전자 계측기의 절연 및 안전 표준

한 제조업체는 자사 DMM이 절연 기능이 있는 항목 II 멀티미터라고 말하는데, 또 다른 업체는 자사 DMM이 이중 절연체를 갖춘 항목 I 유닛이라고 합니다. 이 모든 용어는 무엇을 의미할까요? 두 DMM의 정격이 250 V_RMS인 경우 차이가 있을까요? 이 문서에서는 이러한 용어의 유래 및 의미와 안전 표준에 미치는 영향에 대해 설명하고자 합니다.

그림 1. 일반적인 계측기 안전 기호 설명

제품에서 안전이 문제가 될 때마다 일반적으로는 무엇이 안전하고 무엇이 안전하지 않은지를 나타내는 표준이 마련되어 있습니다. 고전압도 예외는 아닙니다. 유럽위원회와 Underwriters Laboratories, Inc. (UL)는 고전압 계측기의 안전 설계를 다루는 표준을 발표했습니다.

1973년에 유럽 위원회는 저전압 지침(72/23/EEC)을 발표했습니다. 이 문서에서는 전기 디바이스에서 안전한 사용을 위해 특별히 고려해야 할 전압을 명확하게 정의했습니다. 이러한 전압 레벨의 범위는 다음과 같습니다.

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

1997년 1월 1일에 저전압 지침은 CE 마크 제도의 필수 요건으로 포함되었습니다.

저전압 지침에는 (규정 준수 입증에 사용하도록 승인된) 개별 안전 표준 약 200개가 통합되어 있습니다. 계측기 제조업체와 관련된 표준은 EN 61010 -- Safety Requirements for Electrical Equipment for Measurement, Control, and Laboratory Use(측정, 제어, 연구용 전기 기기 안전성 기준)입니다. 61010은 저전압 지침보다 조금 더 엄격합니다. 이 지침에 따르면 30 Vrms 또는 60 VDC는 위험한 전압입니다. EN 61010은 고전압 설계 요구 사항 외에도 다른 안전 설계 제약(예: 가연성 및 열)을 포함합니다. 계측기 제조업체가 CE 라벨을 받으려면 EN 61010의 모든 스펙을 충족해야 합니다.

EN 61010과 매우 유사한 다른 두 가지 표준이 있는데, IEC 1010과 UL 3111입니다. 국제전기기술위원회에서 확립한 IEC 1010이 EN 61010의 전신입니다. 유럽위원회에서는 이 표준을 채택하여 EN 61010으로 이름을 변경했습니다. UL 3111은 또한 IEC 1010의 하위 표준입니다. UL은 IEC 1010을 받아들인 후 일부 수정하여 UL 3111로 채택했습니다. 이 새롭고 엄격한 UL 표준은 측정, 제어 및 실험실 계측기에 대한 기존의 더 관대했던 UL 1244 표준을 대체합니다. 새로운 설계의 경우, 계측기 제조업체는 UL 3111의 모든 스펙을 충족해야 UL Listing을 받을 수 있습니다.

이 문서의 나머지 부분에서는 제조업체가 제품이 이러한 표준을 준수하도록 하기 위해 염두에 두어야 하는 전기 안전 문제를 다룹니다. 간단한 설명을 위해 이 문서에서는 원래 표준인 IEC 1010만 참조합니다. 그러나 IEC 1010에 대한 모든 설명은 UL 3111 및 EN 61010에도 적용됩니다.

계측기 제조업체가 고전압 안전을 제공하는 주요 방법 중 하나인 절연에 대해 살펴보겠습니다. 절연은 회로의 두 부분을 물리 및 전기적으로 분리하지만, 두 부분은 상호작용할 수 있습니다. 절연은 두 회로 사이의 전자기장 커플링을 사용하여 이루어집니다. 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 방법은 옵토커플러(빛), 변압기(자속), 용량성 커플러(전기장)입니다.

절연은 다음과 같은 몇 가지 장점을 제공합니다.

• 접지 루프를 끊습니다.
• 동상 전압 제거를 개선합니다.
• 회로의 두 부분에서 전압 레벨이 서로 다를 수 있으며, 이는 한 부분은 안전하지만 다른 한 부분은 위험한 전압 레벨일 수 있음을 의미합니다.

절연이 안전하려면 두 가지 요소가 필요한데, 바로 무결성이 뛰어난 절연 구성요소(옵토커플러, 변압기, 용량성 커플러)와 안전한 절연막입니다. 예를 들어, 플라스틱 조각, PWB의 차단 공간 또는 에어 갭이 이러한 절연체가 될 수 있습니다.

절연막에 필요한 절연체의 수는 다음과 같은 몇 가지 요소에 따라 달라집니다.

• 작동 절연 전압(절연막을 가로지르는 전압) -- 절연 전압이 클수록 더 많은 절연체가 필요합니다.
• 과도 전압(절연막을 통과하는 일시적인 전압 스파이크) -- 회로의 정상적인 작동 전압을 견딜 수 있을 만큼 강한 절연체가 큰 과도 전압을 받으면 고장이 날 수 있습니다. 따라서 과도 전압이 더 커지면 더 많은 절연체가 필요합니다.
• 대기 오염 -- 공기 중의 오염 물질 때문에 절연 효과가 떨어질 수 있습니다. 오염된 환경에서는 더 많은 절연체가 필요합니다.
• 단일 오류 전류 경로 -- 절연체가 고장 나면 단락된 전류가 인체에 흐를 수 있습니까? 그렇다면 더 많은 양의 절연체가 필요합니다.

IEC에서는 IEC 1010 표준의 섹션 6에서 이러한 문제를 다룹니다. 위원회는 과전압 항목, 오염 등급 및 이중 절연체와 같은 내용을 정의했습니다.

설치 항목

IEC는 과도 전압 문제를 해결하기 위해 설치 항목(과전압 항목이라고도 함)이라는 용어를 정의했습니다. 항목 IV 디바이스는 정상 작동 전압에 비해 가장 큰 과도 전압을 처리할 수 있습니다. 항목 I 디바이스는 작은 과도 전압만 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 50 V 항목 IV 디바이스는 최대 1500 V의 과도 전압을 처리할 수 있는 반면, 50 V 항목 I 디바이스는 330 V만 견딜 수 있습니다.

	허용되는 과도 전압
공칭 전압(VAC)	항목 I	항목 II	항목 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

다음은 IEC가 설치 항목을 분류하는 방법입니다.

항목 I-- 과도 과전압을 적절하게 낮은 레벨로 제한하는 조치를 취한 회로 연결에 적합합니다.

예: 보호된 전자 회로.

항목 II -- 고정된 설비에서 공급되는 에너지를 소비하는 장비에 적합합니다.

예: 가전제품, 휴대용 도구, 기타 가정용 로드 및 이와 유사한 로드. 이러한 로드의 전압 레벨을 측정하는 측정 장비는 이 과전압 항목의 장비여야 합니다.

항목 III-- 고정 설비와 장비의 신뢰성 및 가용성이 특별한 요구사항에 따라야 하는 경우에 적합합니다.

예: 고정 설비의 스위치 및 고정 설비에 영구적으로 연결된 산업용 장비의 스위치. 이러한 고정 설비의 전압 레벨을 측정하기 위한 측정 장비는 이 과전압 항목의 장비여야 합니다.

항목 IV -- 설비의 근원에서 사용합니다.

예: 전기 계량기 및 주요 과전류 방지 장비.

참고: IEC는 다른 문서에서는 이 항목을 정의했지만, IEC 1010에서는 이 과전압 항목을 다루지 않습니다.

그림 2. 배전망 관련 설치 항목

이 모든 정보는 무엇을 의미할까요? 그림 2에서 보여주는 주택의 예를 살펴보겠습니다. 전력 회사의 원시 전압에는 가장 높은 항목인 항목 IV에 해당하는 엄청난 과도 전압이 포함되어 있기 때문에 그림에서 송전선은 항목 IV로 표시됩니다.

전압이 퓨즈 패널을 통과하여 집안으로 들어갈 때, 보호 회로는 과도 전압을 항목 III로 낮추기에 충분합니다. 에어컨이나 히터와 같은 고정 전기 디바이스는 항목 III 전원을 사용하고 그에 해당하는 과도 전압을 견딜 수 있습니다.

대부분의 전기 디바이스는 고정되어 있지 않으며, 플러그를 뽑은 후 이동할 수 있습니다. 이러한 디바이스는 항목 III 과도 전압을 견딜 수 없지만 항목 II 과도 전압은 처리할 수 있습니다. 이러한 디바이스의 예로는 텔레비전 세트, 드릴, 전자레인지 등이 있습니다. 벽 콘센트가 항목 II 전원을 제공하는 가정용 배전망은 일반적으로 충분히 과도 전압을 억제합니다.

항목 I 디바이스는 과도 전압에 가장 취약해 작은 과도 전압만 견딜 수 있습니다. 쉽게 이용할 수 있는 전원(예: 벽 콘센트)은 항목 I에 해당한다고 정확하게 말할 수 있을 정도의 전력을 제공하지 않습니다. 따라서 항목 I 디바이스는 항목 II에 존재하는 과도 전압을 억제하기 위해 추가적인 보호 디바이스(그림 2의 절연 변압기 등)가 필요합니다. 이러한 보호 체계가 있는 항목 I 회로의 예로는 스테레오 수신기 내부의 오디오 증폭기 회로를 들 수 있습니다. 스테레오 수신기에는 벽 콘센트에서 발생하는 항목 II 과도 전압을 억제하는 전원 공급 장치가 포함되어 있어 항목 I 전원을 생성하므로 증폭기 회로가 손상되지 않습니다.

오염 등급

IEC 1010에서는 다양한 유형의 오염 환경을 명시합니다. 열악한 환경에는 더 많은 절연체가 필요합니다. 절연체 증가의 대안으로 설계자는 회로에 보다 깨끗한 미세 환경을 만들 수 있습니다. 이러한 미세 환경은 인클로저, 캡슐화 또는 완전 밀봉을 사용하여 생성할 수 있습니다.

오염 등급 1 -- 오염이 전혀 없거나 건조한 비전도성(nonconductive) 오염만 있는 상태입니다. 이 등급의 오염은 아무 영향을 미치지 않습니다.

예: 완전 밀폐된 박스 안에 든 회로(예: IC 칩). 공기가 박스 안으로 들어올 수 없어 응결이 발생하거나 전도성 입자가 침투할 수 없습니다.

오염 등급 2 -- 비전도성 오염만 발생합니다. 경우에 따라 응결으로 인해 일시적으로 전도성이 발생할 수 있습니다.

예: 사무실 환경에서 사용되는 회로. 컴퓨터 내부의 회로가 이 항목에 속합니다.

오염 등급 3 -- 전도성 오염이 발생하거나, 건조한 비전도성 오염이 예상되는 응결로 인해 전도성 오염으로 바뀝니다.

예: 외부 공기에 노출되지만 직접적으로 비를 맞지 않는 회로. 차고 문 개방 장치가 이 항목에 해당합니다.

참고: IEC는 다른 문서에서는 이 오염 등급을 정의했지만, IEC 1010에서는 오염 등급 3을 다루지 않습니다.

오염 등급 4 -- 오염은 전도성 먼지나 비 또는 눈으로 인해 지속적으로 전도성을 생성합니다.

예: 물 펌프의 노출된 실외 컨트롤 박스.

참고: IEC는 다른 문서에서는 이 오염 등급을 정의했지만, IEC 1010에서는 오염 등급 4를 다루지 않습니다.

절연체 타입

모든 절연 방식에는 절연막을 생성하기 위해 일정량의 절연체가 필요합니다. IEC 1010에서는 이를 기초 절연체라고 부릅니다. 절연체 고장으로 인체에 위험한 전류가 흐를 수 있는 경우 기초 절연체만으로는 안전을 충분히 보장할 수 없습니다. IEC 1010은 설계자에게 몇 가지 절연체 개선 옵션을 제시하는데, 이중 절연체와 강화 절연체 두 가지입니다. 이중 절연체는 기초 절연체에 보충 절연체(예: 또 다른 기본 계층)를 더한 것입니다. 기초 절연체가 고장 난 경우(단일 결함) 보충 절연체가 사용자를 안전하게 보호합니다. 강화 절연체는 기초 절연체와 추가 절연체를 따로 테스트할 수 없다는 점을 제외하면 이중 절연체와 같은 목적을 수행합니다.

이 모든 IEC 정의가 갖는 의미는 무엇일까요?

IEC의 정의를 알면 현재 사용 중인 측정 계측기의 기능과 향후 어떤 제품을 구입해야 할지 파악할 수 있습니다.

예를 들어, 250 V_RMS 항목 I DMM은 표준 벽 콘센트 전압을 측정할 수 있는 디바이스로 평가되지 않습니다. 이 DMM은 송전선의 과도 전압을 견딜 수 있도록 설계되지 않았습니다. 그러나 항목 II 500 V_RMS DMM(예: NI PXIe-4081 7½-digit DMM)은 벽 콘센트 전압을 측정하도록 설계되었습니다. 여기에는 벽 콘센트 과도 전압을 견디는 데 필요한 추가 절연체가 포함되어 있습니다.

높은 전압을 측정할 때는 안전이 매우 중요합니다. 기존 장비를 사용하거나 새 장비를 구입하는 경우 작동 전압 정격을 초과하는 것에 주의하십시오. 장비가 필요한 UL, CE 또는 IEC 표준을 충족하는지 확인하십시오. 이렇게 하면 감전 사고 없이 높은 전압이 측정 회로로 흐르게 됩니다!

NI 하드웨어는 상세한 스펙을 포함하고 제품 인증서를 공개하므로 선택한 제품이 절연 및 안전 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.