P형 수신기 감지기 회로 말단 저전압 - 전압강하 계산과 개선안 비교
3층 규모 노인요양시설에 P형 24V 직류 수신기와 스포트형 연기감지기 25개가 하나의 회로로 연결되어 있다. 수신기 단자전압은 무부하 시 24.0V이고, 감지기 1개당 소비전류는 제조사 사양 50mA, 최소 동작전압 20V, 최대 허용전압 28V이다. 배선은 1.5㎟ 동선 2선으로 수신기에서 최말단 감지기까지 편도 300m이며, 감지기는 회로를 따라 균등하게 배치되어 있다. 이 회로는 3년 전 준공 당시 정상 동작했고, 동일 수신기의 다른 4개 회로는 모두 정상이다. 감지기 25개는 동일 제조사·동일 로트 제품이고 육안검사에서 오염이나 파손은 없었다. 준공검사 전 작동시험에서 말단 쪽 감지기들이 간헐적으로 화재표시를 놓쳤으며, 시공사는 "감지기가 불량"이라며 감지기 교체만 요구하고 있다. 현장 온도는 20℃이고, 회로 절연저항은 0.05 MΩ으로 측정됐다(기준 0.1 MΩ 이상). 동선 저항률은 20℃에서 0.0175 Ω·㎟/m로 하고 접속부 및 감지기 내부저항은 무시한다. 수신기 회로 정격전류는 1A이다.
1. 최말단 감지기 단자전압을 (i) 전 부하가 말단에 집중된 것으로 보는 보수적 방법과 (ii) 부하 분산을 고려한 방법으로 각각 계산하고, 제조사 사양 대비 판정하시오.
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회로 상수
- 편도 저항 = 0.0175 × 300 ÷ 1.5 = 3.50 Ω → 왕복(루프) 7.00 Ω
- 총 부하전류 = 25 × 0.05 = 1.25 A
(i) 보수적 계산(전 부하 말단 집중) ΔV = 1.25 × 7.00 = 8.75 V → 말단 전압 = 24.0 - 8.75 = 15.25 V
(ii) 분산부하 계산 구간 1개 길이 12 m, 구간당 루프저항 = 7.00 ÷ 25 = 0.28 Ω. 각 구간은 하류 감지기 전류만 나른다. Σ(하류 전류) = 0.05 × (25+24+…+1) = 0.05 × 325 = 16.25 A ΔV = 0.28 × 16.25 ≒ 4.55 V → 말단 전압 = 24.0 - 4.55 = 19.45 V
판정 두 방법 모두 최소 동작전압 20 V 미달이다. 실제 배선에서는 분산 효과로 (ii)가 현실에 가깝지만, 19.45 V는 여유가 0.55 V뿐이어서 온도 상승(도체 저항 증가), 접속부 저항, 절연 열화에 따른 누설로 쉽게 20 V 아래로 떨어진다. 말단 감지기의 간헐적 미표시는 전원 전압 부족으로 내부 회로가 리셋되는 전형적 증상이다. 최대 허용전압 28 V는 문제되지 않는다.
2. 시공사의 '감지기 교체' 주장의 타당성을 판단하고, 계산 근거를 포함해 가장 경제적인 개선안 두 가지를 비교하시오.
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타당성 동일 로트·무손상 감지기가 회로 위치에 따라 다르게 동작하고, 다른 4개 회로는 정상이며, 절연저항까지 기준 미달이다. 고장 지점은 감지기가 아니라 배선(전압강하 + 절연열화) 이다. 감지기 교체는 증상만 가리고, 예산과 일정을 낭비한다.
개선안 ①: 회로 2분할 150 m, 13개/12개로 나누면 최악 회로(13개)의 루프저항은 2 × 0.0175 × 150 ÷ 1.5 = 3.50 Ω, 전류 0.65 A → ΔV = 2.28 V → 말단 21.7 V. 분산 계산 시 22.5 V 수준으로 여유가 크다. 수신기의 여유 회로와 단자 용량(1A 정격, 회로당 0.65 A)을 확인하면 되고, 케이블 신설 구간이 짧아 가장 저렴하다.
개선안 ②: 4㎟로 증설 루프저항 = 2 × 0.0175 × 300 ÷ 4 = 2.63 Ω → 보수적 ΔV = 3.28 V → 말단 20.7 V, 분산 계산 시 22.3 V. 성능은 확보되나 300 m 전 구간 재시공이 필요해 자재·철거 비용이 크다.
검토 대상에서 제외 수신기 승압(30 V)은 무부하 시 30 V가 감지기 최대 허용전압 28 V를 넘겨 상시 과전압 상태가 되므로 부적합하다. 결론은 절연 불량 배선의 교체·보수를 전제로 한 회로 2분할이 최적이다.
3. 절연저항 0.05 MΩ 측정 결과의 의미와, 이 값이 회로 동작에 미치는 영향을 설명하고 필요한 조치를 제시하시오.
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의미 기준 0.1 MΩ의 절반 수준으로, 도체 간 또는 도체-대지 간 절연이 열화됐다는 뜻이다. 준공 3년차에 이 값이 나왔다면 시공 시 압착 불량, 케이블 피복 손상, 습기 유입, 접속함 내 결로가 원인 후보다.
동작에 미치는 영향
- 누설전류가 부하전류에 더해져 전압강하가 계산값보다 커진다. 19.45 V라는 계산 여유 0.55 V를 누설이 잠식하면 말단 감지기가 실제로 동작 불능에 빠진다.
- 누설은 오동작(비화재보)과 미동작을 함께 유발해 원인 추적을 어렵게 한다.
- 습기条件下에서는 절연이 더 떨어져 수신기 회로 카드 손상으로 확대될 수 있다.
조치
- 회로를 분리한 상태에서 구간별 절연저항을 측정해 불량 구간을 특정한다(메거 사용, 감지기·수신기 분리 후 측정).
- 불량 구간 케이블 교체 또는 접속부 재시공 후 0.1 MΩ 이상 재확인한다.
- 전압강하 개선(회로 분할)과 절연 보수를 함께 시행한 뒤, 말단 감지기 단자전압과 작동시험을 재실시하고 결과를 기록으로 남긴다.