무대 조명설비의 설계

[새벽하늘]

무대 조명설비의 설계

배석명 - 전기안전연구원 기준연구팀장
공연장에 있어서 무대 조명설비는 작품에서 표현하고자 하는 다양한 효과를 연출하는 데 반드시 필요한 설비로서 예를 들면, 무대를 보이게 하는 기본적인 기능, 춘하추동, 아침·저녁, 맑고 흐린 날씨 등의 정경묘사, 무대를 현란하게 하거나 또는 정적인 느낌을 주는 등의 미적묘사, 출연자의 심리묘사 또는 주시하기 위한 팔로우조명 등의 효과에 필수적이다.

1. 분기회로
가. 분기회로의 구성
분기회로는 간선으로부터 분기하여 과전류 차단기를 거쳐 부하에 달하는 배선을 말한다. 일반의 무대 조명설비의 분기회로의 구성을 <그림 1>에 나타내었다.

나. 회로수
무대 조명설비는 공연장의 특징, 규모 등과 밀접한 관련이 있기 때문에 무대의 크기, 설비의 내용도 각기 종류가 다르다. 따라서 회로수도 기본적으로는 공연장에 따라 크기가 달라진다. 그러나 무대의 운용 방법은 공연장의 규모나 형태에 관계없이 큰 차이는 없다.
일반적으로 무대 조명의 부하설비 및 회로수를 검토하는 데 있어 고려할 점은 다음과 같다.
(1)무대 조명은 공연하는 내용에 대한 연출 의도에 따라 조명기구, 기재를 구별하여 사용하기 때문에 부하설비는 대개 콘센트설비이다.
(2)조명의 준비는 공연하는 동안 모든 장면에 대응하는 조명기구를 세팅하여야 하기 때문에 많은 수량의 콘센트가 필요하다.
(3)공연물의 종류에 따라 세팅하는 조명기구의 위치가 다르기 때문에 무대 조명설비에 있어서의 콘센트 배치 및 부하회로는 실제 사용 용량보다 많은 설비를 해두어야 한다.

다. 회로수의 산출
무대 조명의 분기회로는 상술한 바와 같이 부하 회로수의 총수로 구성된다. 여기서는 무대 조명 부하 분기회로 총수의 참고 산출 예를 다음 식에 나타낸다. 최종적으로 회로수의 결정은 공연장의 특성, 운영자의 의견 등을 반영하여 선정하는 것이 바람직하다. 분기회로 총수 = 무대 조명 면적 × 단위 면적 회로수단위 면적 회로수 = 1.5∼2회로(다만, 객석등용 부하 분기회로는 제외)무대 조명 면적 = 주무대 폭(Xm) x 주무대 안쪽길이(Ym)

라. 조광기의 정격 용량과 분기회로 용량
무대 조명에 사용하는 조명기구는 전구 용량이 크기 때문에 무대 조명 회로의 부하 용량의 크기, 회로 용량은 일반적으로 20A, 30A, 40A, 60A에서 설계할 필요가 있다. 따라서 설비되는 조광기의 용량은 그 부하 용량에 따라 여러 종류의 조광기의 정격 용량(2kW, 3kW, 4kW, 6kW)에서 선정하여야 한다. 이 경우 분기 과전류 차단기의 용량은 조광기의 정격에 적합한 것으로 보호되어 있어야 한다.

2. 무대 조명설비의 과전류 보호
가. 무대 조명설비에 있어서의 과전류 차단기의 오동작
(1) 배선용 차단기의 단락보호 특성에 의한 불필요 동작
가) 월류(러쉬전류) _____ 백열전구, 할로겐전구의 필라멘트의 고유 저항 값은 상온에서 대단히 작고, 온도가 상승함에 따라 높은 값이 된다. 이것은 상온 상태로 필라멘트에 전압을 인가한 순간으로부터 발광 정상 온도에 달하는 사이의 저항 값의 변화에 따라 흐르는 전류는 정상 전류보다 훨씬 큰 전류가 흐르며 이 전류를 월류(러쉬전류)라고 한다.무대 조명으로 사용되고 있는 전구에서 전압 인가의 순간으로부터 안정 전류에 이르기까지의 월류 특성의 일례를 <그림 3>에 나타낸다.
나) 월류에 의한 불필요 동작 _____ 일반적인 배선용 차단기를 무대 조명설비에 사용한 경우 월류에 의해 불필요 동작이 발생하는 원인은 다음과 같다.
① 무대 조명의 특수성에 관해 앞서 언급한 바와 같이 분기회로의 정격 용량과 같은 부하 용량의 조명기구를 사용하기 때문에 배선용 차단기의 정격 전류에 상당하는 부하전류가 흐른다.
② 전구의 정격 용량에 대한 여유도는 108% 이하(무대 조명용 전구에 관한 규정은 없지만, 일반 조명용 할로겐전구에 대하여 108% 이하로 KS C 7523에 규정되어 있기 때문에 일반적으로 이것을 채용)로 규정하고 있기 때문에 배선용 차단기의 정격 용량을 초과한다. 따라서 전원전압 100% 상태에서 점등시의 월류는 범용의 배선용 차단기의 동작 특성 곡선의 트립 영역에 들어가기 때문에, 배선용 차단기의 트립 장치에 의해 순시에 동작하는 것이 있다. 이 현상을 <그림 4>에 나타낸다.
(2) 과전류 차단기의 과전류 보호특성에 의한 불필요 동작
가) 배선용 차단기의 정격 전류 _____ 배선용 차단기의 정격 전류는 기준 주위온도 40℃에서 연속적으로 통전할 수 있는 전류를 기준으로 하고 있다. 배선용 차단기는 전선을 보호하기 위해 반내(盤內) 온도에 따라 반외(盤外)의 전선을 보호하도록 설계되어 있다. 일반적으로 40℃의 주위 온도를 기준으로 조정되어 있기 때문에, 반내에 집합된 인접한 배선용 차단기 그 외에 기기의 온도에 의한 영향 등을 고려한 경우, 추정 반내 최고 온도에 따라 이것이 40℃를 초과하면 그 차이 1℃당 1%의 비율로 부하를 경감시키는 것이 바람직하다. 또한, 그와는 별도로 부하기기의 정격 전류의 정밀도, 전원 전압의 변동, 주파수의 차이 등을 고려하여 10∼15%의 여유도가 필요하다.
나)부하 정격 전류에 의한 불필요 동작 _____ 무대 조명설비에서 사용하는 부하는 전구 용량이 500W, 1kW, 1.5kW, 2kW, 3kW 및 5kW 등이며 조명은 거의 조광 제어이고 분기회로마다 조광 조작이 필요하므로 공연 중에 동시에 조광하는 복수의 조명기구는 하나의 분기회로에 접속하여야 한다.
따라서 분기회로의 정격 용량과 같은 부하 용량이 되는 조명기구를 접속하여 사용하는 경우가 많다. 이에 따른 분기 배선용 차단기의 과전류 보호 영역에서의 불필요 동작이 발생하게 된다.

나. 무대 조명설비에 요구되는 과전류 차단기무대 조명설비에서 불필요 동작을 방지할 수 있는 과전류 차단기로는 퓨즈가 적절하지만 분기회로 수가 대단히 많고 분기회로 용량이 크기 때문에 운용상 주로 배선용 차단기를 시설하고 있다. 따라서 여기서는 배선용 차단기 또는 분기회로에서 이들 불필요 동작을 방지하는 대책에 관해서 서술한다.
(1) 배선용 차단기를 적합 특성으로 하는 대책기술기준에 정해진 규정에 적합하며 또한 월류 및 정격 전류에 의한 불필요 동작을 방지할 수 있는 무대 조명설비의 분기회로에 사용하는 배선용 차단기는 다음에 의해야 한다.
(가) 정격 전류의 1.1배에서 자동적으로 동작하지 않아야 한다.
(나) 단락 보호 영역에 있어서, 그 동작 특성이 동작 시간 0.02초 이하에 있어서 동작 전류치가 정격 전류의 12배 이하에서 동작하지 않아야 한다. 일반적으로 사용하고 있는 과전류 차단기의 특성의 일례와 무대 조명설비에 적합한 분기회로의 배선용 차단기의 특성을 비교하면 <그림 5>와 같다.
(2) 분기회로에 의한 대책연속 부하로 사용하는 분기회로의 부하 용량은 배선용 차단기의 정격 용량의 80%를 초과하지 않는 분기회로로 구성하는 것이 바람직하다. 무대 조명설비의 분기회로의 종류는 일반적으로 20A, 30A, 40A, 50A 및 60A의 각 회로가 사용되고 있으나 대부분 30A 분기회로를 사용한다. 그 이유는 전술한 바와 같이, 동시에 조광할 필요가 있는 조명기구 군을 하나의 분기회로에 일괄해서 접속하는 단위 용량이기 때문이다.
즉, 500W x 6대 이하, 1kW x 3대 이하, 1.5kW x2대, 2kW x 2대, 3kW x 1대의 각각의 조합에 의한 것이 가능해야 한다. 공연에서는 특히 1kW급 및 1.5kW급의 조명기구를 대부분 사용하고 여러 대수를 1회로로 사용하는 경우가 많다. 이것을 전제로 배선용 차단기의 정격 용량의 80%를 초과하지 않는 분기회로로 한 경우 기술기준 제196조에 의해 무대 조명설비의 분기회로는 <표 1>와 같이 된다.
(3) 단락 전류의 계산무대 전기설비는 일반적으로 대용량 간선으로부터 직접 다수의 분기회로에 분산 접속되는 경우가 많으므로 특히 단락 보호 협조시 충분히 유의하여야 한다. 과전류 차단기 보호 협조의 검토에 있어서는, 반드시 단락 전류를 계산하고 각 보호기기의 종류, 정격의 선정, 정정치를 결정하여야 한다