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뇌 보호 시스템의 트라이앵글 공법
(주)의제전기설비연구원
전력신기술제도는 고부가가치 산업인 전력산업과 전력분야의 국제경쟁력 제고를 위해 전력기술 발전이 요구되는 시점에서 정부와 연구기관만의 노력으로는 한계가 있으므로 민간부문에서 자율적으로 전력산업기술개발에 참여시켜 전력산업기술개발을 촉진하기 위해 제정된 제도다.
산업자원부는 지난달 1월, 전력기술관리법에 의거 전력신기술 제28호로 (주)의제전기설비연구원의 ‘뇌 보호 시스템의 트라이앵글 공법’을 지정, 고시했다.
이 기술은 각 군사 중요시설 및 전자 장비로 가동하는 초고층 빌딩, 대규모 공장설비, 한국전력 송·변전 설비 등 낙뢰의 유입으로 피해가 예상되는 건축물 등에 적용되어 보다 완벽한 뇌 보호 대책을 수립할 수 있을 것으로 기대된다.
트라이앵글 공법 개요
KS 규격의 국제화로 피뢰관련 규격이 이미 KS C IEC 61024로 제정 공포되어 시행중이다. 현재까지 국내에서 접지는 1종, 2종, 3종, 특별3종으로 나누어 개별 접지를 기본으로 해왔으나 개정된 규정에 의하면 모든 접지는 하나의 공통 접지로 해야 하며 등전위화가 필수적이다.
개별 접지로 인한 여러 가지 문제점을 극복하고 낙뢰 피해를 최소화하기 위한 당사의 신기술 공법은 쌍극자 피뢰침으로 직격뢰를 차단하고 서지 프로텍터로 유도뢰를 차단하며 등전위 접지를 실시하는, 삼각 요소의 조화로 이루어진 완벽한 트라이앵글 시스템으로 전위 상승을 억제해 인명과 안전을 최우선한 시스템이라 할 수 있다. 당사의 신기술 공법을 실제로 시공한 결과 완벽한 낙뢰 방호를 이룩했으며 낙뢰로부터의 위험과 두려움에서 벗어날 수 있었다. 당사의 트라이앵글 신기술 공법에 대해 간략히 요약하면 다음과 같다.
 1) 직격뢰 차단 : 당사에서 개발한 쌍극자 피뢰침을 설치해 대지의 전하를 방전 분산시킴으로써 낙뢰의 근본적인 조건을 제거해 직격뢰를 차단한다.
2) 유도뢰 차단 : 서지 프로텍터를 전원부와 통신부 인입 라인에 설치함으로써 외부에서 유입되는 유도뢰를 완벽히 차단한다.
3) 등전위 공통 접지 : 낙뢰시 전위 상승을 최대한 억제하고 보폭 전압 및 접촉 전압을 안전 전압 이하로 충족시키기 위한 최선의 접지 방법으로, 당사의 탄소 저 저항 접지 모듈을 이용한 저 저항 접지 실현으로 더욱더 완벽한 등전위 시스템을 구성하였다.
보호 대상 건물의 완벽한 낙뢰 방지 대책을 위해서는 트라이앵글 공법이 설계 단계부터 함께 이루어져야 한다.
아직까지는 피뢰침 설계, 서지 프로텍터 및 접지 설계 등을 각각 나누어 설계를 하고 있는 실정이어서 현장 시공시 많은 문제점을 야기하고 있는 것이 사실이다.
다음에 각 대상별 설계 방법을 자세히 다루고자 한다.
각 단계별 설계 방법
1. 쌍극자 방전 분산형 피뢰침
가. 쌍극자 피뢰침 설계
피뢰침은 새로 개정된 건축물 뇌 보호 시스템인 KS C IEC 61024의 각도법, 회전구체법, 메시법을 적용해 설계 설치한다. 대부분의 건축물은 단순한 형태가 아니고 건물의 높이와 미관 등의 제약이 많아 회전구체법을 적용해 설계하는 것을 기본으로 하였다.
<그림2>와 같이 회전구체법으로 설계한 후 각 피뢰보호를 설계해야 하는 point에 쌍극자 피뢰침을 설치해 낙뢰를 방지하는 것이다.
<그림2>의 회전구체 반경 R은 낙뢰 보호 등급에 따라 다음 <표1>과 같이 분류된다(KS C IEC 61024).
나. 쌍극자 피뢰침 설치
낙뢰를 방지하는 쌍극자 피뢰침은 앞에서 설명한 회전구체법으로 설계한 후 건물 옥상 외곽에 수뢰도체를 설치하고 피뢰침 설치 포인트에 당사에서 개발한 쌍극자 피뢰침을 설치한다.
다음은 쌍극자 피뢰침의 설치 방법에 대해 설명한 것이다.
(1) 수뢰부
① 일반사항
- 뇌격이 피보호 범위 내로 침입할 확률은 수뢰부 시스템을 적절하게 설계함으로써 상당히 감소된다.
- 쌍극자 피뢰침(BDAT)을 사용하는 수뢰부 시스템 형태는 KSC IEC61024-1에 의한 돌침 방식과 같고 이와 동일한 방법으로 사용이 가능하지만 쌍극자 피뢰침의 특성인 공간전하방전 분산효과에 의한 보호 범위는 보호반경(radius)에 의한다.
  ② 배치
- KSC IEC61024-1에 의한 수뢰부 시스템을 일반적으로 배치할 때는 a) 보호각 방법 b) 회전구체(rolling sphere)법 c) 메시크기(mesh size)법을 사용토록 하고 있으나 신기술(NT)제품인 쌍극자 피뢰침(BDAT)을 사용할 때는 d)보호반경(radius)법을 사용한다. 다만, 쌍극자 피뢰침(BDAT)을 돌침으로 사용할 때는 보호각 방법이나 회전구체법을 적용할 수 있다.
- 수뢰부 시스템은 도체를 사용하는 메시크기(mesh size)법과 쌍극자 피뢰침(BDAT)에 의한 보호반경 (radius)법을 이중 적용하면 완전한 보호에 이를 수 있다.
- 수뢰부 시스템은 도체를 사용하는 메시크기(mesh size)법 또는 회전구체법을 사용해 보호하고 쌍극자 피뢰침(BDAT)을 건축물, 구조물 등의 모서리, 돌출부 등에 추가로 설치하는 경우에는 증강된 보호에 이를 수 있다.
- 60m 이하의 건축물, 구조물 등은 <표1>의 기준에 의한다. 설계시 쌍극자 피뢰침(BDAT)은 모서리 부분에 우선하여 설치하고 기타 부분은 보호반경(radius) 이내에 같은 간격으로 설치한다.
- 지상으로부터 60m를 초과하는 초고층의 빌딩, 구조물 등은 <표1>에 나타낸 기준 이외의 전체 높이에서 상부측으로 20%에 해당하는 부분을 측뢰에 대한 보호범위로 하여 수뢰부를 다음과 같이 설치한다. 이때, 설계는 보호레벨Ⅰ의 적용을 원칙으로 한다.
ㄱ. 측뢰 보호용 쌍극자 피뢰침(BDAT)은 전체높이의 80% 부분이 되는 곳에 우선 설치하고 최상층의 지붕 또는 옥상에 각각 설치한다.
ㄴ. 처음 설치한 쌍극자 피뢰침(BDAT)과 최상층에 설치한 쌍극자 피뢰침 높이 간격이 회전구체 반지름(R=20m) 이상일 때는 처음 설치한 곳에서부터 높이가 회전구체 반지름(R=20m) 이내, 수평 간격은 보호반경(r=7.5m)의 2배(15m) 이내가 되도록 설치한다.
③ 건축물에서 자연적 구성부재 부분을 수뢰부로 사용할 수 있는 경우 이와 함께 쌍극자 피뢰침(BDAT)을 보호반경(radius)법으로 이중 적용하면 완전한 보호에 이를 수 있다. 다만, 쌍극자 피뢰침(BDAT)을 건축물, 구조물 등의 모서리, 돌출부 등에만 추가로 설치할 때 증강된 보호에 이를 수 있다.
④ 수뢰부 시스템을 인하도선에 연결하는 경우는 압축터미널 사용, 캐드웰드 방법 시행 등의 공법으로 하여 전기적, 기계적으로 수뢰부 시스템과 인하도선 시스템이 같은 능력이어야 한다. 이것은 자연적인 수뢰부를 이용하거나 자연적 인하도선을 이용하는 경우도 마찬가지다.
(2) 인하도선 시스템
① 인하도선은 KSC IEC61024-1이나 NFPA780에 의한다.
② 쌍극자 피뢰침(BDAT)은 다량의 전하를 공간으로 방전시키는 특성이 있어 건축물 구조체를 사용하는 자연적 인하도선을 사용하는 것을 권장한다.
③ 시험용 접속점
 자연적 인하도선 외에 별도의 인하도선을 사용하는 경우에는 접지 시스템과의 접속점 부근에 시험용 접속점을 설치한다. 시험용 접속점은 측정을 위해 공구 등으로 개방할 수 있어야 하나 평상시에는 폐로가 유지되도록 해야 한다.
2. 서지프로텍터
인입 전원라인이나 통신라인 등을 통해 유도된 서지가 침입하여 기기를 손상시키는 경우가 매우 많이 발생하고 있다. 대부분의 낙뢰사고는 유도뢰 침입에 의한 사고로 그 피해규모가 점차 증가하고 있다. <그림 4>에서와 같이 전원 배전반 내 차단기 2차 측과 각 설비 분전반 내 차단기 2차 측에 전원용 서지 프로텍터를 각각 설치해야 한다.
배전반과 각 분전함까지의 거리가 먼 경우 한전 인입구에만 서지 프로텍터를 설치하면 배전반과 분전함 사이의 전력선에 유도뢰가 유기될 수 있기 때문에 분전함의 차단기 2차 측에서 서지 프로텍터를 설치한다.
- SPD의 특성 및 접지 방식에 따른 SPD 설치 지점은 <그림 4>를 참고한다.
가. 서지보호장치(SPD)의 설치기준은 KSC IEC60364(건축전기설비)와 KSC IEC61024-1에 의한다.
나. 뇌보호 시스템의 동작으로 인한 서지(유도뢰)의 유입에 대비해 피보호 대상장비의 전원 인입부 및 통신, 신호선의 인입부 등에서는 서지 보호장치(SPD)를 설치한다.
  3. 등전위 공통 접지
낙뢰 및 사고시 전위차를 해소하기 위한 등전위 접지는 건축물 등의 설계 단계에서부터 논의되어야 하며 사전 준비 작업 등 충분한 검토가 이루어져야 한다. 본 공법에서 제안하는 등전위 공통 접지는 미국의 NFPA 규격과 IEC 국제 규격을 근거로 하여 완벽한 등전위를 실현하였다.
완벽한 등전위 공통 접지를 실현하기 위해서 해결해야 할 2가지 문제가 있다. 접촉 전압 및 보폭 전압을 안전 전압 이하로 설계해야 한다. 그러기 위해 본 신기술 공법에서는 메시 접지를 실시해 보폭 전압을 안전 전압 이하로 내리고 탄소 저 저항 접지 모듈을 설치 시공해 접지 저항을 낮추어 줌으로써 접촉 전압을 안전 전압 이하로 감소시켜 완벽한 등전위를 실현한다.
탄소 접지 모듈은 암반 지역이나 산악 지형 등 접지 저항 값을 얻기 어려운 장소에서 시공의 용이성을 확보해 획기적으로 접지 저항을 낮추어 줄 수 있다. 따라서 등전위 공통 접지에 적용할 경우 상당히 유리하다는 강점을 지니고 있다. 또한 심타 접지를 통해 낙뢰 전류를 단시간 내에 신속히 방류시킨다.
가. 등전위 접지 설계
접지 설계 프로그램을 이용하여 IEEE Std.2002에 의한 접지 설계를 실시한다. 접지 설계에 필요한 파라미터로는 대지 저항률, 지락전류 크기 및 주위환경 조건(온도, 습도, 사람 무게 등)이 있다. 본 프로그램은 사용화된 프로그램으로 미국 IEEE 접지 설계 방법을 채택해 설계하며 안전 전압(보폭 전압 및 접촉 전압) 이하로 전위 상승이 제한되도록 접지 설계를 최적화하도록 하고 있다.
나. 등전위 접지 시스템 시공
앞 장에서 설명한 IEEE의 접지 시스템 설계 후 메시 접지를 시공하며 메시의 교차 포인트 및 꼭지점에 탄소 저 저항 접지 모듈을 시공한다. 메시 접지는 IEEE 규격에 의해 지하 75cm 이하에 나동연선 단면적 38mm2 이상 매설하는 것을 원칙으로 한다.
이상과 같이 탄소 저 저항 접지 모듈 설치 후 접지 안정화 기간을 두면 접지 본체와 흙이 완전히 흡수 밀착되어 안정적인 접지 저항을 얻을 수 있으며 반영구적으로 사용 가능하다.
  트라이앵글 공법 내용 종합
이상과 같이 3가지 시스템을 적절히 조합함으로써 완벽하게 낙뢰 방지를 이룩했으며 앞으로 경험과 기술 개발의 축적으로 더욱더 완벽한 낙뢰 대책을 이룩할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 당사 신기술 공법을 적용함으로써 가질 수 있는 사회적 경제적 장점을 요약하면 다음과 같다.
1) 각종 유도뢰 및 직격뢰의 완벽한 차단으로 낙뢰에 의한 피해 감소 ; 쌍극자 피뢰침으로 직격뢰를 차단하고, 서지 프로텍터로는 각종 유도뢰를 차단하며 등전위 접지에 의한 전위 상승을 억제함으로써 각종 뇌를 완벽히 차단해 낙뢰로 발생하는 각종 재산상의 손실이나 피해로부터 자유로워질 수 있다.
2) 트라이앵글 공법을 시공함으로써 전위 상승을 억제하고 전위를 감소시켜 장비의 중단 없는 운용과 인명의 안전을 최대한 확보할 수 있다.
3) 환경 친화적 상품을 이용해 오염 억제 역할
이와 같은 트라이앵글 신기술 공법은 각 군의 통신 레이더 사이트, 군 탄약고, 군 관련 화약 제조 공장, 폭발 위험물 저장 장소, 도심에 위치한 전산 센터 빌딩, 전자 장비로 가동하는 대규모 공장설비, 한국전력 송, 변전 설비 등과 낙뢰의 유입으로 피해가 예상되는 대상 건축물 등에 적용함으로써 완벽한 뇌 보호 대책을 수립할 수 있다.
<Energy News>
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