[전기공학/시공 실무] 저압 배전반(분전반) 접지 규격과 줄의 법칙에 따른 전선 발열량 산출

 상업 시설이나 공장의 저압 배전반(분전반) 시공 현장에서 가장 철저하게 검증하는 기준은 누전 시의 감전 예방(접지)과 단락 시 발생하는 발열 통제다. 한국전기설비규정(KEC)의 접지 기준과, 전선 발열량을 계산하는 줄-렌츠의 법칙(Joule-Lenz's Law)을 현장 실무 관점에서 살펴본다.

KEC 도입에 따른 저압 배전반 접지 규격의 변화

 과거 1, 2, 3종으로 구분되던 접지 공사 규격은 KEC(한국전기설비규정) 전면 시행 이후 국제 표준에 맞게 TN, TT, IT 계통 접지 방식으로 개편되었다. 분전반 외함(철제 케이스)에 필수적으로 적용되는 보호 접지는 누설 전류를 대지로 신속하게 흘려보내는 핵심 요소다.

접지 방식 (KEC)	배전반 적용 실무 특성
TN 시스템	전원측을 대지에 직접 접지하고, 배전반 외함을 보호도체(PE)로 연결한다. 고장 전류 차단 속도가 빠르다.
TT 시스템	전원측 접지와 무관하게 배전반 기기 외함을 독립적인 접지극에 연결한다. 누전차단기(RCD) 설치가 필수적이다.

 배전반 내부의 도어가 있는 철제 외함 등 모든 비충전부는 보호 등전위 본딩(Equipotential bonding)으로 연결하여, 사고 발생 시 금속 표면의 전위차를 0볼트에 가깝게 유지해야 한다.

줄-렌츠의 법칙과 전선 발열량 산출

 접지가 감전을 막는다면, 화재를 막는 것은 전선의 단면적 설계다. 전선에 전류가 흐르면 고유 저항으로 인해 열이 발생한다. 이는 1840년대 제임스 줄과 하인리히 렌츠가 교차 검증한 '줄-렌츠의 법칙'으로 산출한다.

H = I² × R × t (단위: Joule)
H = 0.24 × I² × R × t (단위: cal)

 수식의 핵심은 전류(I)의 '제곱'이다. 분전반 내부에서 단락(Short) 사고가 발생하여 평소의 10배에 달하는 고장 전류가 흐르게 되면, 전선의 발열량은 100배(10²)로 폭증한다. 이 열을 견디지 못하면 전선의 절연 피복이 녹아내려 화재로 직결된다.

안전 마진과 도체 단면적의 반비례 관계

 열 폭주를 막기 위해 현장에서는 KEC 규격에 맞춰 전선의 단면적을 넉넉하게 설계한다. 전선의 저항(R)은 도체의 길이(L)에 비례하고 단면적(A)에 반비례한다 (R = ρ × L / A).

단면적이 넓은(굵은) 전선을 사용하면 고유 저항값이 크게 낮아진다. 그 결과 단락 전류가 발생하더라도 차단기가 동작하여 전류를 끊기 전(t)까지의 총 발열량(H)을 피복의 허용 온도(가교폴리에틸렌 XLPE 기준 정상 90℃) 이내로 억제할 수 있다.

참고 문헌
- 대한전기협회. (2021). 한국전기설비규정(KEC) 해설서.
- Boylestad, R. L. (2015). Introductory Circuit Analysis (13th ed.). Pearson. pp. 112-115.