안전 절연으로 사용자 및 전자 계측기 보호

안전과 생산성을 위한 세이프티Ⅱ

제조업체와 소비자 모두에게 중요한 안전 절연의 목적은 위험한 회로와 과도 소스를 사용자로부터 물리적으로 분리하고 제품 및 그 주변을 보호하는 것이다. 제조업체는 소비자를 적절히 보호해야 하며, 소비자는 제조업체의 사양을 해석할 수 있어야 한다. 설계 엔지니어는 잠재적 안전 절연 취약성을 해결하고 성공적인 시험소 인증을 보다 효율적으로 보증하기 위해 안전 절연 규정 및 테스트 요구사항을 이해해야 한다. 소비자는 성능과 안전을 염두에 두고 구매 결정을 내릴 때 안내 지침이 될 안전 인증에 의존해야 하는 경우가 종종 있다.
자료제공·한국내쇼날인스트루먼트(www.ni.com/korea)

“안전 절연 규정 및 테스트 요구사항 이해로 잠재 적인 안전 절연 취약성을 해결할 수 있습니다.”

안전 절연은 제조업체 및 소비자 모두에게 중요하다. 안전 절연의 목적은 위험한 회로와 과도 소스를 사용자로부터 물리적으로 분리하고 제품 및 그 주변을 보호하는 것이다. 제조업체는 소비자를 적절히 보호해야 하며, 설계 엔지니어는 잠재적 안전 절연 취약성을 해결하고 성공적인 시험소 인증을 보다 효율적으로 보증하기 위해 안전 절연 규정 및 테스트 요구사항을 이해해야 한다.
소비자는 제조업체의 사양을 해석할 수 있어야 하며, 성능과 안전을 염두에 두고 구매 결정을 내릴 때 안내 지침이 될 안전 인증에 의존해야 하는 경우가 종종 있다. 이 글에 나오는 절연 원칙은 IEC 61010-1(테스트/측정 계측기용) 및 IEC 60950-1(정보 기술 장비용)에 대한 제품 안전 표준을 기반으로 한다.
측정 계측기의 전압 기능을 증가시키는 것은(종종 1000V 이상) 우려할 만한 일인데 그 이유는 사용자가 심하게 감전되거나 화상을 입을 수 있으며, 계측기 및 그 주변이 화재 피해를 입을 수 있기 때문이다.
다른 위험으로는 폭풍 중에 번개로 인한 빌딩의 배전 시스템 내에서 발생하는 갑작스러운 과도 전압 및 중장비, 모터 및 장치 스위칭에서 발생하는 전력 서지가 있다. 몇몇 마이크로초 만큼 짧게 지속되는 1500V 이상의 수명이 짧은 과도 전압도 제품의 반도체 장치를 손상시키고 데이터 통신을 변경시키며, 성능을 저하시킬 수 있다.
제품 사용자는 고전압과 관련된 위험 잠재성을 과소평가해서는 안된다. 해마다 전기로 인해 30,000건이 넘는 직장 부상 및 1000건이 넘는 작업 중 사망이 발생하고 있다. 대부분이 가벼운 쇼크의 불쾌감에 익숙하긴 하지만 심각한 감전은 심실 세동 및 심장 정지를 초래할 수 있다.
다양한 심각도의 쇼크와 화상은 가장 일반적인 상해다. 기타 상해는 물체와의 충돌이나 넘어져서 생기는 타박상, 골절 및 부상의 원인이 되는 불수의근 반응(Involuntary Muscle Reaction)을 비롯해 사고의 연쇄 반응을 일으키는 촉발제 역할을 하는 전류로 인해 생길 수 있다. 전기적 위험의 가능한 영향을 제대로 이해하면 이러한 상해를 일부 예방하는데 도움이 될 수 있다.
기초 전자공학에 따르면 전기 회로에는 세 가지 속성, 즉 전압(전기력), 전류(전자 흐름) 및 저항(흐름의 억제제)가 있다. 전류는 가장 위험한 요소이며, 전압이 증가함에 따라 위험도 커진다. 절연체는 흐름에 저항하며 도체는 흐름을 허용한다. 모든 물체는 저항체 또는 도체이며, 전기는 접지를 향하는 최소 저항의 경로를 따라 흐른다.
인체를 통하는 전류 흐름의 영향은 전류 크기, 인체 저항, 지속 시간의 함수다. 인체는 전류가 안전 레벨보다 높을 경우 화상이나 쇼크를 초래할 수 있는 전류를 흐르게 할 수 있다.(표 1, 참고문헌 1)

표 1. 연속 60Hz 전류에 대한 임계값과 UL 한계값 및 그 영향

낮은 전류도 상해를 일으킬 수 있으며, 100mA가 인체를 2초 동안만 흘러도 사망에 이를 수 있다. 높은 전류를 초저전압(Extra Low Voltage: ELV)과 연결해도 심각한 상해를 일으킬 수 있다. 안전 표준은 다양한 절연 기법을 통해 전압, 전류 및 과도전압 레벨을 제한한다.
절연은 두 개 이상의 회로 간에 또는 회로와 액세스 가능 부품 간에 직접적인 전기 연결이나 도체가 없음을 의미한다. 절연의 목적은 과도 전압을 제한하고, 직접 연결 시 유해한 전압, 전류, 에너지 또는 전하의 흐름을 허용할 수 있는 전류를 전기적으로 분리하기 위한 것이다.
또한 절연은 허용되지 않는 전류가 회로 간에 잠재적 교류 또는 직류의 차이로 인해 흐르는 것을 방지해준다. 광절연체를 통한 광절연, 또는 변압기를 통한 자기적 절연을 통해 절연된 회로가 전류를 전달하거나 받게 된다.
30Vrms 및 42.4V 피크 또는 사용자 액세스 가능한 SELV (Safety Extra-Low-Voltage) 회로의 60V dc보다 큰 위험 전압 또는 ‘라이브 전압’을 절연하기 위해 안전 절연을 사용할 수 있다. 또한 안전 절연은 과도 전압 Arc-Over Or-Through 절연의 가능성을 사용자가 만질 수 있는 회로 및 외장으로 최소화시킨다.
갈바닉 절연은 가장 인기있는 방법이다. 변압기 및 광절연체는 갈바닉 절연의 예이다. 변압기는 권선 분리를 사용하여 입력의 전력을 출력으로 자기적으로 변환시킨다. 광절연체는 입력 신호를 빛으로 변환한 다음 이 빛을 다시 출력 신호로 변환시킨다.
제품의 정격 전압과 절연 전압을 명확히 구별하는 것은 중요하다. 제품의 정격 전압은 제조업체가 규정하고 있는 허용 가능한 연속 작동 전압이다. 절연 전압은 제품의 절연을 강조하는 품질검증 테스트 전압을 기반으로 한다.
절연 전압 테스트는 전선에 번개가 친다던가 제품 내의 절연 파괴 등 예측할 수 없는 사건이 발생할 경우 안전 절연이 적절한지 확인하는 짧은 테스트다.
예를 들어, 2300Vrms 절연 및 30V 정격의 제품은 30V까지만 작동할 수 있다. 이 경우 2300Vrms는 제품의 정격 30V 작동 한계를 넘어선다. 절연 전압은 안전 테스트 및 사양을 위한 것이다. 사용자는 절연 전압에서 제품을 작동해서는 안된다.
작동 전압은 제품이 정격 전압에서 작동 중인 경우 교류 및 직류 전압에서 가능한 가장 높은 rms(Root-Mean-Square) 값이다.

절연(ISOLATION & INSULATION)

사용자는 만질 수 있는 커넥터, 케이블 및 대부분의 제품에 있는 사용자 인터페이스 장치를 통해 전압 및 전류에 액세스할 수 있다. 전압은 안전한 한계값을 충족시켜 SELV가 될 수 있도록 직류 42.4V÷60 피크보다 작거나 같아야 한다.
SELV 회로는 접촉해도 안전하며 단일 장애 시 위험 전압으로부터 이중 절연되어 있다. SELV 회로는 아주 일반적이며, 제품 입력/출력 및 상호연결(예: 프린터, PC 키보드 및 통신 장치용 논리 회로)에 사용된다.
안전 표준의 요구사항은 액세스 가능 부품에 대한 허용 전압 및 전류 한계를 설정한다. 잠재적으로 유해한 전압, 위험한 라이브는 115/230V 교류 1차 회로와 같은 대부분의 장치 영역 및 이러한 레벨을 초과하는 전압에 연결된 측정 회로에서 42.4V 피크/60V dc보다 더 크다.
제조업체는 제품의 정상 작동 중 및 단일 장애(예: 부품 단락 회로) 중에는 사용자를 위험 전압으로부터 보호하거나 격리시켜야 한다.
제조업체는 절연을 위해 다양한 레벨 또는 유형의 절연체를 사용하며, 절연의 기반을 간격 또는 이격, 유전체 내성 또는 절연, 테스트에 둔다. 표준에는 필요한 간격, 연면거리(Creepage) 및 공간거리(Clearance)가 명시되어 있다.
연면거리는 PWB(Printed Wiring Board) 상의 두 개 트레이스 간에 또는 광절연체 표면 전체에서와 같이 표면에서 측정된 간격 거리다. 공간거리는 커넥터의 핀간(Pin-to-Pin)에서와 같이 공기를 통과하는 가장 짧은 거리다.
예를 들어, 피크 작동 전압이 300v인 250V 정격 제품은 PWB에서는 3~4mm의 연면거리가 필요하며, 다른 부품에서는 위험 전압과 비위험 전압 간에 6mm의 연면거리가 필요하다(그림 1).

그림 1.

유전체 내성 테스트에서는 지정 시간 동안 절연을 통해 견딜 수 있는 전압의 양을 측정한다(예: 절연 장벽에서 1분간 2300V rms). 이 글에서는 ‘절연(Isolation)’ 및 ‘절연(Insulation)’이라는 용어를 상호교환적으로 사용한다.
절연에는 기능(Functional), 기본(Basic), 부가(Supplementary), 이중(Double) 및 강화(Reinforced)의 다섯 가지 유형이 있다. 기능 절연은 제품의 기능을 보장하는 경우에만 필요하다. 기능 또는 작동 절연은 감전으로부터 보호하거나 절연하지 않는다. 기본 절연은 단일 레벨의 절연으로서 쇼크로부터 기본 보호를 제공한다.
부가 절연은 제조업체가 기본 절연의 장애 시 감전 위험을 줄여주도록 기본 절연과 더불어 적용하는 독립적인 절연이다. 이중 절연은 기본 절연 및 부가 절연 모두로 구성된다. 강화 절연은 이중 절연에 상응하는 감전 보호를 제공하는 단일 절연 시스템이다.
이중 절연, 강화 절연 및 기본 절연은 안전 절연에 가장 중요한 절연 유형이다. 안전 절연에 대한 최소 간격 요구사항은 위험 라이브에서 SELV까지는 이중 절연이고(예: PWB에서 3mm), 위험 라이브에서 안전 접지까지는 기본 절연이다(예: 접지 외장까지 1.5mm).
제조업체가 금속 외장 또는 접지 회로를 신뢰할 수 있게 접지하지 못할 경우, 위험 라이브에서 비접지 외장 또는 회로까지 이중 절연이 필요하다. 제품의 작동을 유지하려면 회로 간에 기능 절연을 사용할 수 있지만 안전 절연을 위해서는 기능 절연에 의존해서는 안된다. 위험 전압 회로 간에 기본 절연을 사용해야 하지만 요구사항은 해당 안전 표준, 제품 기능, 환경 및 테스트에 따라 다르다.
전기 방전은 공기를 통해(공간거리) 또는 표면을 따라(연면거리) 두 개의 전도성 부품 간에 발생할 수 있다. 절연재(예: PWB 및 부품 표면)는 퇴적물 또는 습기로 인한 악화, 오염, 화학물에 노출 시 부분적으로 전도성이 될 수 있다.
전도성 절연재를 통해 재료의 표면에서 전기적 추적 또는 연면거리가 가능하다. 공간거리는 전도성 부품 간에 공기 이온화로 인해 생기는 전기적 Arc-Over를 방지하는데 도움이 된다. 공기 이온화에 영향을 미치는 요인으로는 습기, 오염 및 온도가 있다.
또한 전기 방전이 부품의 공간이 없는 고체 절연을 통해 그리고 PWB의 내층에 있는 트레이스 간에 발생할 수 있다. 고체 절연 요구사항을 해결하기 위해 안전 표준에서는 간격, 유전체 테스트, 서지 테스트 또는 세가지 모두의 조합을 포함하는 감소된 레벨에서의 절연을 통해 거리를 규정할 수도 있다.
간격의 예로는 광절연체 입력-출력 핀 간격, 커넥터 핀-셸 간격, PWB 트레이스-트레이스 간격, 배선-외장 간격 등이 있다. 모든 연면거리, 공간거리 및 고체(공간이 없음) 절연 요구사항에 대해서는 항상 해당 표준을 참조(그림 1 및 그림 2).

그림 2.

안전 필수 부품에는 위험한 전압이 있으며, 제품의 안전 적합성에 영향을 미칠 수 있다. 위험한 전압 및 SELV 회로를 브리징 또는 절연하는 부품은 특히 안전성이 중요한데, 그 이유는 제조업체가 안전 요구사항에 부합하지 못할 경우 위험 전압에 사용자가 액세스할 수 있기 때문이다.
그림 1의 안전 필수 부품에는 광절연체, 250V 커넥터, PWB 및 각 250V I/O 라인의 퓨즈가 포함된다. 안전 필수 부품은 해당 부품 표준 및 최종 제품의 안전 요구사항에 부합해야 한다. 안전 필수 부품의 안전 마크로서 항상 적합성 증거를 요구해야 한다. CE(European Conformity) 마크는 독립적인 인증 또는 안전 승인 마크가 아니라 제조업체의 자체 선언 기호다.
따라서 안전에 대해 이 마크에 의존해서는 안된다. 가장 좋은 방법은 독립적인 안전 기관에 의해 테스트되고 절연 요구사항에 부합하는 것으로 승인된 안전 필수 부품만 사용하는 것이다. 미국에서는 UL(Underwriters Laboratories) 표준을 사용하고 EU에서는 EN(European Norms)과 IEC (International Electrotechnical Commission) 표준을 사용하기 때문에 안전 필수 부품에 두 개의 마크가 필요할 수 있다.
인증 기관으로는 UL, CSA(Canadian Standards Association), VDE(Verband Deutscher Elektringenieure), TUV(Tech- nischer ¨Uberwachungsverein, 즉 Technical Inspection Association) 및 Demko (Danmarks Elektriske Materielkon-trol)가 있다. 안전 필수 부품에는 변압기, 광절연체, 전원 공급기, 릴레이 및 퓨즈가 포함된다.

검 증

일단 제품의 간격 및 부품이 적절하면 절연 테스트를 수행하여 제품의 설계 및 생산을 검증하고 표준과의 적합성을 보장할 수 있다. 절연 검증을 위해서는 절연 내력 및 고전위로도 알려진 유전체 내성 테스트를 사용한다. 제품은 1분의 Vrms 또는 V 직류 테스트에 통과해야 한다. 이 테스터는 설계 검증을 위해 대표적인 테스트 샘플에 대해 1분의 테스트를 수행하고, 출하 전에 생산의 100%에 대해 1~2초의 루틴 테스트를 수행한다.
유전체 내성 테스트 값은 표준 간에 다소 다를 수 있다(예: 테스트 및 측정 계측기의 경우 1350Vrms의 기본 절연, 또는 250V 정격의 정보 기술 제품의 경우 1500Vrms의 기본 절연). 최종 제품의 절연이 가장 중요하고 제품 내 단일 부품에 대한 절연이 아닌 경우 제품 사양은 경우에 따라 부품 절연 사양을 나타낸다.
안전 접합성을 위해 추가 안전 테스트(예: 접지 도통 및 누출)가 필요할 수 있다. 관련 테스트 및 요구사항에 대해서는 해당 안전 표준을 참조. 다음 프로세스에서는 그림 1을 사용한 유전체 내성 테스트 방법을 한가지 설명한다.

1. 샘플 및 계측기 셋업
a. 48시간 동안 샘플에 대해 온도 및 습기 프리컨디셔닝을 테스트한다. 요구사항에 대해서는 표준을 참조.
b. 250V 회로를 다 함께 연결한다(T1).
c. 3.3~5V 회로를 다 함께 연결한다(T2).
d. 금속 외장에 연결 포인트를 설정한다(T3).
e. Vrms 또는 V 직류 값 전류(Vrms/120kΩ), 10초 이하의 램프 및 1분의 머무름 시간(Dwell Time)을 설정한다.

2. 테스트 1: 250V ~ SELV, 이중 절연
a. 테스트 계측기의 하나의 리드를 T1에, 나머지는 T2에 연결한다.
b. T1~T2에서 1분의 2300V rms 또는 3250V 직류 유전체 내성 테스트를 수행한다.
c. 통과/실패 결과를 기록한다.

3. 테스트 2: 250V ~ 외장, 기본 절연
a. 테스트 계측기의 하나의 리드를 T1에, 나머지는 T3에 연결한다.
b. T1~T3에서 1분의 1350Vms 또는 1900V 직류 유전체 테스트를 수행한다.
c. 통과/실패 결과를 기록한다.

이 테스트에서 금속 외장이 신뢰할 수 있게 접지되어 있지 않은 경우에는 2300Vrms 또는 3250V dc의 이중 절연을 대체하면 된다.
절연을 평가하거나 테스트를 수행할만한 전문지식이 부족할 경우에는 제품을 적격한 안전 시험소로 보내 평가와 인증을 받을 수 있다. 제조업체에서는 인증과 마크를 사용하여 위험을 제한하고 안전 적합성을 입증하며 시장 잠재성을 향상시키고 가장 중요하게는 소비자를 보호할 수 있다.
제품이 절연 및 기타 안전 요구사항에 부합함을 보증하는 가장 좋은 방법은 안전 마크가 부착된 인증된 제품을 구입하는 것이다. 안전 마크는 절연 및 안전 적합성을 입증하는 증거다. 정격이 42.4V 피크보다 크거나 절연 요구가 400Vrms보다 큰 경우에는 제품에서 이러한 안전 마크를 찾아야 한다.
안전 절연은 정보기술 및 측정 제품과 사용자를 전기적 위험으로부터 보호한다. 정보기술 및 측정 계측기는 의도대로 작동하며 절연 해당 안전 규정에 따라 이들 제품을 설계할 경우 안전한 것으로 간주된다.

그림 3.

그림 3에서는 일반 250V I/O-측정 시스템과 관련된 절연 및 사양의 기초를 보여준다. 이 회로에서는 안전 절연 유형을 우선 순위 대로, 즉 채널-버스, 채널-접지 및 채널-채널의 순서로 나타냈다.
이중, 강화 절연 장벽은 위험 라이브를 비위험 전압에서 분리시킨다. 42.4V 피크 또는 60V dc보다 큰 위험 전압을 사용하는 제품의 경우 채널-버스 및 채널-접지 절연은 제품과 사용자를 보호하는데 필수적이다.
제품 설계, 안전 표준 또는 안전 테스트에 따라 채널-채널 절연이 필요할 수 있다. 일부 경우에서 채널-채널 절연은 필수적이지는 않지만 이 절연은 품질, 기능 또는 시장 중심의 요구사항이다.

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