왜 접지선의 크기는 뜨거운 선보다 작을까요

접지선 사이징 고려사항

접지선의 크기는 전력선(상선 또는 핫 와이어)과 일치하지 않아도 됩니다. 그러나 그 크기는 미국의 National Electrical Code (NEC)와 같은 전기 코드에서 명시된 규정에 엄격히 준수해야 합니다. 접지선의 적절한 사이징을 결정하는 몇 가지 주요 요인들이 있습니다:

긴 와이어 런이나 임피던스를 최소화해야 하는 회로와 같은 상황에서는 접지선의 크기를 늘릴 필요가 있을 수 있습니다. 이는 더 긴 접지선이 유의미한 전압 강하를 경험하게 되고, 결과적으로 접지 경로의 저항이 증가하기 때문입니다. 이러한 문제를 완화하고 전기 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 접지선은 상선과 동일한 크기로 사이징될 수 있습니다.

특정 전기 설치에서는 엔지니어들이 추가적인 안전 조치로서 접지선을 상선과 동일한 크기로 선택할 수 있습니다. 이러한 관행은 전기 장애가 심각한 결과를 초래할 수 있는 중요한 시스템이나 지역 전기 코드가 더 엄격한 요구사항을 부과하는 곳에서 특히 일반적입니다. 더 큰 접지선을 사용하면 시스템이 고장 전류를 더 잘 처리하여 감전 위험과 장비 손상을 줄일 수 있습니다.

전기 회로에서의 접지선 사이징 이해

접지선이 전력선보다 작은 경우

많은 전기 회로에서 접지선은 상선(핫 와이어)과 중성선에 비해 보통 더 작은 게이지(gauge)로 설계됩니다. 이러한 설계 선택은 여러 주요 요인에 기반합니다:

각 와이어 유형의 기능

• 상선: 이 와이어는 정상적인 회로 작동 중 전체 부하 전류를 운반합니다. 연결된 장치와 가전제품에 전력을 공급합니다.

• 중성선: 이 와이어는 전류의 반환 경로 역할을 하며, 상선과 동일한 양의 전류를 전원으로 돌려보냅니다.

접지선: 이 와이어의 주요 역할은 단락 회로나 전기 누설 등에서 발생하는 고장 전류에 대한 안전한 경로를 제공하는 것입니다. 이러한 비정상적인 전류를 분산함으로써 장비를 보호하고 인원을 감전으로부터 보호합니다. 특히, 접지선은 회로의 정상적인 전류 운반 작동에는 참여하지 않습니다.

전류 운반 요구 사항

접지선은 고장 상태에서만 전류를 운반하므로, 상선처럼 지속적인 부하 전류를 처리할 필요가 없습니다. 고장 전류는 보통 매우 짧은 시간 동안 흐르며, 일반적으로 회로 차단기나 퓨즈와 같은 과전류 보호 장치가 회로를 차단할 때까지 지속됩니다. 따라서 접지선은 이러한 짧은 기간 동안의 전류 서지를 견딜 수 있도록 사이징될 수 있습니다. 그 설계는 접지선이 보호 장치가 회로를 차단할만큼 오랫동안 고장 전류를 운반하도록 하며, 짧은 고장 시간은 열 축적 위험을 최소화합니다. 이를 통해 더 작은 게이지의 와이어를 사용하여 비용과 재료 사용을 줄이며, 여전히 필수적인 안전 및 성능 표준을 충족할 수 있습니다. 접지선을 과도하게 크게 만들면 불필요한 비용을 발생시키면서 실질적인 추가 안전 혜택은 거의 제공하지 않습니다.

전압 강하 고려 사항

접지선은 연속적으로 전류를 운반하지 않으므로, 전압 강하는 접지선 설계에서 주요 문제가 아닙니다. 또한, 접지선은 종종 비교적 짧은 길이로 설치됩니다. 이 짧은 길이는 고장 전류가 신속하게 접지되도록 하여 브레이커가 트립되게 하며, 와이어가 과열되지 않게 합니다. 따라서 접지선의 크기를 줄여도 회로의 성능을 손상시키지 않습니다.

코드 기반 사이징 표준

National Electrical Code (NEC): NEC는 Table 250.122에서 장비 접지 도체(Equipment Grounding Conductor, EGC)의 최소 크기를 상세하게 지침화하고 있습니다. 이러한 요구 사항은 회로를 보호하는 회로 차단기나 퓨즈와 같은 과전류 보호 장치의 등급에 근거합니다.

International Electrotechnical Commission (IEC): NEC와 마찬가지로 IEC 표준은 접지 도체의 최소 크기를 정의합니다. 그러나 IEC 지침은 일반적으로 상선의 크기와 예상되는 최대 고장 전류와 같은 요인들을 고려합니다. 이러한 코드는 접지선이 너무 작아 고장 시 실패하거나, 너무 크면 낭비되는 것을 방지하여 적절한 사이징을 보장합니다.

실제 예시

• 15A 차단기를 사용하는 회로의 경우, 핫 와이어는 일반적으로 #12 AWG이고, 접지선은 최소 #14 AWG 구리를 사용해야 합니다.

• 20A 차단기의 경우, 핫 와이어는 10 AWG이고, 접지선은 최소 #12 AWG 구리를 사용해야 합니다.

• 50A 차단기의 경우, 핫 와이어는 #6 AWG이고, 접지선의 최소 크기는 10 AWG 구리입니다.

• 100A 차단기 및 패널의 경우, 서비스 케이블이 #4 AWG인 경우, 접지선은 최소 #8 AWG 구리를 사용해야 합니다.

• 200A 서비스의 경우, 핫 와이어는 최소 #3/0 AWG이고, 접지선은 #4 AWG를 사용해야 합니다.

• 600A 등급의 매우 큰 차단기를 사용하는 회로의 경우, 접지선은 잠재적인 고장 전류를 처리할 수 있도록 비례적으로 사이징되어야 합니다.

대부분의 경우 접지선이 상선보다 작지만, 예외적인 경우도 있습니다.

접지선이 전력선 크기와 일치하는 경우

다음과 같은 특정 시나리오에서는 접지선이 전력선과 동일한 크기가 되어야 합니다:

본딩 도체

접지선이 본딩 용도로 사용되는 경우, 예를 들어 전기 장비의 금속 부분을 접지 시스템에 연결할 때, 접지선은 전력선과 동일한 크기가 될 수 있습니다. 이렇게 하면 접지선이 고장 전류를 효과적으로 운반하고 본딩 연결의 무결성을 유지하여 전기 위험으로부터 안정적인 보호를 제공할 수 있습니다.

대형 게이지 도체

3/0 AWG 이상의 대형 게이지 도체를 사용하는 회로의 경우, NEC는 비례적으로 더 큰 접지선을 요구합니다. 이는 대용량 회로와 관련된 높은 고장 전류를 처리하고 전기 설치의 안전성을 유지하기 위한 것입니다.

특수 장비 응용

태양광(PV) 설치와 같은 민감하거나 대용량 장비의 경우, 접지선을 상선과 동일한 크기로 사이징해야 할 수 있습니다. 이러한 사이징은 효율적인 고장 전류 흐름을 보장하고 임피던스를 최소화하여 장비와 전기 시스템의 전반적인 안전성과 성능을 향상시킵니다.

잘못된 접지선 사이징의 영향

전기 시스템의 접지선은 항상 핫 와이어나 중성선의 크기와 일치하지 않으며, 약간 더 크거나 작을 수 있습니다. 더 큰 접지선을 사용할 때, 전기 시스템에는 위험이 없지만, 추가 재료로 인해 비용이 증가합니다. 추가 길이가 필요한 경우에는 접속 상자(junction box)를 사용하여 와이어를 연장하면서 접지 시스템의 무결성을 손상시키지 않을 수 있습니다.

사실, 더 큰 접지선은 여러 가지 이점을 제공하며, 특정 시나리오에서는 특히 유익할 수 있습니다. 저항이 낮은 더 큰 와이어는 전압 강하를 효과적으로 줄여 더욱 안정적인 전기 연결을 보장합니다. 이것은 높은 전류 운반 용량을 요구하는 시스템에서 특히 중요합니다. 전압 손실을 최소화함으로써 더 큰 접지선은 시스템의 전반적인 안정성과 안전성을 향상시킵니다.

반면, 너무 작은 접지선을 사용하면 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 작은 와이어는 저항이 높아 회로 차단기의 자기 트립 메커니즘의 정상 작동을 방해할 수 있습니다. 이로 인해 고장 시 차단기가 빠르게 트립되지 않아 위험한 수준의 전류가 시스템을 통과할 수 있습니다. 또한, 작은 접지선은 과도한 고장 전류를 처리하지 못하여 과열될 수 있으며, 극단적인 경우에는 와이어가 녹아 화재 위험을 초래하고 재산과 생명을 위협할 수 있습니다.

전기 시스템의 안전성과 최적의 성능을 확보하기 위해서는 적절한 크기의 접지선을 사용하는 것이 필수입니다. 예를 들어, 150피트 런의 100A 서비스의 경우, 8 AWG(American Wire Gauge) 접지선을 일반적으로 추천합니다. 이러한 사이징 지침을 준수하면 전기 위험을 방지하고 접지 시스템이 효과적으로 작동하여 고장 시 안정적인 보호를 제공할 수 있습니다.