업용 전력 계통에서 사용되는 계통접지의 형태들은 다음과 같다.
    1) 직접 접지
    2) 低저항 접지
    3) 高저항 접지
    4) 非접지 등으로서 각 접지 형태는 모두 장점과 단점을 가지고 있으며 어느 한 접지형태가 일반적으로 용인되지는 않는다. 다음의 요소들이 선택의 기준이 된다.
    1. 전력계통의 전압레벨
    2. 과도 과전압 가능성
    3. 계통에서 기기의 형식
    4. 전력공급의 연속성 필요도
    5. 운전자의 수준
    6. 기존 계통에 적용된 형태
    7. 편리한 접지 지점의 확보
    8. NEC CODE
    9. 보호계기와 보수비를 포함한 설비 가격
    10. 화재와 감전을 포함하는 안전성
    11. 허용될 수 있는 사고손실 수준
    12. 사고기간 중 전압강하 영향
  1. 직접 접지 (Solid Grounding)

    (그림 121) 대부분의 산업 및 상업전력계통은 직접접지된 상용전원 계통으로부터 전력을 공급 받고 있다. 만약 수요자가 즉시 전압을 저 전압으로 변환시켜야 한다면 그 전력 변압기는 보통 그 2차를 다시 직접접지 시키기 위해 △연결된 1차와 Y 연결된 2차를 가지게 된다. 이것으로 과전압과 지락사고로부터 손쉽게 보호될 수 있는 시스템으로 귀결된다. 그리고 이 시스템은 중성선이 상 도체와 함께 부하에 연결될 수 있으므로 전력공급에 유연성을 가지고 있다.

    1) 600V 이상 계통

    직접접지된 고압 및 초고압 계통의 지락 보호계전은 잔류회로 지락계전기를 사용하거나 영상 검출방식을 통해 성공적으로 수행 되어왔다. 지락 과전류 계전기는 지락전류 검출의 감도를 키우기 위해 변류기의 Y 지점 (잔류 Residual) 에 연결된다. 지락전류의 크기는 지락사고가 기기의 중성점 근처에서 일어나지 않는 한 거의 상 간 사고전류의 크기와 비슷하기 때문에 계전기나 Fuse에 의해 쉽게 검출된다.

    2) 600V 이하 계통

    모든 208V 계통은 120V를 공급하기 위해 부하를 상과 중성선간에 연결할 수 있는 직접접지 방식을 채택한다. 모든 408V 계통도 277V 전등 부하를 사용하기 위해 직접접지 방식을 사용한다. 277V를 사용하지 않는 계통에 있어서도 과전압 제한과 지락사고 제거를 신속히 하기 위해 직접접지 방식을 사용한다. 높은 전압계통에서는 일반적으로 계전기들과 고감도의 지락계전기가 손쉽게 제공되지만 저압회로에는 각 상에 트립장치를 내장한 회로차단기가 사용된다.
    최근까지도 저압계통에서 지락계전기를 설치하는데 드는 추가비용을 당연히 필요한 것이라고 생각하지 않았다. 그러나 최근에 비록 저압 직접접지 계통이라도 3항에서 설명되는 이유로 인해 비교적 낮은 전류치를 가지는 지락사고가 발생할 수 있다는 사실을 인식하게 되었다. 이로 인해 저압 회로 차 단기나 Bolted Pressure Switch와 함께 사용하기 위한 민감한 지락계전기와 트립장치가 개발되어 왔다. 480V 직접접지 계통의 문제점 중의 하나로 높은 지락전류의 발생과 파괴적인 아크가 따르는 지락사고를 들 수 있다. 그러나 사고회로가 즉시 차단될 수 있다면 허용범위 내로 손상을 방지할 수 있다. 480V 계통의 직접접지의 또 다른 특징은 지락사고로 인해 즉각적인 정전사태를 야기할 수 있다는 것이다. 만약 이러한 정전을 수용할 수 없다면 고 저항접지나 비 접지 방식을 채택하여 수리를 위한 계획정전시까지 회로차단을 지연 시킬 수 있다. 그러나 보통은 사고회로를 즉각적으로 계통에서 분리 시키는 것이 바람직하다.

  1. 저 저항 접지 (Low-resistance Grounding)

    (그림 122) 저 저항 접지 계통은 과도 과전압이 문제가 되지 않는다는 점에서 직접접지 계통과 유사하다. 지락전류의 크기는 다양하지만 현재 100 ~ 200A 정도가 주로 사용된다. 여러 전원을 가지고 있는 계통에서는 지락전류를 800 ~ 1600A 정도로 하기도 한다. 접지저항의 크기는 지락계전기가 사고를 감지하고 회로를 차단 시키기 위해 충분한 전류를 흘리도록 선정된다.
    이런 형태의 접지 시스템은 보통 전동기가 직접 연결되는 2.4 ~ 13.8kV 시스템에 주로 적용된다. 저항치는 또한 계전방식과 보호될 수 있는 전동기 권선의 양과 관련이 있다. Y 결선 전동기에서의 지락사고는 사고 지점이 모타 중성점에 가까울수록 유기전압이 감소하고 따라서 지락전류도 줄어들게 된다.

  1. 고 저항 접지 (High-Resistance Grounding)

    (그림123(a)와 (b)) 고 저항 접지는 일차적으로 지락전류를 매우 낮은 값으로 제한한다. 사고전류의 크기는 중성점에 삽입된 저항의 크기가 지락회로의 잔여부분 저항 값에 비해 아주 크기 때문에 사고지점에 관계없이 예측할 수 있다. 일부 고 저항접지 시스템은 (주로 고압계통에서) 중성점과 접지 사이에 2차측에 저항이 연결되어 있는 배전변압기가 연결된다. 변압기 1차는 계통의 선간전압을 정격전압으로 하고 2 차는 240V를 정격으로 하는데 이렇게 되면 2차전압이 편리한 139V로 제한된다. 고 저항 접지는 보호계전을 위해 유용한 것으로 알려진 값으로 지락전류의 크기를 보장하는데 유용하다. 이 방법은 수분의 1암페어의 범위 안에서 사고를 감지해내는 감도 높은 지락계전기를 사용할 경우, 사고회선을 구분해 내는 것이 가능하게 된다. 만약 그 저항 값이 그 계통의 충전전류와 같거나 약간 높게 선정된다면 과도과전압도 감소되어진다. 충전전류는 계산이나 측정에 의해 얻어지며 통상 저압회로에서는 2 암페어를 넘지 않는다. 이러한 크기의 지락전류는 거의 계통의 즉각적인 트립을 요구하지 않고 그래서 종종 이러한 고 저항접지방식은 첫 지락 사고하에서도 사고를 해소하기 위한 적절한 시간까지 정전을 보류하여 전력공급의 연속성을 유지할 수 있다. 이것은 사고전류가 흐르는 케이블의 허용전압이 정격의 173% 이상인 경우에만 허용된다. 만약 첫번째 지락사고가 해소되기 전에 2차 지락사고가 다른 상에 발생한다면 이것은 중성점 접지저항에 의해 제한을 받지 않는 상-대지-상 단락 사고가 된다. 이러한 경우 사고 전류의 크기는 Ground-Path 임피던스에 의해 제한받기 때 문에 심각한 아크 손상을 입히기에 충분히 크지만 과전류 계전기를 순시 동작 시켜 손상을 방지하기에는 너무 작게 되는 아크사고로 될 수 있다. 이러한 경우를 방지하기 위해 이단계 계전기를 적용하는 것이 유용한데 첫번째 사고시는 경보 만 울리고 2차 사고시는 아크소손을 방지하기 위해 적정시간 내에 회로를 트립 시키게 된다.

  1. 非접지 (Ungrounded System)

    비 접지계통은 각 상과 대지간에 연결된 램프나 전압계 같은 지락감지기를 사용하고 있다. 이 지락 감지기는 계통에서 지락의 유무를 보여주고 사고 상을 알려 주지만 계통의 어느 곳에서 지락이 발생했는지는 검출할 수 없다. 이 계통은 계통의 접지 점으로 작용되는 지락사고와 함께 운전될 것이다. 지락사고전류는 계통의 용량성 충전 전류이며 통상 수 암페어에 불과하다. 만약 이 지락사고가 간헐적으로 발생하거나 지속된다면 이 계통은 심각한 대지 간 과전압에 노출될 가능성이 있으며 이 전압은 상 전압의 6 ~ 8배 만큼 높게 될 수 있다. 이것은 절연에 구멍을 내고 또 다른 지락사고로 귀결된다. 이 과전압은 계통 정전용량의 반복적인 충전이나 계통에 연결된 기기의 인덕턴스와 계통 커패시턴스간의 공진에 의해 유발되어진다. 첫번째 지락사고가 해소되기 전에 2차 지락사고가 다른 상에 발생한다면 이것은 상-대지-상 단락 사고가 되며 보통은 아크지락이 된다. 이러한 경우는 사고 전류의 크기는 심각한 아크 손상을 입히기에 충분히 크지만 때때로 과전류 계전기를 순시 동작시켜 손상을 방지하기에는 너무 작은 크기로 된다.
    비 접지계통은 전력공급의 연속성 측면에서 高저항접지 이상의 이득이 없고 대신에 과도 과전압 발생의 불이익이 있으며, 또한 첫번째 지락사고로 접지점을 잡고 두번째 사고시 화재가 발생하는 불이익이 있다. 이러한 이유 때문에 비 접지계통은 오늘날 고 저항접지보다 잘 사용되지 않고 있으며, 기존에 비 접지계통으로 되어 있는 경우에도 중성점이 있으면 고 저항접지로 교체하고 중성점이 없는 △전원인 경우에 지그재그 TR이나 다른 TR을 사용하여 중성점을 만들어 高저항접지로 변경하고 있다. 일단 계통이 高저항으로 접지되면 과전압이 감소되고 아주 민감한 계전기를 사용하여 첫번째 사고시 사고회선을 검출하여 2차 사고시 아크 소손으로 심각한 손상을 입기전에 한 개나 두 회선 모두를 트립시키게 된다.      

다. 지락사고 (Ground Fault)의 본질, 크기 및 피해 (Nature, Magnitude, and Damage)

  1. 지락사고의 원인 (Origin Of Ground Faults)

    절연파괴로부터 발생되는 지락사고는 다음과 같이 개략적으로 분류될 수 있다.
    1)습기, 대기오염, 외부물체, 및 절연열화에 의해 약화된 절연
    2)기계적 충격이나 절연펑크에 의한 물리적 손상
    3)극심한 과도전압 충격이나 정상 전압에 의한 열화

  1. 지락사고 전류의 크기 (Magnitude of Ground-Fault Currents)

    지락사고 전류의 크기는 아주 변화가 심하다. 대칭요소법을 사용하면 단상 대지 간 (line-to-ground) 지락 전류는 다음의 식에 의해 구해진다.
    IGF = 3VL+N / (Z1+Z2+Z0+3ZG)
    여기서 Z1,Z2,Z0는 각각 정상, 역상, 영상 임피던스이다.
    ZG 는 대지 귀로의 임피던스를 나타내는 것으로 사고 아크의 임피던스, 접지 회로의 임피던스와 중성점 접지저항을 포함한다.
    지락전류의 크기가 어떻게 그렇게 폭넓게 변하는지를 보기 위해 직접접지 발전기의 단자에서 아주 가까운 위치에서 발생한 완전지락 사고를 생각해 보자.
    이 예에서 ZG 는 거의 영에 가깝고 만약 Z1=Z2=Z0라고 가정한다면
    IGF = VL+N / Z1 이 되고 이 식은 실제 3상 단락사고의 공식과 같아진다.
    사실 많은 발전기에서 Z0 가 Z1보다 작기 때문에 완전 지락전류의 크기를 3상단락 사고전류의 크기로 줄이기 위해 별도의 중성점 임피던스 Zn을 추가하는 것이 필요하다.

    高저항접지계통의 지락사고의 경우는 중성점 접지 저항 Rn이 Z1, Z2, Z0 와 지락회로의 잔여 임피던스 ZG 와 비교해서 아주 크다. 그래서 IGF 는 EL+N 을 Rn 으로 나눈 값과 거의 같아진다.
    예를 들어 20ohm으로 고저항 접지된 480V 계통에서 지락사고 전류는 IGF = VL+N / Z1= 480/R3 / 20 = 14A 가 된다. 이 값은 사고 아크 임피던스와 접지회로 임피던스가 20Ω에 비하여 무시될 수 있기 때문에 사실이다.
    직접 접지계에서의 저압 지락사고전류의 크기를 정밀하게 계산하는 것은 앞의 예들에 비해 매우 어렵다. 그 이유는 앞의 高저항접지계에서 거의 무시되었던 아크 접지 저항이 지락 전류의 크기를 감소 시키는데 중요한 역할을 하기 때문이다. 이 이유는 상당한 크기의 접지도체가 상 도체를 따라 포설되어 있는 대부분의 경우에도 적용된다. 지락보호를 적용하는데 있어서 첫번째 고려사항은 그 계통의 선택적 보호협조가 성취될 수 있는가 하는 것이고, 만약 안될 경우에는 선택성의 결여가 허용되어지는 한계를 설정하는 것이다.

    지락계전기의 두 가지 주요 설정치는 첫째, 최소 동작 전류와 둘째, 동작 속도이다.
    최소동작 전류 (검출 값) 의 설정은 일차적으로 보호될 회로의 특성에 따라 좌우된다. 만약 그 회로가 모타, 변압기, 히터와 같은 단독 기기들에 연결된다면 검출 값은 5 ~ 10A 정도의 매우 낮은 값이 될 수 있다. 그러나 만약 그 회로가 개개의 과전류 보호회로를 가진 MCC나 Panel-board와 같은 복합적인 부하에 연결된다면 검출 값은 더 크게 될 것이다. 이 높은 검출 값은 200 ~ 1200A 정도로 선정되는데 이는 보호협조가 가능한 경우에 분기회로의 과전류 보호장치가 자신의 회로에서 발생한 낮은 값의 지락 사고를 해소시킬 수 있도록 하기 위해 서이다. 더 나아가 계통의 일부에서 발생한 낮은 값의 사고는 자체로 해소되어지고 그래서 다른 기기의 연속 운전을 가능케 하는 것이다.

  1. 아크를 동반하는 사고에 의한 손상 (Damage Due to Arcing Faults)
    아크사고는 아크가 발생하는 지역에 막대한 量의 에너지를 방출시킨다. 아크로 인해 이온화된 물질은 급속히 퍼진다. 양측의 아크단자에서 모두 증발 현상이 발생하고 아크가 이동하지 않을 때 전극 지점에 부식이 집중적으로 발생한다. 아크가 소스로부터 멀리 이동하려는 경향이 있는 동안에는 절연 도체를 가진 회로에서 낮은 사고 전류에서나 높은 전류에서나 부식이 반드시 발생하는 것은 아니다. 만약 아크사고가 무기한 지속된다면
    첫째로 잠재적인 화재 위험이 있고
    둘째로 심각한 손상을 입히고
    셋째로 추가적인 전력공급 손실로 이어질 수 있다.
    단상으로 운전되는 것을 방지하는 장치가 없는 단상 차단장치들은 저압 아크 지락사고에 특히 효과가 없다. 그 이유는 종종 초기 접지사고나 상 간 단락사고 는 사고 상을 하나나 두개의 Fuse로 해소시킬 수는 있지만 그 사고는 해소되지 않은 상으로부터 부하 임피던스를 통해 계속된다. 그래서 그 사고는 사고전류가 감소되고 다른 회로들이 동원되지 않으면 남아있는 Fuse에 의해서는 결코 해소되지 않게 될 수 있다. 많은 경우에 있어서 적절한 지락사고 보호방식을 포함하여 주의깊게 설계한다면 손상이 확대될 가망성은 감소될 수 있다.
    일부 퓨즈부 스위치(fusible switch)들은 반 단상운전장치(Anti-single Phasing Device)를 갖출 수 있는데, 그것은 스위치에 있는 라인퓨즈(line fuse)와 병렬로 작은 접점부 퓨즈를 병렬로 설치함으로 구성된다. 라인퓨즈가 차단하면 이들 작은 퓨즈도 나가고 부차적으로 스위치의 3개극을 모두 개방시키도록 신호를 보내거나 스위치 개방 회로를 동작시키는 작은 퓨즈의 접점을 닫히게 한다.
    그림 125는 이 특별한 Scheme을 보여주는데, 이것은 지락사고 보호계전과도 연결되어 사용될 수 있다. 다른 기기에는 차단기를 트립 시키기 위해 접점부 퓨즈 대신에 전압계전기를 사용하기도 한다. 회로차단기나 퓨즈부 차단기와 서비스 프로텍터들도 기본설계시부터 반 단상운전장치를 내장하도록 되어있다. 저압 접지계통에서의 지락보호에 대한 기본적인 요구사항이 그림 126에 보여진다. 1600A 主회로 차단기와 전형적인 장한시, 단한시 특성들과 옵션으로 퓨즈부 스위치가 연결된 1000KVA 변압기가 있다. 480Y/277V 중성점 접지 계통에서의 1500A 지락사고 (지점 1)는 주회로 차단기나 퓨즈에 의해 검출되지 않을 것이다. 대신에 0.2초 시지연에 정정된 지락계전기가 약 0.33초안에 사고를 해소하기 위해 차단기를 트립 시키게 될 것이다. 4000A 지락사고 (지점 2)는 비록 차단 기의 최소장한시 영역이 사용되어도 약 33초간 지속될 것이다. 그러나 지락계전기는 약0.2초 안에 사고를 해소하게 될 것이다. 8000A 지락사고(지점 3)는 차단기의 단한시 장치가 있다면 그에 의해 약 0.2~0.4초 내에 해소될 것이다. 그러나 단한시 장치가 없다면 장한시 장치에 의해 사고를 해소하는데 8~20초 가 소 요될 것이다. 이들 가정된 사고들에 대한 아크에너지가 표 8에 나타나 있다. 여기서 아크전압은 100V로 추정된다. 아크전압이 상단부가 평평한 특성을 가지려는 경향이 있기 때문에, 이 W/S로 표시된 아크에너지는 rms전류(A), 아크전압(V), 그리고 사고해소시간(s)의 곱을 구함으로 추정될 수 있다. 어떤 양의 전극물질을 부식시키는데 필요한 에너지에 대한 개략적 계산으로부터 도체와 외함 사이에 똑같이 분배된 50kW/s의 에너지가 알루미늄의 경우 약 1/8 in3과 구리의 경우 1/20 in3을 증발시킬 것을 보여준다. 계산으로부터 대부분의 아크에너지가 전극으로 가고 반면에 주위공기로의 에너지 손실은 무시될 정도임을 알 수 있다. 여러가지 아크사고에 대한 시험으로부터 비교 결과가 얻어졌고 이러한 시험자료로부터 에너지를 계산한 것과 부식된 도체물질의 측정된 것 사이의 좋은 상관관계가 구해졌다.
    가정된 8000A 사고에 있어서 비록 그 전류 값이 모든 전원과 , 회로 그리고 아크 임피던스를 고려하여 계산된 값일지라도 실제 차단기를 통하여 지나가는 rms 전류 값은 훨씬 더 작을 수 있다. 이것은
    (1) 아크가 늘어나면서 소호되어 버리는 효과 (Arc Elongating Blowouts Effects)와
    (2) 기계적인 스트레스에 의해 케이블과 버스 구조물들이 휘는 것,
    (3) 자기소호 시도와 아크 재점호
    (4) 접지된 외함 위에서 아크터미날이 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데에 따른 사고의 불규칙한 특성 때문이다.
    이러한 모든 효과들이 아크사고 전류의 rms 값을 줄이는데 공헌한다. 그러므로 안정된 상태하에서는 보통 8000A가 되는 지락사고가 단지 4000A의 유효 값으로 나타나는 것도 무리가 아니고 표38에서 지점2와 연관된 아크 에너지를 가지게 될 것이다. 480Y/277V 회로들에서 100V 아크강하의 가정하에서 kW.s, 혹은 kW cycle 단위로 허용손상치를 표현하는 것이 제시되어 왔다.
    최근의 조사에서 보통의 아크에 의한 표준배전반 내의 손상이 시간에 비례하고 지락사고 전류 크기의 1.5승에 바례한다는 것을 보여주었다. 그래서 변화하고 예측할 수 없는 사고전류에서 아크전압의 크기 문제는 배제될 수 있고 손상예측은 단순화되었다.
    이 연구에 따르면 특정한 손상이나 소손의 비는 ks = 손상된 부피 VD / 전류1.5 x 시간 [in3/A1.5s]
    여기서 ks = 0.72 x 10-6 (구리)
    ks = 1.52 x 10-6 (알루미늄)
    ks = 0.66 x 10-6 (철) 도체의 선정을 단순히 일정한 전류밀도에 따라 하기 때문에 (말하자면 800~1000 A/in2 라는 것이다.) 허용 손상치는 도체나 개폐기의 정격이나 단면적을 기초로 정해질 수 있다. 그래서 만약 IF1.5t + keIR 에 기초한다면 (여기서 IF = 사고전류, IR = 개폐기나 버스 정격 전류) 허용 손실치 VD = kskeIR 은 주어진 계통과 개폐정격에 대하여 상수로 사용될 수 있다.
    허용 손실치는 지락사고 보호장치를 적절한 전류와 시간으로 정정함으로 유지될 수 있다.

    예를 들어 만약 IR = 1000 A, ke = 250 [A0.5 s] (NEMA PB1.2-1977에 추정된 값 사용) 면,
    허용 손실치는 I1.5 t = 250 x 1000 = 0.25 x 10-6 [A0.5 s], 혹은 VD = 0.72 x 10-6 x 0.25 x 106 = 0.18 in3 (구리) 이고, 만약 차단기의 해소시간이 50ms를 초과하지 않는다면 그림 126(b)에 나타난 것과 같은 계전기 정정으로 도체들은 800A ~ 10,000A 사고에 대해 허용손실치를 초과되지 않을 것이다. 위의 계산은 277V 단상 시험 결과와 손실이 아크 사고 전류에 비례할 것이라는 가정에 기초하고 있다. 그러므로 그림 126(b)에 있는 결과를 참조할 때는 일부 신중을 기해야만 한다.
     
  2. 저압 지락 보호계전기의 정정 지락사고에 대해 최대한의 보호를 하려면 전원에서부터 부하까지의 모든 피더에 지락 보호계전기를 설치해야만 한다. 직렬로 연결된 모든 보호 장치의 최소 동작 전류는 같은 검출치로 설정될 수 있지만 동작시간 특성곡선은 각 회로의 보호장치가 전원측에서 부하로 갈수록 점차 빨리 회로를 차단할 수 있도록 선 정되어야 한다. 부하 개폐장치는 지락사고 발생과 동시에 동작되거나 잠시 지연 동작될 수도 있다. 부하차단 장치들 간의 지연시간은 첫째 과전류 장치의 트립 동작 시간, 둘째 과전류장치의 사고해소 시간, 셋째 안전율 등을 더하여 결정된다. 오늘날의 MCB나 Service Protector, 기중차단기, 전력차단기등의 트립 동작 시간은 보통 3㎐ 이하이다. 분권 차단스위치는 좀 더 길다. 최신 한류퓨즈는 자신의 한류범위내에서 동작될 때는 반 사이클 이내에 차단한다. 이러한 시간지연에 의한 보호협조는 다른 과전류의 보호협조와 유사하다. 그러나 구역 연동(Zone Interlocking) 이라고 부르는 새로운 방식의 보호협조가 정지형 계전기를 사용한 지락보호에는 적용될 수 있다. 손실을 최소화하기 위해서 지락사고는 사고의 크기에 관계없이 최대한 빨리 해소되어야 한다. Zone Coordination은 자신의 보호지역 내의 사고에 대하여 모든 지락 계전기들이 순시 트립 동작할 수 있게 하여 준다. 이때 상위 계전기들은 자기 지역 밖의 지락사고에 대하여 지연 시간까지 동작이 억제되어진다. 이 억제 신호는 단지 두 가닥의 선으로 하위 지역의 계전기들로부터 상위 지역의 계전기들로 Interlock 신호를 전달함으로 이뤄진다. Zone Interlocking은 단지 지락사고로 인해 문제가 되는 부분만 차단하기 위한 완전한 보호협조를 제공하면서 손실을 최소화하기 위해 가장 빨리 회로를 차단할 수 있도록 해 준다. 단지 손실의 측면에서만 본다면 차단의 속도가 가장 중요하다.
    그러나 약간의 지연이 필요한 경우도 있다. 이것은 일차적으로는 주회로(MAIN)와 분기회로 (Feeder), 그리고 분지회로(Branch) 사이의 보호협조를 얻기 위해서 필요하다.
    3000A의 Main과 800A Feeder 그리고 100A의 Branch를 가진 전형적 인 480/277V 회로를 생각해 보자. 만약 Branch회로가 지락보호장치를 구비하고 있지 않다면 Feeder의 지락보호장치는 Feeder회로 차단기를 Trip시키지 않고 Branch회로의 순시요소가 적당히 큰 지락전류를 해소시키도록 하기 위해 시간지연을 가지도록 정정되어야 한다. 완전한 보호협조가 필요한 경우에는 Feeder의 지락전류 검출값을 Branch회로의 순시치와 같게 정정하는 것이 요망된다. Feeder회로와 Branch회로 사이의 보호협조가 가끔씩 상실되는 것이 수용될 수 있는 반면에 Main과 Feeder사이에는 과전류보호에 대한 완전한 보호협조가 유지되는 것이 요망된다. 일반적으로 Main회로의 지락보호 장치는 0.1초(6 사이클) 보다 늦게 동작되지 않도록 정정한다. 적절한 정정은 돌입전류나 기동전류 및 개폐전류의 영향을 줄이고 피해가 되는 Trip을 방지한 다. Main이나 큰 Feeder에서 지락보호의 지연해소에 대한 또다른 이유는 사고 로 인한 손실정도의 차이보다도 전력상실 그 자체가 더 큰 영향을 주는 곳에서의 Trip의 위험이다. 요약하면 저전압 직접접지 계통에서의 지락보호 감도(최소동작전류정정)는 다음의 요소들을 고려하여 결정되어진다.

    (1)지락보호 장치가 모터와 같은 개개의 부하에 설치되는 경우 돌입전류에 의한 誤동작을 방지하는 한 가능한 최저치의 순시요소가 사용될 수 있다.

    (2)Main과 Feeder회로에 대해서 지락보호장치의 정정은 보통 Fuse나 회로 Trip값의 10 ~ 100% 범위 내에서 되어진다. 만약 하부의 회로가 민감한 Sensitive한 지락보호 계전기를 가지고 있지 않다면 완전한 보호협조를 기 대하기 위해서는 그 회로의 지락보호장치가 하부회로의 상 보호계전기의 특성보다 더 높게 정정되어야 할 것이다. 완전한 보호를 위해서는 정정값이 회로보호장치가 책임지고 있는 보호구역에서의 최소 추정 지락전류보다 다소 작아야만 한다.

  1. 감지장치, 계전장치 및 트립장치 (Sensing, Relaying, And Trip Devices)
    지락 보호장치들을 위한 신호는 상 변류기의 잔류회로나 Window형 변류기, 또는 센서들로부터 발생되어 진다. 변류기나 센서들은 주회로 버스와 계전기들 사이를 전기적으로 분리(Isolation)해 주고 모든 운전 조건하에서 적절한 지락 사고전류를 검출하기 위해서 특정한 위치에 설치되어야만 한다.
    센서들은 종종 하나의 시스템으로서 특정한 계전기나 트립장치들과 함께 사용되기 위해서 5A 나 1A 같은 일반적인 2차 정격과는 다른 값을 가지도록 설계 되어진다.
    만약, 그런 시스템의 한 부분으로 사용되어진다면 그 계전기는 일차 지락 사고전류로 환산되어 표시된 다이알을 가지고 있다. 지락계전기나 트립장치에는 자체 전력공급형(사고전류), 외부 전력공급형 (조작이나 트립전원) 혹은 조합형이 있다. 출력은 접점이나 정지형 (예를 들면 사이리스터)의 형이 있다. 적절한 용량의 보조변압기에서 나오는 AC제어전원을 사용하는 것은 600V나 그 이하 시스템에서는 일반적이며 때때로 커페시터 트립장치로 보완된다. 이때 제어전원 변압기의 1차측은 선간(lone-to-line)에 연결되어야 하는데 이는 지락 사고시 전압강하의 영향을 줄이기 위한 것이다. 과전류 보호장치을 위한 용량과 비상 제어전원으로의 절환도 검토되어야만 한다.
    보조나 백업 지락보호는 기기의 환경을 감시함으로 성취될 수 있다. 그런 시스템은 이온화된 가스와 비정상적인 빛이나 열 같은 지락사고에 의해 생성된 것들을 감지한다. 한가지나 여러가지의 지락사고 전류에 의해 생성된 물질을 일찍 검출하여 사고라인에 연결된 차단기를 트립시키는 것으로 사고 손실의 크기를 줄일 수 있을 것이다. 1차적인 지락사고 검출 장치가 불필요한 트립이나 보호협조 요구사항을 맞추기 위해서 비교적 높은 값으로 정정될 때 보조적인 검출이 특별히 필요하다. 환경 검출기의 효과를 최대화하기 위해서는 검출기의 선택, 기기 외함 내에서의 적절한 설치, 그리고 검출기의 설정에 주의를 기울여야 한다.

라. 빈번히 사용되는 지락사고 보호 회로구성 ( Frequently Used Ground-Fault Protection Schemes)

  1. 잔류회로 방식 (Residual Connection)

    잔류회로 방식으로 연결된 접지계전기는 고압 계통의 보호에 폭넓게 사용된다. 실제 지락전류는 CT에 의해 측정되는데 이 CT는 접지계전기가 지락사고 전류의 비례치에 응답하도록 상호 연결되어있다. 각각의 계전기들과 CT들을 사용하는 이 회로는 저압계통에는 잘 사용되지 않는다.
    그러나 차단기 내에 3개의 CT를 내장하고 그 CT들을 지락사고 보호기능이 있는 차단기 자체의 정지형 트립장치에 잔류회로 방식으로 연결시킨 저압 차단기들이 사용되기도 한다. 통상 사용되는 "잔류회로 (Residual)"라는 용어는 일반적으로 3상 계통의 결선에 적용된다. 다만, 간혹 단상이나 다 신호 혼용시에도 적용될 수 있다. 그림 127은 기본적인 잔류회로방식을 보여준다. 각 상 계전기는 상응하는 CT 의 출력회로에 연결되어 있는 반면에 Common이나 잔류회로에 연결되는 접지 계전기는 지락사고 전류를 측정하게 된다. 이 그림에서 보여주는 3상3선식 계통에서는 정상상태하에서의 합성전류가 영(Zero)이기 때문에 잔류회로 측으로는 전류가 흐르지 않는다. 이것은 상간 단락사고시에도 마찬가지이다. 지락사고 가 발생하면 전류가 상도체와 관련 CT를 통과해서 그 합성전류가 잔류회로측 에 흐르게 되고 계전기가 동작된다.
    4선식에서는 4번째 CT가 중성선에 연결되어야만 한다. 중성선 도체에는 형광등과 같은 단상부하의 비선형 인덕턴스에 의해 발생되는 영상 하모닉 전류뿐 아니라 단상 부하불평형 전류도 흐르고 있다. 중성선 CT가 없으면 그 중성선에 흐르는 전류가 지락 계전기에 의해 지락사고 전류로 인지되기 때문에 불평형 부하시의 트립을 방지하기 위해서는 그 지락 계전기의 감도를 충분하게 감소시켜야만 한다. 잔류회로 방식으로 연결된 계전기의 감도는 CT비와 계전기의 검출 정정치에 의해서 결정된다. 만약 아주 민감한 지락보호가 요구된다면 평형철심 방식 (Core-balance)을 고려해야만 한다.

  2. 평형철심 방식 (Core Balance)
    이 방식은 일차측 전류벡터의 합이나 플럭스의 합산에 기초하고 있다. 합산 후 만약 영상분이 남아 있다면 그 남아있는 영상분이 2차측으로 변환되어진다. 이 평형철심 변류기나 센서는 최근 몇 년간 도입된 여러가지 저압 지락보호 시스템의 기본이 되고 있다. (평형철심(Core Balance)변류기는 종종 영상변류기(Zero- Sequence Sensor)나 창문형 변류기(Window Type Current Transformer)로 불려지고 있으나 Ct의 기능을 더 정확히 설명한다는 점에서 "평형철심(Core Balance)"라는 용어가 바람직하다.) 평형철심 변류기 회로의 원리가 그림 128에 보여진다. 즉 주 도체들은 모두 Ct를 관통하고 도체들은 같은 자철심(Magnetic Core)에 의 해 둘려 쌓여진다. Core Balance CT들은 부스형을 포함하여 여러가지 다양한 형태와 크기를 가지고 있다. 평형이나 불평형, 혹은 단상부하전류나 지락을 포함하지 않는 단락회로시같은 정상상태하에서는 만약 모든 도체들이 적절하게 CT를 관통하고 있다면 모든 전류는 CT를 관통하여 흘러나가거나 되돌아오게 된다. 이 경우 CT 철심에서 발생되는 모든 플럭스의 합은 영(Zero)가 되고 따라서 지락계전기 쪽으로는 전류가 흐르지 않게 된다. 그러나 지락사고가 발생하면 지락사고 전류는 CT를 통과하지 않고 접지 도체를 통해서 되돌아오게 된다. 이때 CT철심에서 발생되는 플럭스는 지락사고 전류에 비례하게 되고 이 비례전류는 계전기 회로로 흐르게 된다.
    평형철심변류기에 연결된 계전기는 아주 민감하게 제작될 수 있다. 다만 CT의 철심을 포화시킬 수 있는 불평형 돌입전류나 지락을 포함하지 않는 사고전류에 의해서 오동작 될 수도 있으므로 주의해야 한다. 만약 상도체들만 CT를 관통하고 중성점 전류가 영(Zero)이면 변환된 전류는 부하의 영상전류나 중성점 전류에 비례하게 된다. Cable Shield와 같은 접지 도체가 있는 경우에는 상도체 만을 CT에 관통시키고 접지도체는 관통시키지 않아야 한다. CT와 계전기를 적절하게 맞추면 사용처에 알맞은 감도(Sensitivity)를 얻을 수 있다. 계전기는 손상을 최소화하기 위해 동작이 빨라야 하고 또 선택성 (Selectivity)을 확보하기 위해서 전류나 시간 혹은 양쪽 다 조정 가능해야 한다. 지금은 많은 지락 보호 시스템들이 평형철심변류기 (Core Balance CT) 와 함께 동작되도록 특별히 설계된 정지형 계전기를 가지고 있다. 그림 130(A)는 고압실드케이블의 전형적인 단말처리 방식을 보여준다. 케이블이 평형 철심변류기를 통과하도록 포설된 후 케이블 피복을 벗겨 실드테이프나 편조선을 노출시킨다. 그 실드들을 모두 연결한 후 그 실드의 리드선이 다시 CT를 통과하여 빠져 나오게 한 뒤 접지에 연결시킨다. 이 사항은 실드가 CT를 관통하여 포설된 경우에만 주의하면 된다. 단도체 케이블에서는 여러 개의 실드접지사이에 종종 케이블의 전류용량을 감소시킬 만한 크기의 순환전류를 유발하는 전위가 존재한다. 평형 철심변류기를 적용할 때는 측정회로에서 이 순환전류의 영 향이 상쇄되어져야만 한다.

  3. 접지귀환 (Ground Return)
    접지귀환 계전 방식이 그림 13(B)에 보여진다. 지락사고 전류는 중성상BUS와 접지BUS 사이에 있는 CT를 관통하며 귀환된다. 피더 회로에 대해서는 Busway나 Conduit의 경우에 절연 구간이 도입될 수 있는데 이때는 지락 전류를 전달하기 위해서 Bonding Jumper를 사용하여 절연물을 건너뛰어 연결한다. 이 Jumper선이 관통하는 CT가 지락전류를 검출하게 된다. 그러나 이 방법은 절연 결합의 유지의 어려움과 여러 개의 자락 귀환로가 발생할 수 있는 가능성 때문에 부하회로에 대해 추천할 만한 방법이 되지 못한다.

  4. 지락 비율 차동방식 (Ground Differential)
    이 일반적인 용어는 벡터나 대수차나 신호의 합산등을 사용하는 다양한 Scheme 에 대하여 적용되어 진다. 이 전류는 이전에 토의되었던 어떠한 방법에 의해서도 발생될 수 있다.
    예를 들어 그림 129(a)는 단상 중앙 탭 부하에 대한 지락 비율차동 방식을 보여 주는데 이는 잔류회로 방식과 유사하다. 또 하나의 평형 철심변류기가 복수의 부하들에서 지락사고를 검출할 수 있다.(그림 129b) 지락비율차동 계전방식은 이 방식 고유의 선택성 때문에 주 BUS 보호에 효과적이다. 이 비율차동 Scheme (그림 129c)에서는 평형철심변류기들이 각 각의 Outgoing Feeder들에 설치되고 또 다른 보다 작은 CT가 변압기의 중성점과 접지 사이에 설치된다. 이러한 배치는 부하CT와 합쳐서 트립을 유발시키지 않으면서 낮은 지락전류에 민감하게 만들어질 수 있다. 모든 CT는 Differential Zone의 외부에서 발생되는 중대사고에 의한 우발 적인 트립을 방지하기 위해 매우 주의 깊게 선정되어야 한다. Bus Differential 보호는 단지 CT 사이의 지역만 보호하고 부하사고에 대한 후비 보호 기능은 제공하지 않는다.

  5. 보호회로의 감도 (Circuit Sensitivity)
    지락사고의 검출의 감도에 영향을 주는 요소들에는 다음과 같은 것들이 있다.
    (1)서지어레스터, 실드케이블 및 전동기 권선에 의해 빠져나가는 회로의 충전전류
    (2)공급측과 분기회로 사이의 보호협조 단계의 수
    (3)보호협조시스템에서 잔류회로 방식으로 연결된 계전기들의 CT의 1차 정격과 정밀도
    (4)잔류회로 방식으로 연결된 계전기들을 위해 사용된 CT들이 그 계전기들과 얼마나 잘 조화되는지 여부
    (5)CT의 부담, 특히 계전기를 잔류회로 방식으로 연결하였을 경우 중요함. 정 지형 계전기나 일부 유도원판형 계전기들도 0.1A 탭에서 40 OHM의 부담을 가지고 있음.
    (6)최대 Through Fault Current와 그 전류값이 상 계전기를 가지고 잔류 회로 방식으로 결선된 CT에 미치는 영향
    (7)사고 접촉 저항
    (8)평형철심 변류기 내에서 도체의 위치      

마. 대표적인 적용 방법들 (Typical Applications)

  1. 主주회로에서만 지락보호를 하는 경우 (Ground-Fault Protection on Mains Only)
    이 방식을 적용한 예를 그림 131에 보이고 있다. 여기를 보면 장한시와 한시 트립 기능을 가진 3000A 주회로 차단기가 있고 장한시와 순시 트립 기능을 가 지고 있는 1200A 분기차단기와 열동 순시트립 장치가 있는 분지 MCCB가 있다. 주회로에 대한 지락사고 보호장치는 만약 비교적 평평한 특성과 약0.2초의 지연기능이 주어진다면 분기와 분지 차단기의 순시 트립요소와 균형을 이루게 될 것이다 (보호협조). 문제는 최소 지락사고 검출 값을 어디에다 맞출 것인가 히는 데에 있다. 모든 분기회로들과 완전한 보호협조를 위해서는 정정값이 6000A를 넘어야 한다.(가장 큰 분기회로의 순시 정정 값 보다 커야 함) 그러나 이 값은 명백하게 너무 높고 규격에도 맞지 않다. 회로의 지락 사고를 확실하게 보호하려면 검출 값이 약 200A 정도가 되어야 한다. 이 값은 A 지점에서의 200~1000A 사이의 지락사고에 대한 보호협조가 상실되고 B지점에서도 200~6000A 사이의 지락 사고에 대한 보호협조의 상실을 초래하게 된다. 따라서 주회로에서 검출값 을 200A로 설정하게 되면 비록 아크지락사고를 확실하게 보호할 수는 있을지라도 지금까지 분기차단기나 분지차단기에 의해 보호되던 그런 사고들에 대해 서도 주회로 차단기가 트립되는 사태를 예상할 수 있다. 간단히 말해서 상당한 정도의 보호협조가 상실되는 것이다. 일부의 경우에 있어서만 이러한 보호협조의 상실이 허용될 수 있다. 이러한 환경하에서 최선의 정정값은 약 1200A 정도로 최소 검출 값을 선정하는 것이다. 이로써 가장 심각한 아크 지락사고에 대한 보호 수단을 가지게 되고 단 지 1200~6000A 사이의 지락사고에 대한 보호협조만 상실하게 되는 것이다. 이 상의 구성은 아주 일반적으로 사용되고 있지만 여전히 하나의 타협안임을 분명하게 짚고 넘어가야 하겠다.

  2. 주회로와 분기회로에 대한 지락 보호방식 (Ground-Fault Protection on Mains and Feeders)

    이러한 방식에 대한 예를 그림 132에 보였다. 여기서는 3000A의 주회로와 대 략 400~800A 이상의 모든 분기회로가 지락보호 장치를 가지고 있다. 이 방식에 서 주회로는 400A의 최소 검출 값과 0.3초의 지연시간을 가지도록 정정되고 각 분기회로는 200A의 최소 검출 값과 0.1초의 지연시간으로 정정되어 있다. 이 예 에서는 주회로 차단기가 각 분기회로와 완벽한 보호협조 관계를 가지고 있다. 또한 주회로와 분기회로는 모두 적정한 아크사고 보호기능을 제공하기에 충분히 낮은 정정 값을 가지고 있다. 분기회로와 분지회로 사이에서의 보호협조가 일부 상실되지만 이것은 많은 경우에 허용될 만한 것으로 보여진다. 보다 나은 보호방식은 사고난 구역에서 순시트립이 가능함으로 손실의 정도를 줄일 수 있게 되는 "구역선택 연동 계전방식"(Zone-selective Relay Interlocking)을 적용함으로 얻어질 수 있다.

  3. 主주회로에서만 지락보호를 하는 경우 (Fuse가 사용되는 계통)

    그림 133(A)는 1200a 지락 검출 값을 가진 Fuse 적용 계통을 포함하고 있으면서 그림131의 그것과 비슷한 상황을 나타내고 있다. 이 정정값은 200a Fuse와 분기회로 전등차단기 간의 보호협조를 이루게 되지만 800a 분기 Fuse들과의 보호협조는 희생된다.

  4. 지락사고 보호협조 (Ground-Fault Coordination)

    지락사고에 대한 보호협조를 구성하는데는 여러가지 방안들이 있다.
    한가지 방안으로 자신의 구역 내의 지락사고로 인해 동작할 때는 모든 구역에 있는 장치들이 최소 소요 시간에서 동작되도록 할 뿐 아니라 주회로와 분기, 및 분지회로들 사이에 적극적인 보호협조를 구성하여 계통의 최소한의 부분만이 지락사고시에 개방되게 하는 "구역선택 연동 계전방식"이 있다.
    그림 133(b)에서 전형적인 보호협조의 배치를 보여주고 있다. 이 그림에서 계전기 3번은 시 지연 모드 계전기 2번의 동작을 억제하고 또 2번 계전기는 1번 계전기의 동작을 억제한다. 예를 들어 구역3번에서 1500A위 사고시에 계전기 3번은 회로를 개방시키기 위해 분지차단기로 0.03초 내에 트립신호를 보내게 된다. 사고 시점에 계전기 3번은 또한 계전기 2번으로 동작 억제 신호를 보내고, 계전기 2번은 계전기 1번으로 동작 억제신호를 보내게 되어 이 두 계전기가 사고의 지속 시간에 맞추어 동작되도록 한다. 계전기 2번은 만약 분지차단기가 지락사고 발생 후 0.2초 이후까지 회로를 개방하는데 실패할 경우에만 분기차단 기로 차단신호를 보내게 된다. 또한 계전기 1번은 분기차단기가 지락사고 발생 후 0.5초 까지 회로를 차단하는데 실패했을 경우에만 주회로 차단기를 동작시키게 된다.
    만약 1500A 지락 사고가 2번 위치에서 발생했다면 계전기 2번은 사고회로를 차단하기 위해 0.03초 내에 분기차단기에 신호를 보내게 된다. 역시 사고의 시점에서 2번 계전기는 계전기 1번으로 동작억제 신호를 보낸다. 이번에도 계전기 1번은 분기차단기가 지락사고 발생 후 0.5초 까지 회로를 차단하는 데 실패했을 경우에만 주회로 차단기를 동작시키게 된다. 만약 1500A 지락사고가 1번 위치에서 발생하면 계전기 1번은 0.03초 내에 주회로 차단기에 트립 신호를 보낸다.
    이러한 형태의 계통 보호협조는 지락사고 지점에서 가장 가까운 회로 차단장치가 순간적으로 (0.03초) 동작 신호를 받도록 하며 후비보호 계전기만 時지연을 가지도록 한다. 회로 차단장치의 동작시간도 완전한 계통 보호협조를 위하여 고려되어야 한다. 이 시스템은 연속적인 보호단계에 있는 각 계전기들 간에 한 쌍의 제어전선을 필요로 한다. 이 제어전선은 통상 제어전선에 발생할 수 있는 사고에 노출되어 있다. 이러한 사항도 구역선택 연동 계전방식의 적용시에 고려해야만 한다. 지락사고의 보호협조에 대한 또 다른 접근 방법은 아크로 인해 지락사고 전류의 크기가 매우 줄어드는 소전류 아크사고의 보호방식에 기초하고 있다. 이 방식에서 후비보호 장치로는 표준 時 지연 관전류 계전기가 적용되고 있다. 이 방 식은 그림 133(c)와 (d)에서 곡선 B1 과 B2에 의해 보여지고 있는데 여기서 이 방식의 보호범위가 두 가지의 일반적인 지락보호 방식들과 비교되고 있다. 곡선 C1과 C2는 고정지연 (fixed-delay) 정지형 지락계전기의 트립 특성을 나타내고 곡선 A1 과 A2는 특수한 전자기계형(electromechanical) 지락계전기를 나타낸다. 두 가지 모두 1200A의 최소 검출값으로 정정 되어있다. 곡선 B1 과 B2는 강반한시 (very inverse) 트립 특성을 가진 표준 전자기계형 과전류 계전기의 트립 특성을 나타내지만 72A의 최소 검출값에 동작하도록 정정되어 있다. A와 C의 지락계전기는 낮은 지락사고 전류에 민감하지 않고 비정상적인 트립을 일으키지 않을 것이고 1000~20000A 범위에서 상 과전류 계전기를 후비보호한다. 그러나 그렇다고 그 계전기들이 실제적인 보호기능을 제공하는 것은 아닐 것이다. 480V 지락사고에서 아크를 일으키는 특성을 연구해온 많은 참고 문헌들이 있다. 지락사고 전류의 크기를 제한하는 90~140V 아크가 종종 측정되어져 왔다. 일부 논문들은 아크사고의 손상 정도를 1800, 2000 혹은 10,000 kW Cycle Energy Limit 와 같은 것으로 다루어 왔다. 1800kW cycle 과 10,000 kW cycle 곡선들이 그림 133 (c) 와 (d)에 보여지는데 이 는 100V 아크와 주로 저항분인 아크전류에 기초한 것이다.

    (1)사고 에너지 = Varc x IF x time
    (2)사고 에너지 = 100 x IF / 1000 x 60t kW cycles
    여기서 Varc = 100 arc V T = s IF = 지락 사고 전류
    (3)만약 사고 에너지 = 1800 kW cycles = 6(IF x t)kW cycles
    그러면 IF x t = 1800 / 6 = 300
    예를 들면 IF = 100A 면 t = 3s IF = 1000A 면 t = 0.3s IF = 10000A 면 t = 0.03s

    Log-log 좌표로 그리면 경계점들의 궤적은 직선이고 이것은 강반한시(very inverse)나 초강반한시(Extreamly Inverse)형의 지락 계전기와의 보호협조를 위한 이상적인 기준을 만들어 준다. 10,000kW cycles 손상에 대한 계산도 같은 방법으로 전개된다.
    그림 133(c)와 (d)를 다시 참조하면 지락계전기 B형의 정정값이 비전동기 부하와 전동기 부하 모두에 대해 아크지락사고에 의한 손상을 제한하는 반면에 지락계전기 A와 C형은 아주 작은 지락사고 전류 ((<1000A)는 허용하고 있다. 그런데 구성B는 그림 133(e)에서 보여지는 것 같이 30A 이상의 MCC 분지회로와 15마력 이상의 전동기 분지회로에 지락계전기가 설치되지 않는 한 1000A 이하에서 보호협조를 상실한다.

  1. 대체 전원이 있는 계통의 지락사고 보호 (Ground-fault Protection Of System With An Alternate Power)

    신뢰성(Reliability)과 잉여성(Redundancy)에 대한 통상적인 고려사항들에 따르면 두 번째 상용전원 회선이나 자체의 엔진발전기등의 중성점을 접지하는 것이 득이 될 수 있다. 그러나 이것은 적절한 조치가 취해지지 않으면 문제를 일으킬 수 있는 다중접지를 만들게 된다.
    예를 들어 3로 절환 스위치로 부하를 상용전원 측이나 엔진 발전기측으로 절체시키는 전형적인 3상4선식 비상 전원 시스템을 생각해 보자.
    여기서 지락보호 장치는 상용전원의 인입측에 설치되어 있다. 그리고 상용전원과 엔진 발전기의 중성점은 별도로 접지되고 또한 서로 연결되어 있다. (연속된 중성선) 이러한 경우 다중접지로 인해 두 가지 문제점이 발생할 수 있다. 하나는 계통의 어떠한 곳에서든 지락사고가 났을 때 발생한다. 지락사고가 발생하면 그 사고전류는 두개의 통전로로 흐르게 된다. 기기의 접지도체를 거쳐 상용전원의 중성점으로 바로 가는 통전로 하나와 기기의 접지도체를 거쳐 엔진발전기의 중성점으로 가서 연결된 중성선을 타고 상용전원의 중성점으로 되돌아 가는 또 다른 통전로가 그것이다. 후자의 통전로는 지락 사고 센서를 작동시키지 않게 되고 이로 인해 전체 사고전류를 완전히 감지하지 못하게 되는 것이다. 다른 문제는 부하가 불평형한 경우에 귀로 중성상 전류가 두개의 통전로로 흐르게 되는 것이다. 이 전류는 중성상 도체를 통해서 전원 중성점으로 바로 가거 나 기기 접지도체와 증성점 연결도체를 통해서 전원 중성점으로 돌아 갈 수도 있다. 후자의 통로로 흐르는 전류는 지락사고 센서에 지락사고 전류와 같은 영 향을 미치고 또 이러한 목적을 위해 설치되지 않은 기기 접지도체를 통해서 흐르게 된다. 만약 두번째 통전로가 충분히 낮은 임피던스를 가지고 있다면 비록 지락사고나 단락사고가 발생하지 않았어도 불평형 부하로 인해 지락사고 센서로 하여금 차단기를 트립 시키게 할 수 있다. 이를 해결하기 위해 단독접지나 4극 절환스위치, 중첩되는 중성 접점들 혹은 절연 변압기 등의 많은 해결책들이 있다. 모든 경우에 있어서 절환스위치의 두 가지동작모드와 적절한 구역 보호와 지락사고 보호기능의 제공 및 NEC 규정과 일치는 고려되어야만 한다.
    (1)단독접지는 위에 제기된 문제들을 해결하고 단순한 계전방식이 가능한 방법이다. 기본 구성은 그림 141에 보여지는데 복수 상용전원이나 연속 중성선을 가진 상용전원-발전기 전원 계통에 사용될 수 있다. 이 방법은 가장 일반적으로 발생하는 상과 접지(외함) (Phase-to-ground) 간에 발생되는 사고 뿐 아니라 계통에서의 상과 중성선(Phase-to-neutral) 사고 (Failures)도 감지하도록 수정될 수 있다. 그러나 이 방법은 설비 내에서의 전력파괴 (Power Disruption)의 가능성과 비접지 비상전원으로 부하를 절환하는 것에 대한 고려가 필요하다. 또한 절환스위치가 비상전원측에 있을 때의 지락사고 상태가 상용전원측의 차단기를 불필요하게 트립시킬 수도 있다.
    (2)계통 전체에 4극 절환스위치를 사용하면 상용전원과 발전기의 중성선을 완전히 분리하는 것이 가능해 진다. 이것은 적절하지 않은 지락사고 검출과 별도의 접지를 하는 것에 의한 불필요한 트립의 가능성을 배제하게 해준다. 이렇게 하는 경우에 발전기는 NEC의 "별도로 된 계통에 대한 정의"에 부합되어야 한다. 그러나 중성선의 순간적인 개방은 전압 서지를 일으킬 수 있다. 더구나 4번째 극의 접점이 전류를 차단하기 때문에 아크가 발생하고 또 접점이 부식된다는 것을 기억해야 한다.
    (3)상용전원과 비상용전원을 분리하는 방법의 변천은 중성상 절환 중첩접점을 가지고 있는 자동 절환 스위치로 귀결된다. 이것은 중성상들을 분리하는데 필요한 기능을 제공하고 그와 동시에 비정상적인 개폐전압을 최소화한다. 중첩접점들로 인해 상용과 비상용 전원의 중성선들이 연결되는 시간은 절환 과 복귀 시점뿐이다. 재래의 쌍투 절환 스위치의 경우 이 시간이 보통 6~24 cycle로 정정되는 지락사고 센서의 동작시간 보다 더 짧을 수 있다. 4극 절환스위치의 경우에서처럼 재래식 지락사고 검출은 비상전원측에도 쉽게 추가될 수 있다.
    그림 133(f)는 중첩접점들에 의한 분리와 차단기를 트립시키지 않고 경보회로를 동작시키도록 비상전원측에 설치된 지락사고 검출회로를 보여준다. 만약 필요하다면 지락사고시 비상전원도 트립되도록할 수 있다.
    (4)3상4선의 중요부하가 다른 부하에 비해 비교적 적은 경우에는 때때로 절연변압기를 사용할 수 있다. 이것은 두개의 전원이 3상3선 식으로 절환 스위치에 연결되고 △-Y 절연변압기는 절환스위치와 4선식 부하 사이에 삽입된다. 중요부하의 불평형이 상용전원의 지락보호 장치에 영향을 미치지 않고 더 나아가 지락사고 전류는 D-Y 변압기를 통해서 전달되지 않는다. 2 차에서의 지락사고로 인해 1차 전류의 어떠한 증가도 1차측 보호장치에 의해 단순히 과부하로 인식된다. 절연변압기 2차측의 회로들은 사고전류 감소로 득을 보게 되지만 변압기 2차가 접지되어 있다면 그들 자신의 지락사고 보호가 필요할 수도 있다. 절환스위치가 부하의 바로 전단에 있지 않기 때 문에 절연변압기의 사고시에 비상전력 공급이 보장되지 않는다.  

바. 특수한 용법 (Special Application)

  1. 지락사고의 발생개소 및 위치 확인 (Ground-fault Identification And Location)

    직접접지 계통에서 지락사고가 발생하면 일반적으로 손상을 줄이기 위해서 회로를 차단하게 된다. 따라서 많은 계전기들과 트립장치들은 사고가 발생한 회로를 확인하기 위한 표식이나 램프표시기들을 가지고 있다. 再가압하기 전에 필요하다면 기기나 도체를 조시하고 수리해야만 한기 때문이다.
    3선식 비접지 Y나 △ 계통에서 사용되는 재래식 지락 사고 검출방식은 3개의 전압변성기에
    (1) 지락 검출 램프,
    (2) 지락 검출 전압계,
    (3) 지락 경보 계전기를 연결한 것을 사용하고 있다. 각 상에서 접지로 연결된 전압변성기의 존재는 그 자체로 위험한 과전압을 유발시킬 수 있는데 이는 검출기가 검출기이면서 또 한 접지 메커니즘이 되기 때문이다. 과도 과전압 발생의 가능성을 줄이기 위해서 종종 高저항접지가 사용되고 있는데 이는 ANSI/IEEE 142-1982에서 자세히 설명되어 있다. 高저항 접지를 사용하는 기본적인 이유는 1차 지락사고가 발생할 때 차단기를 트립시키지 않으려는 것이다. 계통에서 지락사고가 발생한 채로 운전을 하는 것은 필연적으로 실제적인 위험을 초래하게 되는데 따라서
    (1)계통운전이 허용하는 한 빨리 그 사고 지점을 찾아내고,
    (2) 첫번째 사고가 해소되기 전에 두번째 사고가 발생하는 것을 막기 위한 별도의 지락 사고 방지 대책을 시행하는 것이 중요하게 된다.
    高저항접지방식을 적용하는데 있어서 접지회로의 저항은 적어도 계통의 충전전류와 같은 크기의 전류를 접지회로에 흘릴 수 있는 크기여야 한다.
    그림 142는 중성점 저항과 지락 경보 계전기를 구비한 전형적인 高저항접지계통을 보여 주고 있다. 이와 가장 유사한 방법으로는 배전변압기를 사용하여 그것의 2차측 에 저압 저항을 연결하여 사용하는 것이 있다. 각 분기회로에는 낮은 비율의 평형철심 변류기와 전류계 또는 밀리전류계가 설치되어 있는데 이는 사고회로를 파악하기 위한 것이다. 이 스킴에서는 자동으로 트립이 되지 않는다. 각 분기회로에 전류변성기와 전류계를 다는 대신에 그림 143에 보이는 것과 같이 펄스를 발생시키는 접지회로를 배치하는 것도 가능하다. 펄스를 발생시키는 회로는 수동으로 동작되고 1초에 한번이나 두 번씩 저항 값을 최대치의 약 50~75%로 줄이도록 동작한다. 이것은 지락사고 전류가 각 분기회로의 도체를 감싸는 클램프-온 전류계에 의해 검출되기에 충분한 변화를 일으킨다. 만약 지락사고가 즉시 해소되지 않는다면 두번째 사고의 발생으로 인해 보다 위험한 상태가 될 수 있다. 이는
    (1) 건전상의 정상전압이 상승하고
    (2) 처기사 고가 저항접지에도 불구하고 일부 과도 과전압을 유기할 수 있는 간헐성으로 될 수 있어서 두번째 사고가 발생할 높은 개연성이 있기 때문이다.
    그림 144는 분기회로의 접지 계전기들이 다른 피더에서 두번째 사고가 발생시 어떻게 트립되는 가를 보여준다. 피더 지락계전기들은 최대 초기 지락사고 전류치 보다 더 높은 값에서 검출하도록 정정되어 있다. 예를 들어 4.16Kv 계통에서 300Ω의 저항은 지락사고 전류를 8A로 제한하게 된다. 이때 지락 경보계전기는 5A 나 더 낮은 값에서 검출하도록 정정될 것이다. 피더 접지 계전기들은 단상 지락사고 전류 값 보다 더 높은 전류치, 아마도 10~15A 에서 검출하도록 정정된다.
    일부 엔지니어들은 접지변압기 (혹은 표준 배전변압기)와 결합된 저전압 접지저항의 사용을 선호한다. 그림 145(a)와 (b)는 접지변압기가 (a) 3선식 접지 Y 계통과 (b) 3선식 접지 △계통에서 어떻게 사용되는지를 보여준다.

  1. 스포트 네트웍에 대한 적용 (Spot Network Application)

    Spot Network은 일부 상용전원 회선의 상실에 대비하여 전원을 연속적으로 공급 되도록 하기 위하여 사용된다. 이 네트웍 구성은 다음과 같다. 각각의 전원공급 피더들은 각 변전실에 있는 하나의 네트웍 변압기에 연결된다. 그리고 각 변전실에 있는 모든 변압기들의 2차는 수요자의 공급 배전반(Service Switchgear)가 연 결되는 네트웍 서비스 버스에 병렬로 연결된다. 그림 146은 물리적으로 분리된 3개의 공급 배전반에 전력을 공급하는 3변압기형 스폿네트웍에서의 지락사고 보호 방식의 한 유형을 보여주고 있다. 지락보호 장치는
    (1) 각 배전반의 분기회로와
    (2) 각 배전반의 주회로
    (3) 한 변전실에서 사고가 발생할 경우 모든 네트웍 보호장치를 트립시킬 계통의 중성점에 설치된다.
    그러나 모든 전력회사들이 수용가 계전기로 하여금 네트웍 보호장치를 트립 시키도록 허용하는 것은 아니다. 인가된 전형적인 설치방법에 의하면 피더 지락계전기들은 약 0.1초에 트립되도록 정정되고, 주회로 계전기들은 0.3초 에 그리고 네트웍의 각 변전실 계전기들은 약 0.5초에 정정된다. 변전실 계전기들이 변전소 내의 사고시에만 동작하도록 하기 위해 그 변전소의 계전기에 대한 최소동작 전류 정정은 수용가 배전반에서의 정정치보다 실제적으로 높게 정정한다. 비록 그림에서는 보이지 않지만 각 공급 배전반은 중성 버스에서 접지 버스로의 연결을 포함하고 있어야만 한다. 수요자 공급 배전반에서 2차 선택의 유연성을 확보하는 것이 필요한 곳에서는 때때로 그림 147에 보여지는 형태로 계통을 구성한다. 여기서 주회로 지락센서 (변류기)를 적용하는데 주의를 기울여야 한다. 만약 지락 센서가 모든 상과 중성 을 포함하도록 설치된다면 수요자 버스 중 한 곳에서의 사고로 인해 항상 두개의 주회로 차단기가 모두 트립될 것이다.이것을 피해가는 한가지 방법은 주회로 센서를 상 회로만 포함하도록 설치하는 것이다. 이러한 방법은 지락계전기의 최소 동작전류를 중성선 정상전류를 초과하는 값으로 정정해야 한다는 것을 제외하고는 적절한 선택성을 제공하게 될 것이다. 이 중성선 정상전류는 단상부하 불평형분과 비역열전등 시스템에 의해 발생되는 3고조파로 구성된다. 이 경우1000~2000A의 정정이 필요할 것이다. 이러한 시스템에서 NEC의 최대 정정치 1200A의 규정을 맞추기는 어려울 것이지만 그럼에도 불구하고 2차회로의 선택성을 주는 배치 방법은 수용될 것이다.
    그림 148에 실제 적용되고 있는 또 다른 형태의 변전실 배치가 보여지고 있다. 여기서 변전실은 두개로 분리되어 있다. 이러한 형태의 이점 중 하나는 변전실사고로 인해 수용가로 가는 전체 전력공급이 중단되지는 않을 것이라는 것이다. 지락사고 보호는 그림 146에 보여진 것과 거의 같다.