싱가포르 병원의 유지보수 전기 기술자가 수리 후 테스트를 수행하기 위해 휴대용 제세동기를 일반 벽 소켓에 연결했을 때, 기술자는 제세동기 내부의 접지 결함으로 인한 감전으로부터 보호하기 위해 건물에 있는 회로 차단기에 의존하지 않았습니다. 그는 격리 변압기에 의존했습니다 — 이는 수술실 회로와 건물의 주요 전원 사이에 전기적 격리를 제공하는 특별히 설계된 장치로, 접지와 연결되지 않은 부유하는 2차 회로를 제공하며, 회로를 지속적으로 모니터링하고 접지에 대한 임피던스가 안전 값 이하로 떨어질 경우 경고를 발령하는 선 격리 모니터(LIM)가 장착되어 있습니다. 패널 보드의 단일 결함은 회로 차단기를 작동시키지 않으며, 격리된 시스템에서는 높은 결함 전류를 생성하지 않습니다 — 발생하는 유일한 일은 부유 시스템의 한 지점이 접지에 연결되는 것입니다; 나머지 시스템의 기능은 방해받지 않고 계속됩니다. LIM의 역할은 이러한 상태를 감지하고 인력을 경고하여 작업 중 전원 손실 없이 절차를 완료할 수 있도록 하는 것입니다. 이것이 격리 변압기의 기본 작동 원리입니다 — 전압을 높이거나 낮추는 것만이 아닙니다. 격리 변압기는 단일 결함이 누구에게도 해를 끼치지 않고 장비의 작동 중단을 초래하지 않는 전기적으로 격리된 회로를 제공합니다. 격리 변압기를 사용할 필요성과 그 작동 원리, 사양 및 설치에 대한 지식은 의료 또는 산업 분야에서 일하는 모든 전기 엔지니어, 시설 관리자 또는 계약자가 갖추어야 할 것입니다.
아이솔레이션 트랜스포머는 1:1 권선 비율(또는 1차 및 2차 측의 전압이 다른 모든 비율)을 가진 트랜스포머로 설명될 수 있으며, 이는 1차 및 2차 권선의 갈바닉 절연을 제공합니다. 두 번째 권선은 첫 번째 권선과 전기적으로 절연되어 있으며(폐회로가 없음), 일반적으로 플로팅(접지되지 않음) 상태로 설정되거나 높은 임피던스를 통해 접지에 연결됩니다. 이는 두 가지 필수 안전 기능을 수행할 수 있게 합니다. 첫째, 이는 전기 충격으로부터 인원 안전을 보장합니다: 접지된 표면에 서 있는 사람이 아이솔레이션 플로팅 2차의 전선 중 하나를 만질 때, 전압원으로 돌아가는 폐회로가 없기 때문에 전기 충격을 느끼지 않습니다. 전기 충격은 사람이 두 개의 도체를 동시에 만지거나 두 번째 접지 결함이 다른 도체에서 발생할 때만 발생합니다. 둘째, 이는 장비를 접지 결함 전류로부터 보호합니다. 아이솔레이션 시스템에서는 단일 접지 결함만으로는 결함 전류가 너무 높아지지 않으며, 회로가 차단되지 않습니다. 아이솔레이션 트랜스포머의 설계 및 설치에 대한 주요 요구 사항은 두 권선의 유전체 강도(이는 최소한 운영 전압과 약간의 여유를 견뎌야 하며; 예를 들어, 120 V 시스템의 경우 1500 V), 1차 및 2차 측의 가능한 용량 연결을 방지하는 정전기 차폐, 인클로저 및 코어의 접지(코어는 공급 측의 접지 도체에 연결되어야 함), 그리고 트랜스포머의 2차 측에서 라인 아이솔레이션 모니터(LIM)를 사용하는 것입니다. NEC 517에 따르면, 아이솔레이션 전원 공급 장치(트랜스포머, LIM 및 접지되지 않은 2차 도체로 구성됨)는 의료 시설의 수술실 및 습식 절차가 이루어지는 지역에서 사용해야 합니다. 이 개념은 제어 시스템 및 실험실에도 적용될 수 있습니다.
아이솔레이션 트랜스포머의 작동 원리 — 그리고 표준 트랜스포머와의 차이점
변압기는 두 회로 간에 직접 연결이 존재하지 않도록 두 권선을 분리하며, 에너지 전송은 코어의 자기장을 통해 이루어집니다. 그러나 일반 변압기는 보조 권선이 접지되도록 설계되어 있습니다. 접지의 주요 이유는 고장 전류에 대한 저항 경로를 제공하여, 어떤 접지 고장이 발생하더라도 큰 전류가 즉시 과전류 장치를 작동시키도록 하는 것입니다. 이 방법은 많은 경우에 효율적이고 안전하지만, 한 가지 단점이 있습니다. 사람이 접지된 물체 위에서 살아있는 회로를 만지면, 그들은 고장 회로의 일부가 되며, 전류가 매우 낮더라도 생명을 잃을 수 있습니다. 그러나 절연 변압기는 다른 방식으로 작동합니다. 접지와 연결되지 않고 고임피던스를 통해 연결된 부유 보조 권선을 제공함으로써, 보조 권선과 접지 간에 저항 경로가 없습니다. 따라서 사람이 접지된 표면 위에서 보조 권선 중 하나를 만지더라도 회로를 끊지 않습니다. 왜냐하면 보조 권선은 접지가 없기 때문입니다. 위험한 전류는 그 사람이 두 개의 보조 전도체에 동시에 접촉하거나, 두 번째 전도체에서 두 번째 접지 고장이 발생할 때만 사람을 통해 흐를 수 있습니다. 이 원칙(단일 접지 고장이 충격을 유발할 수 없고, 따라서 회로가 차단되지 않도록 한다)은 절연 변압기가 전기 공급의 갑작스러운 중단이 사고를 초래할 수 있는 장소와 물, 전도성 액체 또는 떠날 수 없는 환자의 존재로 인해 접지 고장이 발생할 수 있는 장소에서 사용되는 이유입니다.
일반 변압기와 절연 변압기 간의 물리적 차이는 크지 않지만 여전히 중요할 수 있습니다. 절연 변압기는 일반적으로 전도성 포일(스크린)로 접지된 정전기 차폐를 포함하고 있으며, 이는 기본 및 보조 권선 사이에 배치되어 권선의 용량 결합을 방지합니다. 정전기 차폐는 공급 측 접지 도체에 연결되어 있어, 보조 회로에 도달하기 전에 용량 전류를 접지로 분산시킬 수 있습니다. 변압기의 절연 시스템은 기본 및 보조 코일 간의 전체 전압을 견딜 수 있는 능력을 가져야 하며, 여기에 안전 계수를 추가해야 합니다(실제로 120 V 시스템의 경우 1,500 V AC 이상, 240 V 시스템의 경우 2,500 V AC 이상을 견디는 것이 요구됩니다). 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 절연 변압기 및 특수 변압기의 전체 범위를 보려면 제품 카탈로그를 참조하십시오. 수비안 전기.
절연 변압기가 필요한 곳 — 그리고 추천되는 곳
아래 표는 가장 일반적인 절연 변압기의 응용 분야를 요약합니다. 절연 변압기, 변압기가 해결하는 특정 안전 또는 운영 요구 사항, 그리고 설치를 규율하는 적용 가능한 표준 또는 규정을 나타냅니다.
| 응용 | 아이솔레이션 트랜스포머가 제공하는 것 | 적용 가능한 표준 또는 코드 |
|---|---|---|
| 병원 수술실 및 습기 있는 절차 위치 | 단일 접지 결함이 충격을 유발하거나 전원을 중단하지 않도록 하는 격리된 비접지 전원 시스템. 라인 아이솔레이션 모니터(LIM)는 접지에 대한 임피던스를 지속적으로 확인하고 첫 번째 결함이 발생하면 경고합니다. 이 시스템은 결함이 있는 장비를 식별하고 제거하는 동안 수술 절차를 안전하게 계속할 수 있게 합니다. | NEC 제517조(의료 시설), NFPA 99(의료 시설 코드). NEC는 수술실 및 기타 습기 있는 절차 위치에서 격리 전원 시스템을 요구하며, 시설이 대체 접근 방식을 허용하는 “필수 전기 시스템” 조항에 따라 설계되지 않은 경우에 해당합니다. |
| 산업 제어 패널 및 기계 | 제어 회로와 전원 회로 간의 갈바닉 격리로, PLC, 센서 및 운영자 인터페이스를 전압 스파이크, 접지 루프 노이즈 및 전원 측의 접지 결함으로부터 보호합니다. 아이솔레이션 트랜스포머는 또한 제어 회로가 전원 시스템과 독립적으로 접지되거나 플로팅 상태로 유지될 수 있게 합니다. | NEC 제409조(산업 제어 패널), NFPA 79(산업 기계에 대한 전기 표준). UL 508A는 산업 제어 패널 제작에 대한 표준이며, 제어 트랜스포머가 전원 회로와 제어 회로 간의 격리를 제공해야 한다고 요구합니다. |
| 실험실 테스트 벤치 및 연구 장비 | 전기 노이즈와 접지 루프로부터 민감한 기기를 보호하고, 테스트 및 개발 중에 노출된 전도체와 작업할 때 인력을 충격으로부터 보호하는 격리된 플로팅 전원 공급 장치. 아이솔레이션 트랜스포머는 실험자가 접지된 오실로스코프 프로브를 플로팅 회로에 연결할 수 있게 하여 접지 결함을 발생시키지 않도록 합니다. | 모든 실험실에 적용되는 단일 의무 표준은 없지만, NFPA 70E(작업장에서의 전기 안전) 및 실험실 장비에 대한 관련 IEC 표준의 원칙이 적용됩니다. 많은 대학 및 연구 기관에서는 모든 테스트 벤치 전원 공급 장치에 아이솔레이션 트랜스포머를 요구합니다. |
| 해양 및 해양 전기 시스템 | 해안 전원 접지 시스템으로부터의 격리로, 해안 측 접지 전류에 의해 선박의 선체 및 수중 금속의 갈바닉 부식을 방지합니다. 아이솔레이션 트랜스포머는 해안 측 접지 도체와 선박의 접지 시스템 간의 금속 연결을 끊으면서도 선박의 자체 접지 기준을 통해 선박의 전기 시스템에 접지된 2차 전원을 제공합니다. | 미국 보트 및 요트 협회(ABYC) 표준 E-11(보트의 AC 및 DC 전기 시스템), ISO 13297(소형 선박 — 전기 시스템 — 교류 설치). 해양 아이솔레이션 트랜스포머는 습기, 부식 및 진동에 취약한 해양 환경을 위해 설계된 특정 제품 카테고리입니다. |
| 오디오, 비디오 및 방송 장비 | 장비의 전원 공급 장치를 건물의 접지 시스템과 분리하여 접지 루프 험과 노이즈를 제거합니다. 절연 변압기는 오디오 또는 비디오 케이블의 차폐를 통해 60Hz 전류가 흐르도록 허용하는 접지 루프를 차단하여 신호에 험이 유입되는 것을 방지합니다. | 오디오 장비에 대해 절연 변압기를 요구하는 의무 전기 규정은 없지만, 전문 녹음 스튜디오, 방송 시설 및 라이브 사운드 시스템에서는 표준 관행입니다. 오디오 엔지니어링 소사이어티(AES)는 절연 변압기를 참조하는 접지 및 인터페이싱에 대한 권장 관행을 발표합니다. |
절연 변압기를 올바르게 지정하고 설치하는 방법
절연 변압기의 적절한 사양 및 설치는 절연 변압자의 전기적 특성을 부하와 일치시키고 적절한 보호 계획을 준수하며 관련 접지 및 본딩 요구 사항을 준수해야 합니다. 주요 사양에는 kVA 정격(연결된 부하를 고려해야 하며 — 80% 연속 부하 규칙을 적용하여 적절한 열 여유를 보장하고 향후 부하 증가를 허용해야 함), 1차 전압 및 2차 전압(전압은 순수 절연의 경우 1차 및 2차 측에서 동일한 전압일 수 있으며 — 예: 120 V 입력, V 출력 또는 전압 변환이 필요한 경우 다를 수 있음), 정전기 차폐(특히 전기 노이즈, 전압 스파이크 또는 1차 측의 공통 모드 전류가 2차 측 장비의 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 응용 프로그램에 설치할 때 — 차폐는 공급 측의 접지에 연결되어야 하며, 1차와 2차 사이의 시험 전압을 견딜 수 있어야 함), 인클로저 유형 및 환경 조건(전기실의 절연 변압기는 개방형 스타일로 설치할 수 있지만, 공장이나 실험실 또는 환경에서의 절연 변압기는 관련 등급이 있는 인클로저가 필요함 — NEMA 1은 건조한 실내 위치에, NEMA 3R은 야외 사용에, NEMA 4X는 세척용에, NEMA 12는 먼지 방지 산업 인클로저에 해당합니다.
설치 요구 사항은 격리 시스템의 안전성과 원활한 작동을 위해 중요합니다. 변압기의 인클로저와 코어는 모든 변압기에 대한 NEC 요구 사항에 따라 공급 측의 장비 접지 도체와 접촉해야 하며, 이는 1차에서 코어 단락으로 발생하는 고장을 차단하기 위해 상류 과전류 장치가 작동할 수 있도록 합니다. 2차 회로는 격리 회로로 배선 및 배열되어야 하며, 특정 응용 프로그램에 의해 명시된 경우에만 접지되어야 합니다(예: 해양 응용 프로그램에서 2차 중성이 선박 접지 버스에 접지되어야 할 때). 반면에 의료 격리 전원 시스템의 라인 격리 모니터(LIM)는 2차 측에 설치되어 2차 도체와 접지 사이에 연결되며, 정해진 임계값에서 트리거되는 알람이 장착되어야 합니다 — 실제로 50 kΩ입니다.
자주 묻는 질문
격리 변압기와 일반 변압기 사이의 차이는 무엇인가요?
전통적인 배전 변압기는 접지된 중성선이 있는 2차 회로를 생성합니다. 이 경우 중성선은 지구와 직접 접촉하여 접지 고장 사건이 발생하면 큰 전류가 흐르고 과전류 장치가 작동하게 됩니다. 격리 변압기라는 별도의 유형의 변압기는 접지되지 않거나 떠 있는 선을 제공하며, 다른 유형의 격리 변압기는 높은 저항(즉, 높은 임피던스)을 가진 접지된 선을 생성합니다. 따라서 고장이 발생할 경우 높은 고장 전류가 생성되지 않으며 충격이나 회로 차단이 발생하지 않습니다. 두 종류의 변압기는 1차 회로와 2차 회로 간의 갈바닉 격리를 제공하는 데 도움을 줍니다.
격리 변압기와 함께 라인 격리 모니터가 필요합니까?
NEC에 따르면, 격리 변압기가 의료 기관 내의 격리 전원 시스템에서 사용될 때 라인 격리 모니터(LIM)가 제공되어야 합니다. 그러나 산업, 실험실 및 해양 응용 프로그램의 경우 코드에 따라 항상 의무적이지는 않지만, 1상 접지 고장 동안 전원 공급이 방해받지 않도록 보장하는 것이 중요한 모든 상황에서 설치하는 것이 강력히 권장됩니다.
격리 변압기를 전압 변환에도 사용할 수 있습니까?
맞습니다. 격리 변압기는 전압을 상승시키거나 하강시키면서도 갈바닉 격리를 제공할 수 있는 어떤 권선 비율도 가질 수 있습니다. 2:1의 권선 비율을 가진 변압기는 격리를 제공하고 전압을 240 V에서 120 V로 낮출 수 있습니다. 격리 및 전압 변환 작업은 서로 독립적이며, 따라서 변압기는 이러한 작업 중 하나 또는 둘 다를 수행할 수 있습니다.
격리 변압기에서 전기적 차폐란 무엇인가요?
전기 정전기 차폐는 일반적으로 구리 호일 또는 스크린 형태의 전도성 접지 차폐로 구성되며, 이는 1차 및 2차 권선 사이에 위치합니다. 그 목적은 권선 간의 용량 결합을 최소화하여 고주파 전기 노이즈, 전압 스파이크 및 1차 측에서 발생하는 공통 모드 전류가 권선 간의 용량을 통해 2차 측에 도달하는 것을 차단하는 것입니다. 차폐는 의료, 실험실 및 산업 제어 분야에서 적용되는 대부분의 고립 변압기 표준에 따라 공급 측의 접지 도체에 연결됩니다.
참고 문헌
- NFPA 70 (NEC) — 제517조 (의료 시설) 및 제250조 (접지 및 본딩). 의료 분야의 고립 전력 시스템에 대한 국가 전기 규정 요구 사항과 변압기 및 별도로 유도된 시스템에 대한 접지 및 본딩 요구 사항.
- NFPA 99 — 의료 시설 규정. 병원 및 기타 의료 시설의 고립 전력 시스템을 포함한 전기 시스템에 대한 포괄적인 표준.
- UL 60601 — 의료 전기 장비 안전 표준. 의료 응용 분야에서 사용되는 고립 변압기에 대한 설계, 테스트 및 성능 요구 사항을 정의하는 표준으로, 절연 내전압 및 누설 전류 한계를 포함합니다.
- ABYC E‑11 — 보트의 AC 및 DC 전기 시스템. 해양 환경에서 갈바닉 부식을 방지하고 인력을 전기 충격으로부터 보호하기 위해 육상 전원 연결에 고립 변압기 또는 갈바닉 절연기를 요구하는 미국 보트 및 요트 협회의 표준.
고립 변압기는 전기 안전 분야에서 특별한 위치를 차지합니다. 다른 제품과 달리, 접지 결함이 발생할 경우 차단기가 작동하는 대신, 변압기는 전혀 접지 결함을 일으키지 않습니다. 위험을 감지할 경우, 장치는 자동으로 작동을 중지하지 않고 경고음을 울리며 방에 있는 사람들이 정보를 바탕으로 행동할 수 있도록 합니다. 그 외에도, 단순히 두 회로를 분리하는 대신, 고립 변압기는 건물의 나머지 부분과 비교하여 다른 특성을 가진 부유 전기 섬을 생성합니다. 앞서 언급한 점들로 인해, 수술실, 산업 제어 패널, 실험실 책상 또는 선박에서 고립 변압기를 사용하는 것은 선택이 아니라 안전 기준에 따른 의무임을 쉽게 알 수 있습니다. 따라서 수비안 전기 회사는 의료, 산업, 실험실 및 조선 분야를 위한 고립 변압기를 제작합니다.