전자 계측기의 절연 및 안전 표준

내용

개요

한 업체는 "본사에서 제조한 DMM이 절연 기능이 있는 카테고리 II 멀티미터"라고 표현합니다. 또 다른 업체는 "DMM이 이중 절연을 갖춘 카테고리 I 멀티미터"라고 표현합니다. 그렇다면 이 모든 용어가 무엇을 의미하는 걸까요? 두 개의 DMM이 250 V로 등급 매겨졌다면 이 둘은 다를까요? 본 문서에서는 이와 같은 용어의 유래와 의미하는 바를 살펴보겠습니다.

그림 1. 일반적인 계측기 안전 기호 설명

안전 인증 기관


제품에서 안전성이 중요한 경우, 어떤 제품이 안전하고 안전하지 않은지에 명시하는 표준이 있습니다. 고전압도 예외는 아닙니다. EC (European Commission)와 UL (Underwriters Laboratories, Inc.)은 고전압 계측기의 안전한 디자인을 명시하는 표준을 발행하였습니다.

European Commission은 1973년 저전압 지침 (LVD:Low Voltage Directive) (72/23/EEC)을 발행하였습니다. Low Voltage Directive에서는 전자 디바이스의 안전한 사용을 위한 특정 전압 한도를 명시하였습니다. 전압의 레벨은 다음 범위 사이입니다.

  • 최소: 50 Vrms 또는 75 VDC
  • 최대: 1,000 Vrms 또는 1,500 VDC


1997년 1월 1일, Low Voltage Directive는 CE (유럽공동체) 마크를 위한 필수 조건으로 채택되었습니다.

약 200여 개의 안전 표준이 Low Voltage Directive에 포함 (표준 준수를 설명하기 위해 사용이 허락됨)되어 있습니다. 계측기 제조업체를 위한 관련 표준으로는 EN 61010 -- 측정, 컨트롤, 실험실 사용을 위한 전자기기 안전 조항이 있습니다. 61010은 Low Voltage Directive 보다 더 엄격합니다. 61010 하에서 30 Vrms 또는 60 VDC는 위험한 전압으로 간주됩니다. 고전압 디자인 조건 이외에도 EN 61010에는 다른 안전 설계를 위한 제약 (연소성 및 열 등)도 포함됩니다. 계측기 제조업체는 CE 라벨을 얻기 위해 반드시 EN 61010의 모든 스펙을 충족해야 합니다.

EN 61010와 매우 유사한 두 가지 표준 (IEC 1010과 UL 3111)이 있습니다. IEC 1010은 국제 전자 기술 위원회 (IEC:International Electrotechnical Commission)에서 만들어졌으며 EN 61010의 전신입니다. European Commission은 IEC 1010을 채택하여 이름을 EN 61010으로 변경하였습니다. UL 3111 또한 IEC 1010에서 파생되었습니다. UL은 IEC 1010을 받아들여 몇 가지 수정 후에 UL 3111로 채택하였습니다. 이같은 새롭고 엄격한 기준의 UL 표준은 오래되고 완화된 기준의 UL 1244 표준을 대체하여 측정, 컨트롤, 실험실 계측기를 위한 표준으로 사용되고 있습니다. 새로운 디자인의 경우, 계측기 제조업체는 UL에 등재되기 위해 UL 3111의 모든 스펙을 반드시 만족해야 합니다.

본 문서의 나머지 부분에서는 각 제조업체의 제품이 표준을 만족하기 위해 반드시 고려해야 할 전기 안전 문제를 살펴봅니다. 간단하게 설명하기 위해 본 문서에서는 최초의 표준인 IEC 1010만을 다루지만, IEC 1010에 대한 모든 설명은 UL 3111과 EN 61010에도 적용됩니다.

절연은 무엇입니까? 안전을 제공하기 위해 절연은 어떤 역할을 합니까?


계측기 제조업체들이 고전압 안전을 제공하는 주요 방법 중 하나인 절연에 대해 살펴보겠습니다. 절연은 회로의 두 부분을 물리적, 전기적으로 분리하지만 두 부분은 상호작용이 있습니다. 절연은 두 회로간 전자기장 결합을 사용하여 이루어집니다. 가장 보편적으로 사용되는 3가지 방식은 광커플러 (빛), 변환기 (자속: magnetic flux), 커패시티브 커플러 (전기장)입니다.

절연은 다음과 같은 장점을 제공합니다.

  • 접지 루프를 끊을 수 있습니다.
  • 동위상 전압 제거를 개선합니다.
  • 하나의 시스템에 2개의 서로 다른 전압 레벨을 갖고 있을 경우, 절연을 통해 회로의 두 부분이 다른 전압 레벨에 있도록 하므로, 하나의 위험한 전압 레벨로부터 다른 전압 레벨 부분은 안전할 수 있습니다.


절연이 안전하려면 2가지 요소 즉, 우수한 절연 컴포넌트 (광커플러, 변환기, 캐패시티브 커플러)와 안전한 단열벽이 필요합니다. 예를 들어, 플라스틱, PWB의 차단된 공간, 또는 에어갭 (공극)이 단열벽이 될 수 있습니다.

제품의 안전을 위해 어느 정도의 절연이 필요합니까?


절연막에 필요한 단열 정도는 여러 요소에 의해 결정됩니다.

  • 작동 절연 전압 (절연막의 전압) - 인가되는 전압이 클수록 더 높은 절연 성능이 필요합니다.
  • 과도 전압 (절연벽의 일시적인 전압 스파이크) - 회로의 일반적인 작동 전압을 견디기 충분한 절연도 매우 큰 과도 전압이 발생하면 파괴될 수 있습니다. 따라서 과도 전압이 높을수록 높은 절연 성능이 필요합니다.
  • 대기 오염 - 절연 성능은 공기 중 오염물질에 의해 감소됩니다. 오염된 환경에서는 높은 절연 성능이 요구됩니다.
  • 단락 전류 경로 (Single-Fault Current Path) - 절연체가 파괴되면 단락된 전류가 인체에 침투할 수 있을까요? 그렇다면, 더욱 높은 절연 성능이 필요합니다.


IEC는 IEC 1010 표준의 Section 6에서 이같은 내용을 다루고 있습니다. IEC는 과전압 카테고리, 오염 정도, 2중 단열과 같은 내용을 정의하였습니다.

설비 범주

IEC는 과도 전압을 해결하기 위해 설비 범주 (과전압 카테고리라고도 함)를 정의하였습니다. 카테고리 IV 디바이스는 일반 작동 전압과 관련된 가장 큰 과도 전압을 처리합니다. 카테고리 I 디바이스는 소규모의 과도 전압만을 처리합니다. 예를 들어, 50 V 카테고리 IV 디바이스는 최고 1500 V 과도전압을 처리하며, 50 V 카테고리 I 디바이스는 단 330 V에만 적당합니다.

표 1. 각 설비 범주에 대한 IEC의 과도 전압 정의
허용되는 과도 전압
공칭 전압 (VAC)
카테고리 I
카테고리 II
카테고리 III
50
330
500
800
100
500
800
1500
150
800
1500
2500
300
1500
2500
4000
600
2500
4000
6000
1000
4000
6000
8000


ken to limit transient over-voltages to an appropriately low level.

Examples: Protected electronic circuits.

Category II -- Energy-consuming equipment to be supplied from the fixed installation.

Examples: Appliances, portable tools, and other household and similar loads. Measurement equipment intended to measure the voltage levels of these loads must be rated at this overvoltage category.

Category III -- In fixed installations and for cases where the reliability and the availability of the equipment is subject to special requirements.

Examples: Switches in fixed installation and equipment for industrial use with permanent connection to the fixed installation; measurement equipment intended to measure the voltage levels of these fixed installations must be rated at this overvoltage category.

Category IV -- Used at the origin of the installation.

Examples: Electricity meters and primary overcurrent protection equipment.

Note: Although the IEC has defined this category in other documents, IEC 1010 does not cover this overvoltage category.IEC가 설비 범주를 분류하는 방법은 다음과 같습니다.

카테고리 I -- 일시적인 과도전압을 적절한 낮은 레벨로 제한하기 위한 측정이 수행될 때의 회로 연결.

예: 보호된 전기 회로.

카테고리 II -- 에너지를 소비하는 기기가 고정된 설비로부터 제공됨.

예: 기기, 휴대용 도구, 기타 가정용 기기 및 유사 용품. 이와 같은 로드의 전압 레벨을 측정하도록 설계된 측정 기기는 반드시 이 과전압 범주에 등급 매겨져야 합니다.

카테고리 III -- 고정 설비 및 기기의 신뢰도/사용가능성을 위해 특수한 조건이 수반되는 경우.

예: 고정 설비의 스위치 및 고정 설비로 영구 연결된 산업용 기기; 이같은 고정 설비의 전압 레벨을 측정하도록 고안된 측정 기기는 반드시 본 과전압 범주에 등급이 매겨져야 합니다.

카테고리 IV -- 설비의 최초에 사용됨.

예: 전기 미터 및 1차 과전류 보호 기기.

참고: IEC는 다른 문서에서 이 범주를 정의하였지만 IEC 1010은 이 과전압 범주를 다루지 않습니다.

그림 2. 전력 분배 네트워크에서의 설비 범주


이 내용은 무엇을 의미하는 걸까요? 그림 2의 예를 살펴보겠습니다. 전력 회사의 원시 전류에 대규모의 과도전류가 포함되므로 그림은 가장 높은 범주인 카테고리 IV에 해당되는 전송선입니다.

전압이 퓨즈 패널을 통과하여 집안으로 들어가면 보호 회로는 과도전압을 카테고리 III로 낮추기에 충분합니다. 에어컨 또는 히터와 같은 고정 전기 디바이스는 카테고리 III 전력을 사용하며 과도 전력을 견딥니다.

대부분의 전자 디바이스는 고정되어 있지 않습니다. 다시 말해, 플러그를 뺄 수 있고 이동할 수 있습니다. 이 디바이스들은 카테고리 III 과도전압을 견디지 못하더라도 카테고리 II 과도전압을 처리할 수 있습니다. 이같은 디바이스의 예로는 텔레비전 세트, 드릴, 전자레인지 등이 있습니다. 가정용 전원 배포 네트워크는 벽 콘센트가 카테고리 II 전력을 제공하도록 충분한 과도 전압 제어를 제공합니다.

카테고리 I 디바이스는 견고성이 가장 떨어집니다. 다시 말해, 작은 규모의 과도 전압에만 견딜 수 있습니다. 즉시 사용가능한 전원 소스 (벽 콘센트 등)는 카테고리 I을 만족할 정도로 충분한 청정 전력을 제공하지 않으므로, 카테고리 I 디바이스는 카테고리 II 전력에 존재하는 과도전압을 억제하기 위해 추가의 보호 디바이스 (그림 2의 절연 변환기 등)가 필요합니다. 이같은 보호 장치를 갖춘 카테고리 I 회로의 예는 스테레오 수신기 내의 오디오 증폭기 회로를 들 수 있습니다. 스테레오 수신기에는 벽 소켓의 카테고리 II 과도전압을 억제하는 전원 공급이 있어 카테고리 I 전력을 형성합니다. 이로써 증폭기 회로에 손상을 주지 않습니다.

오염 정도

IEC 1010은 각 다른 유형의 오염 환경을 정의합니다. 더욱 거친 환경에서는 더 많은 절연이 요구됩니다. 증대된 절연에 대한 대안으로, 설계자들은 회로를 위한 더욱 깨끗한 미세환경을 생성할 수 있습니다. 본 미세환경은 엔클로저, 캡슐화 또는 용접 밀봉을 사용하여 생성됩니다.

Pollution Degree 1 -- 오염이 없거나 건조하고 비전도성 오염만이 발생됩니다. 오염이 아무런 영향을 주지 않습니다.

예: 용접 밀봉된 박스의 회로 (IC 칩 등)가 이에 해당. 응축 또는 입자 전도를 위해 공기가 박스에 들어가지 않습니다.

Pollution Degree 2 -- 비전도성 오염만이 발생합니다. 때때로, 응축에 의해 발생하는 일시적인 전도가 발생되기도 합니다.

예: 사무실 환경에서 사용되는 회로. 컴퓨터 내의 회로가 이 범주에 해당됩니다.

Pollution Degree 3 -- 전도성 오염이 발생하거나, 응축으로 인해 전도성이된 건조한 비전도성 오염이 발생합니다.

예: 외부 대기에 노출된 회로, 그러나 강우에 접촉이 없음. 주차장의 개폐 장치가 이 범주에 해당됩니다.

참고: IEC는 다른 문서를 통해 이 오염 정도를 정의하였지만 IEC 1010은 Pollution Degree 3을 다루지 않습니다.

Pollution Degree 4 -- 오염이 전도성 먼지 또는 비/눈에 의해 야기된 지속적인 전도를 발생시킵니다.

예: 수중 펌프를 위한 노출된 외부 컨트롤 박스가 이에 해당.

참고: IEC는 다른 문서를 통해 본 오염 정도를 정의하였지만 IEC 1010은 Pollution Degree 4을 다루지 않습니다.

절연 유형

모든 절연 구조에서 절연막을 생성하기 위해서는 일정 정도의 절연이 필요합니다. IEC 1010 하에서는 basic insulation라고 정의됩니다. 만약 절연이 파괴되어 인체에 위험 전류가 흐른다면 basic insulation은 안전 보호로 충분하지 않습니다. IEC 1010은 설계자들에게 절연 향상을 위한 여러가지 옵션을 제공합니다. 이 중 두 가지 옵션은 2중 절연강화 절연을 들 수 있습니다. 2중 절연basic insulation과 일정 정도의 보완적인 절연 (예, 추가의 기본 계층)이 추가된 형태입니다. 기본 절연이 파괴되었을 경우 (단락), 보완 절연은 사용자를 보호합니다. 강화 절연2중 절연과 같은 목적이며, 차이점은 기본 절연과 추가 절연이 별도로 테스트되지 않습니다.

모든 IEC 정의가 사용자에게 의미하는 바는 무엇입니까?

IEC 정의를 파악하고 있으면 사용자가 현재 보유한 측정 계측기가 어떤 기능을 수행하는지를 이해할 수 있으며 미래에 어떤 기기를 구입해야 하는지 알 수 있습니다.

예를 들어, 250 V 카테고리 I DMM은 표준 벽 소켓 전압을 측정하도록 등급이 매겨져 있지 않습니다. DMM은 전력선에서 과도 전압을 견디도록 설계되지 않았습니다. 그러나 내쇼날인스트루먼트의 PCMCIA용 4050 5½ 디짓 DMM과 같은 카테고리 II 250 V DMM은 벽 소켓 전압을 측정하도록 설계되었습니다. 본 디바이스에는 벽 소켓 과도전압을 견딜 수 있도록 추가 절연이 포함됩니다.

높은 전압을 측정할 때, 안전성은 고려해야 할 중요한 부분입니다. 기존의 기기를 사용하거나 새로운 기기를 구입할 때, 작동 전압 등급 이외의 것들에도 주의를 기울여야 합니다. 사용하는 기기가 UL, CE, 또는 IEC 표준을 만족하는지 확인하십시오. 이로써 높은 전압이 사용자의 인체가 아닌 측정 회로에만 흐르도록 보장할 수 있습니다.