엔지니어 로드맵 #42 — 자기회로 해석과 설계 응용

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#42 — 자기회로: 자기장을 위한 고속도로 설계하기 #42 — 자기회로 해석과 설계 응용 자기장을 위한 고속도로 설계하기: 자기회로(Magnetic Circuit)의 이해 🔑 자기회로(Magnetic Circuit) 란 자속(Magnetic Flux)이 흐르는 통로를 전기회로처럼 모델링하여 분석하는 기법입니다. 전기회로의 전류가 전선을 따라 흐르듯, 자속은 철심(Core)과 같은 강자성체를 따라 흐르려는 성질을 이용합니다. 🎯 왜 알아야 할까요? 실제 인덕터나 변압기를 설계할 때, "코일을 몇 번 감아야 원하는 성능이 나올까?" 혹은 "철심의 크기는 얼마나 커야 할까?"라는 질문에 답하기 위해 반드시 필요합니다. 복잡한 전자기학 수식을 전기회로의 '옴의 법칙' 수준으로 단순화시켜 주는 마법 같은 도구이기 때문입니다. 목차 1. 자기회로 비유: 자기장을 위한 전용 도로 2. 전기회로 vs 자기회로: 놀라운 평행이론 3. 자기저항(Reluctance): 도로의 정체 구간 4. 설계 응용: 공극(Air-gap)의 비밀 1. 자기회로 비유: 자기장을 위한 전용 도로 자기장은 사방으로 퍼지려는 성질이 있지만, 철심(Iron Core) 을 만나면 그 속으로만 흐르려고 합니다. > 고속도로 비유: 자속($\phi$)을 자동차라고 한다면, 공기 중은 울퉁불퉁한 산길이고 철심은 탁 트인 8차선 고...
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엔지니어 로드맵 #24 : 접지 및 안전 설계 원리

#24 — 접지 및 안전 설계 원리
#24 — 접지 및 안전 설계 원리

접지 및 안전 설계 원리

💡 접지는 전기설비의 안전과 장치 보호의 핵심입니다. 전류 경로를 안전하게 지면으로 흘려 보내고, 스탭전압과 누설 전류를 관리하며, 법규와 규정에 맞춰 설계해야 합니다. 한국전력공사 접지 관련 자료

1️⃣ 접지의 기본 개념과 역할

접지는 전기회로 또는 장치를 지구와 전기적으로 연결하여 누설 전류나 고장 전류가 안전하게 흐르도록 하는 설계입니다. 지구는 큰 전도체 역할을 하며, 지면 자체의 저항과 분산 능력으로 인해 인체에 영향을 최소화합니다. 발전소나 변전소와 같은 고전력 설비에서는 접지가 잘 되어 있어도 지면 전위차가 발생할 수 있고, 스탭전압(step voltage) 발생 가능성이 있으므로 안전 설계가 중요합니다.

2️⃣ 접지 유형과 특징

  • PE (보호접지): 인체 감전 방지, 금속 외함 보호
  • FE (기능접지): 계측, 센서, 통신 신호 안정화
  • FG (프레임 접지): PLC, 인버터, 계측 장치 프레임 보호 및 EMI 차단
  • N (중성선 접지): 전원계통 중성점 접지, 고장 시 PE와 결합 가능
💡 설계 포인트: PE와 FE, FG가 한 접지봉으로 모이더라도 접지 저항과 단면적, 차단 장치 설계를 적절히 하면 장치 손상 위험은 낮습니다. 출처: 한국전력공사 접지 설계 가이드

3️⃣ 스탭전압 발생 원리

  • 누설 전류 발생: 절연 손상이나 오동작으로 전류가 지면 또는 접지 시스템을 통해 흐름
  • 지면의 저항: 전류가 흐르면서 지면에 전위를 형성, 저항이 높을수록 전위차 증가
  • 인체 저항: 사람이 두 발로 지면을 밟으면, 각 발 위치에서 전위가 달라 전위차 발생
  • 스탭전압: 두 발 사이 전위차를 '스탭전압'이라고 하며, 큰 경우 감전 위험 발생
💡 기술 기준:
  • 누설 전류: 최대 공급 전류의 1/2000 이하
  • 저압 기기 절연저항: ≥ 0.4MΩ 확보
  • 누전차단기 설치: 정격감도전류 ≤ 30mA
  • 접지 저항 관리: 접지선 저항 최소화
  • 절연 상태 점검 및 유지보수: 절연 손상 부위 수리
  • 가정 기준: 누설전류 1mA 이하 양호
한국전력공사 접지 설계 기준

4️⃣ 안전 설계 기본 원리

  • 누전·감전 방지: 접지와 차단기(예: ELB, NFB)를 연계 설계
  • 과전압·서지 대응: 접지와 서지 보호기 연계 설계
  • EMC/노이즈 최소화: 신호선·전원선 접지 루트 분리 설계
  • 접지 저항 기준: 일반 산업용 설비에서는 ≤ 4 Ω, 민감 장비용 ≤ 1 Ω이 권고됨 — 관련 논문 참조 KEC 접지시스템 연구

5️⃣ 산업 현장 적용 사례

산업 자동화 장비 전기판넬에서는 주로 NFB, ELB를 중심으로 보호 설계가 이루어집니다. 외함 접지, 판넬 접지, 기능 접지 등이 기본적으로 갖춰져 있어 장비 보호 및 인력 안전을 동시에 달성합니다.

🧩 현장 참고: - 금속 외함 접지 → 누전 시 ELB 동작 - 센서/통신 기능 접지 분리 → 신호 안정화 - 단상 확인용 램프 + 접지 연결 → 상태 점검 용이

6️⃣ 점검 및 유지보수

  • 접지 저항 정기 측정 → 규정·권고 값 이하 유지
  • 접지선 훼손·부식·루프 문제 확인 → 필요 시 보수
  • 장치 추가·설비 변경 시 접지 루트 재검토 필수
💡 용어풀이: 접지 루프(Ground Loop)
여러 접지 경로로 인해 신호전류가 순환하면서 노이즈가 발생하는 현상. 산업 장비에서는 단일점 접지 설계로 이를 최소화합니다.

7️⃣ PE, FE 접지 실무 및 고려사항

PE와 FE, FG가 통합 접지봉으로 연결될 때, 누설전류가 각 장치로 유입되어 손상을 줄 수 있습니다. 따라서 설계 시 다음 사항을 고려합니다:

  • PE와 FE, FG가 통합되어도 저항값을 충분히 낮추고 전류 용량 확보
  • 통신 신호용 FE는 PE 루트와 물리적 분리 또는 아이솔레이션 적용
  • 접지봉에서 스탭전압 최소화, 단면적 충분히 확보
  • 누전차단기, 서지보호기 연계로 고장 전류 안전 확보
출처: 한국전력공사 접지 설계 가이드
🔜 다음 글 예고: #25 — 전자 부품 활용: 다이오드, 트랜지스터

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