2.1 전기자동차 충전장치의 화재위험 요인 분석

EVSE는 교류 또는 직류방식으로 고전압 및 대전류를 장시간 공급하는 전력기기이며, 그 특성상 다양한 전기적 결함에 취약하다. EVSE의 화재 발생은 전기적 및 환경적 요인을 기반하여 복합적으로 작용하여 발생한다. 전기적 원인은 과전류와 절연파괴 등으로 인한 발열과 아크가 주된 위험 요소이며, 환경적 요인은 습기, 먼지 등 외부 조건에 의한 절연성능 저하 및 부식으로 이어진다. 따라서 화재 예방을 위해 요인별 맞춤형 설계와 기준 강화가 필수적이라 할 수 있으며, 이는 설계단계에서부터 정략적으로 분석하고 예방 중심의 설계가 요구된다^[8]. 표 1은 충전장치의 화재발생의 전기적 원인, 표 2는 전기자동차 충전장치 화재의 환경적 원인에 대해 메커니즘과 대표적인 사례를 나타내고 있다.

2.2 국내 기준 전기자동차 충전장치 설계기준 고찰

전력간선 선정을 위해서는 KEC의 212.4의 과부하전류에 대한 보호를 고려하여야 한다. Fig. 2는 도체와 과부하 보호장치 사이의 협조로 과부하에 대해 케이블(전선)을 보호하는 장치의 동작특성을 나타내고 있다. 식 (1)과 (2)의 조건을 충족해야 한다. I B 는 회로의 설계전류, I Z 는 케이블의 허용전류, I n 은 보호장치의 정격전류, I 2 는 보호장치가 규약시간 이내에 유효하게 동작하는 것을 보장하는 전류이며, 차단기의 동작특성과 함께 검토하여야 한다^[9].

그림 2. 과부하 보호 설계 조건도

Fig. 2. Overload Protection Design Conditions

KEC 212.4 과부하전류에 대한 보호에 따르면, 전로의 도체는 부하의 설계전류가 연속적으로 흐르더라도 안전하게 전류가 흐를 수 있도록 선정되어야 하며, 만약 설계전류를 초과하는 과부하전류가 지속적으로 흐르는 경우 도체의 허용온도 한계를 초과하지 않도록 과부하 보호점에서 차단이 이루어져야 한다. 이때 과부하 보호점(1.45 I Z )은 정격전류의 1.45배 전류가 60분간 지속적으로 흐를 때 도체 온도가 연속사용 온도에 도달하는 지점으로 정의된다. 따라서 과부하 보호장치 배선용차단기는 해당 전류-시간 조건을 만족하도록 동작전류 및 동작시간 특성이 만족할 수 있도록 설계 되어야 한다. 표 3은 이러한 배선용차단기의 대표적인 동작 특성을 나타내고 있다^[9].

전기자동차 전원설비에 대한 설계기준은 KEC의 241.17조를 적용하며, EVSE를 구성하는 전원설비에 대한 구조적·전기적 안전기준을 명시하고 있으며, 이는 국내 전기자동차 충전 인프라 설계 및 시공의 법적 근거가 된다.

EVSE에 전원을 공급하는 모든 저압 전로 및 분기회로, 개폐기, 보호장치, 충전기기, 연결 케이블 등을 포함하는 전기자동차 전원설비에 대해 세부적인 설계 및 설치 요건을 제시한다. 먼저, EVSE는 전용 분기회로를 통해 공급되어야 하며, 각 극에는 과전류 차단기와 함께 누전차단기 또는 감전 보호장치를 병설함으로써 감전 및 화재위험을 예방하도록 요구한다. 이러한 보호장치는 KEC 282 및 282.3.2.3에 따라 30 mA 이하의 누설전류에 반응하도록 설계가 되어야 한다.

전로의 배선은 불연재 또는 난연성 외함을 적용하여야 하며, 충전부 노출을 방지하는 구조적 조치를 포함해야 한다. 특히 습기, 외부 충격, 진동 등이 예상되는 설치환경에서는 IP등급(IPX4 이상), KI등급(IK08 이상)을 만족하는 외함 사용이 의무화되어 있으며, 옥내외 설치에 따라 인클로저 등급 및 방습설계가 구분된다. 이와 함께, 충전커넥터 및 케이블은 극성 구분, 접지선 우선 접속, 자동 인터록 기능(전원차단) 등을 포함해야 하며, 사용 중 충격이나 낙하로 전기적 이상이 발생하지 않도록 기계적 강도를 확보해야 한다.

KEC 241.17.5에서는 지하주차장 내 설치 제한을 명시하고 있다. 이동형 EVSE는 지하층, 옥내, 옥상 설치가 원칙적으로 금지되며, 고정형 EVSE의 경우에도 지하 3층 이내, 화재감시용 CCTV 설치, 내화구조 구획 내 설치, 방열 간격 확보 등의 요건이 충족되어야 한다. 이러한 제한은 밀폐된 공간에서의 과열, 누전, 충전 중 화재 발생 시 대피 곤란성을 고려한 것으로, 화재 안전기준 및 소방청 지침과 병행 적용하고 있다^[9]. 표 4는 KEC 241 "전기자동차 충전설비"에 대한 설계기준을 나타내고 있다.

2.3 해외 기준 전기자동차 충전장치 설계기준 고찰

IEC 61851에서 제정한 EVSE의 표준으로, 현재 국내 KS R IEC 61851＂전기자동차 도통식 충전시스템＂으로 채택되어 있다. 이 기준은 EVSE의 제작에 관한 시험기준, 통신 프로토콜 및 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 인증 등 장비 제작에 관한 세부 기준으로 반영되어 있어 실제 설치 환경에 대한 내용이 부족하다^[10]. 전기자동차 부하용량 계산, 전용 회로에 대한 요구사항, 지하주차장 설치조건, 내화 케이블, 소방시설 연계기준 등의 설치환경에 대한 구체적인 검토가 요구된다. 표 5는 IEC 61851 및 NEC 625 설계기준을 나타내고 있다.

NEC Article 625 “Electric Vehicle Power Transfer System”은 EVSE의 설계, 시공 및 유지관리에 관한 기준을 명시하고 있다. 이 규정은 EVSE의 설치 시 전기적 위험을 최소화하기 위한 배선 방법, 보호장치 선정, 접지 및 본딩, 설치 위치 선정 등의 설치 방법을 제시하고 있다. Article 625절 해당 기준의 설계절차는 크게 6단계로 정리할 수 있다. 첫 단계로, EVSE의 정격전류 및 운전 상태를 고려한 부하 분석이 수행되며, 분기 회로는 EVSE의 연속전류 정격의 125 % 이상으로 설계되어야 한다. 이어서, 충전기마다 전용 분기회로를 구성하고, 과전류 보호장치 (OCPD: Overcurrent Protection Device)와 접지 누전차단기 (GFCI: Ground-Fault Circuit Interrupter)를 포함한 보호장치를 적용한다^[11].

설치 위치는 실내 또는 실외 모두 설치할 수 있나, 기계적 손상으로부터 보호하기 위해 차량 충돌 가능성이 있는 장소에는 볼라드, 콘크리트 Wall을 설치하고 있다. 조작부의 높이는 바닥으로부터 610~1220 mm 범위에 배치한다^[11].

충전기의 정면에는 유지보수 공간 확보를 위해 최소 914 mm의 깊이, 762 mm의 폭, 1980 mm의 작업 높이가 필요하며, 이는 NEC 110.26의 일반적인 작업 공간 요구사항에 따라 적용된다. 실내 설치 시에는 수소가스 또는 휘발성 물질 발생 가능성에 대비하여 자연 또는 기계식 환기설비를 추가로 계획해야 하며, 이를 통해 실내 환경의 누적 폭발위험을 줄일 수 있다. 충전 케이블의 길이는 최대 6.1 m(20 ft)로 제한하고 있다. 케이블은 사용자 안전을 위해 절연 및 접지설비를 갖춰야 한다^[11]. 결과적으로, Article 625 규정은 설계 단계에서의 명확한 기술적 가이드라인을 제공하며, 전기자동차 충전 인프라의 국제적 안전기준 수립에도 중요한 기준으로 활용되고 있다.

2.4 해외 기준과 국내 기준의 설계방법 비교검토

EVSE의 안전 확보를 위한 설계기준은 IEC 61851, NEC Article 625, 그리고 KEC 241.17 및 212.4에 근거한다. 해외, 국내 기준은 모두 EVSE의 설치 위치, 배관·배선, 외함 보호등급, 전원설비에 관한 공통된 요구사항을 규정하고 있으나, 세부적인 기술적 범위와 안전성 확보 측면에서는 차이를 보인다. 특히 KEC 기준은 다음의 세 가지 측면에서 보완이 필요하다.

첫째, KEC는 주로 전기배선 및 기구적 안전요소에 초점을 맞추고 있으며, 둘째는 DC 고장전류에 대한 감지 및 차단 요건, EVSE와 차량 간의 인터록 통신, 연속부하에 따른 회로설계 기준이 없으며, 급속충전 시 발생 가능한 고주파 누설전류 및 접지 루프 문제에 대한 대응이 미흡하다. 마지막 세 번째는 지하층 및 주차장 설치에 관한 화재에 대한 안전기준은 건축법 및 국가화재안전기준과 분리되어 규정됨으로써, 실제 설계 및 인허가 단계에서 중복 검토 및 해석상의 혼선을 초래할 수 있다.

참고문헌 ^[12]에 따르면 과전류 보호장치는 IEC 경우 차단기, 퓨즈등 단락보호 기능을 요구하며, NEC에서는 OCPD 필수이며 Arc Flash 계산을 요구하고 있다.

KEC는 보호장치의 특성(산업용, 주택용 배선용차단기)을 구분하여 사용되며, 설계전류 이상의 과부하전류가 흐르게 되면 도체를 보호하기 위하여 도체의 과부하 보호점(1.45 I Z )이 보호될 수 있도록 하고 있다.

누전 및 감전보호로 IEC는 RCD 의무적용 및 DC 6 mA 이상 검출 시 차단하도록 규정하고 있으며, NEC에서는 GFCI 의무적용 및 DC 6 mA 이상 검출 시 차단하도록 하고 있으며, KEC는 누전차단기로 감전보호 30 mA 이하로 규정하고 있다. 보호등급은 IEC 경우 침입보호등급 (IP: Ingress Protection Rating) IP44 이상으로 규정하고 NEC에서는 미국 전기 제조업 협회(NEMA: National Electrical Manufacturers Association) 규격으로 규정하고 있다. 옥내에 설치 시 NEMA 1, 옥외에 설치 될 경우 NEMA 4X 및 NEMA 3R을 의무적으로 적용한다.

KEC는 옥외 IPX44 이상, 옥내 IP41을 적용하고, 전압별 단계구분은 IEC, KEC에서는 규정하고 있지 않으며 1단계(1~120 V), 2단계(130~240 V), 3단계(480 V 이내)로 규정하고 있다.

회로별로 전용분기회로는 IEC, KEC에서는 명시적요구 및 일부만 적용되어 있으며 NEC 기준에서는 회로별로 전용분기회로 사용을 필수화하고 있다. 부하계산에서는 IEC, KEC 경우 부하률. 수용률을 적용하고 있으며 NEC 경우 연속부하 125 %를 적용하여 계산하고 있다. 전기자동차 충전 커넥터 길이는 IEC, KEC 경우 별도의 제한이 없으며, NEC의 경우 6.1 m(20 ft)로 적용하고 있다. EVSE의 지하주차장 설치에 관한 규정은 IEC 경우 별도 제한이 없고 NEC에서는 명시적으로 허용하고 있다. KEC에서는 지하3층 이내에 설치, 주차구역내 CCTV 적용 및 내화구조를 요구하고 있다. 표 6은 해외 및 국내의 설계기준을 비교하였다.

3.1 NEC 기준을 활용한 KEC 개정 방향 제안

전기자동차 보급이 활성화되면서 이에 따른 EVSE의 안전성과 신뢰성을 확보하기 위한 전기설계 기준이 가장 중요하다. 국내 KEC는 EVSE에 대한 기본 기술요건을 기준하고 있다. 하지만 해외 선진국의 설계기준과는 다소 차이가 있으며, 감전 및 화재 대응 능력은 여전히 미흡한 실정이다. 특히 연속부하를 고려한 보호 차단기 정격선정, EVSE의 DC 누설전류 보호, 고속충전기용 비상정지 장치 등의 항목은 기술적 세부사항이 부족하거나 부재하다. 반면 미국의 NEC Article 625는 충전방식별 회로 구성, 보호장치 기준, 충돌 방지 구조 및 충전기와 타 시설물 간의 이격거리 등 실무적 설계 요소를 구체적으로 규정하고 있다. 따라서, KEC 기준 체계에 기술적으로 해외 선진국의 설계기준을 통합 적용할 수 있는 개정 방향을 제안하고. 실제 국내에서 준공 완료한 EVSE 적용 사례를 해외 및 국내 KEC 기준을 비교검토 함으로써, 국내 KEC 개정을 제도적으로 정착시키기 위해 표준 설계 가이드, 설계기준 개정 및 엔지니어 대상 기술교육 등 체계적인 프로그램을 통해 국제표준 대응 역량을 강화에 기여할 수 있다.

NEC 기준에서는 회로별로 전용분기회로 사용을 필수화하며, 급속 및 완속 충전기 모두 별도 과전류 보호장치OCPD와 GFCI 설치가 요구된다. 또한, Arc Flash 위험 분석으로 아크 보호와 감전 예방을 위한 정량적 기준이 포함하고 있다^[12]. KEC에서는 아크 보호에 대한 명확한 기준이 없어 인체 감전 사고에 대한 보호가 필요하다.

Arc Flash에 대한 규정은 NEC의 경우 NFPA 70E 기준으로 아크 위험도 분석을 필수적으로 적용하나 KEC 규정에는 적용되어 있지 않다. 전류 수백 A 이상일 때 수 ms 내에 폭발 발생, 순간 온도 최대 35,000 ℃로 기기 파괴, 충격음, 파편 튐 현상 발생하고, 인체에는 화상, 청각 손실, 실명, 사망까지 이르게 할수 있다. 이에 KEC에서는 NEC 110.16처럼 Arc Flash 위험 경고 표지 부착 의무화, NFPA 70E 기반 Arc Flash Study을 반영하여 대책을 수립이 필요하다.

DC 누설전류 보호기준은 NEC에서는 UL 기반의 인체 감전보호회로를 의무화하여 적용하고 있으나 KEC의 경우 별도 규정이 없어 안전성 저하의 우려가 발생하고 있고 DC 누설 점검 항목이 없어 실제 사고시 원인 분석 어려움이 있다. 따라서 DC 누설전류 6 mA 초과시 1초 이내 차단 기준을 확보하여야 한다.

전기자동차 기계적 충돌보호는 NEC의 경우 차량 충돌 가능위치에 볼라드를 의무화하고 충전기 전면은 최소 1m 이상 이격하도록 규정되어 있으나 KEC에서는 IK08 이상의 기계적 외함의 충격보호 등급을 적용하고 있다. 따라서 보행자 및 차량 충돌의 위험 최소화, 차량충돌시 전도, 감전의 영향을 줄일수 있도록 볼라드, 최소 이격거리 등 물리적 보호가 가능하도록 적용되어야 한다.

전기자동차 충전 커넥터 길이는 NEC의 경우 20 ft로 적용하고 있으나 KEC 규정에는 적용되어 있지 않다. 충전 커넥터의 과도한 길이는 안전사고에 대한 위험이 존재할 수 있으며 설치방식, 국내 주차장 구조나 설치 위치 등을 고려하여 설치장소에 따른 최적의 길이를 적용하여야 한다.

비상정지장치의 경우 NEC에서는 UL 2202에서 즉시 차단 가능한 비상정지장치를 급속, 완속 모두 의무화하고 있으나 KEC에서는 명문화되어있지 않고 설계자가 선택적으로 급속 충전시에만 적용하고 있다. 완속 충전시에도 감전, 화재시 즉시 차단하여 피해를 최소화하도록 의무화가 필요하다.

전기자동차의 소방시설과의 연동기준은 화재 발생 시 충전 전류가 계속 통전될 경우 연소확대 우려, 인체감전 위험으로 이어지게 된다. 따라서, 소방설비와 연동 조항을 신설하여 화재감지기 또는 화재수신반 신호를 받아 자동으로 EVSE 전원 차단 및 수동으로 차단할 수 있도록 대책이 필요하다. 표 7은 NEC 기준을 활용한 KEC 기준개정 방향을 제안하였다.

3.2 실 검증을 위한 부하산정 비교분석

전기자동차 보급 확대와 함께 충전 인프라의 설치가 빠르게 증가하고 있으며, 특히 급속 충전장치와 완속(저속) 충전장치를 병행하여 구축되는 사례가 늘어나고 있다. 이러한 환경에서 전기자동차 충전설비(EVSE)의 안정적 운영과 경제성을 확보하기 위해서는 전원설비의 합리적 구성과 더불어 정확한 부하 산정 검증이 필수적이다.

본 연구에서는 실제 준공된 EVSE 설치 사례를 대상으로 KEC와 NEC를 각각 적용하여 전원용량 산정 결과를 비교·검토하였다. 이를 통해 각 기준의 차이를 분석하고, 국내 실정에 적합한 전원설비 계획 수립의 기초자료를 제시하고자 한다.

실제 준공 완료된 “000 건립공사” 건축물로 지하주차장에 설치한 전기자동차 충전장치이다. 실제 적용된 설계조건은 급속 충전장치 200 kW 2대, 완속 충전장치 7 kW 7대, 전압방식은 3상 380 V이며, 수용률은 100 %를 적용 하였으며, 전력간선의 구성은 동일한 분전반에서 급속, 완속충전장치에 전원공급 하는 방식으로 적용하였다.

KEC 기준으로 전기자동차 급속 및 완속 충전장치의 총 용량은 식(3)에 나타냈으며, 식(4)는 설계전류 값을 계산을 나타내고 있다.

NEC 기준으로 전기자동차 급속 및 완속 충전장치의 총 용량은 3시간 이상 사용되는 연속부하로 125 %롤 적용하여 식(5)에 나타냈으며, 식(6)은 식 (5)에서 계산된 설계부하 값 기준으로 설계전류의 계산값을 나타내고 있으며, NEC Article 625.5 및 625.42의 기준을 적용한 OCPD를 계산되었다.

EVSE는 24시간 사용되는 연속부하로 작동하는 특성상, 과전류, 접촉사고, 아크 발생 등 다양한 화재위험 요소에 노출되어 있다. 본 실 검증 비교분석에서는 급속충전기 200 kW 2대와 완속 충전기 7 kW 7대를 동시에 운용하는 실검증 조건을 바탕으로, 미국 NEC와 KEC의 설계기준을 적용한 전기설비 설계를 비교분석을 표 8에 나타내었다.

NEC 625.42에 따라 3시간의 연속부하로 전체 부하 449 kW의 125 %를 적용한 561.3 kW로 산정하였으며, 반면 KEC는 연속부하의 개념이 없어 449 kW의 부하로 계산되었다. 이 차이는 설계 시 차단기 용량, 케이블 규격, 배관 크기 및 경제적 등 주요 요소에 영향을 주게 된다. 즉 KEC에서는 수용률을 적용하여 설계자의 판단을 존중하고 경제성과 유연성 강조하는 방식으로 적용하기 때문에 적용에 오류가 발생할 수 있는 소지가 있다. 또한 과부하 보호점은 1.45배의 전류가 60분간 지속할 때 연속사용온도에 도달하는 지점으로써 완속충전장치의 충전시간이 약 14시간 정도 소요되는 시간을 고려하여 60분 이상의 연속부하에 대한 검토가 필요하다.

NEC는 최대수요 부하를 기준으로 정량적 계산을 적용하여 안전성과 일관성을 중시한다. 따라서 NEC 기준처럼 전기자동차 충전부하는 연속부하로 간주하여 도체 및 OCPD는 최대부하의 125 % 이상을 명문화하여 설계자의 해석에 대한 편차를 최소화 하고 과열 및 트립 등 사고에 대한 여유를 확보하는 것이 검토되어야 한다. Fig. 3은 KEC 기준의 개선안에 대해 전기자동차 충전장치 설계에 대한 Flow Chart를 나타내고 있다.

그림 3. 전기자동차 충전장치 전기설계 절차

Fig. 3. Electrical Design Flow Chart for Electric Vehicle Charging