[전기를 보다 안전하고 편리하게 ③] 접지, 피뢰침의 이해와 낙뢰 피해 예방책

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[전기를 보다 안전하고 편리하게 ③] 접지, 피뢰침의 이해와 낙뢰 피해 예방책 _ 접지와 피뢰침의 한계를 극복한 SPD

2011년 9월 23일 (금) 16:08:41 | 지면 발행 ( 2011년 8월호 - 전체 보기 )

전기, 전자, 통신 기술의 눈부신 혁신과 반도체 기술의 비약적인 발전으로 말미암아 농어촌 산간 오지, 강변, 해상 등에 첨단 IT 장비를 설치해 무인으로 운영한다.
많은 사람이 지구 온난화와 엘리뇨 현상 등의 자연재해로 낙뢰와 그로 인한 피해가 늘어났다지만, 낙뢰는 과거에도 그랬고 현재도 변함없이 일어나는 자연 현상일뿐이다. 낙뢰가 급증한 까닭은 자연 현상 때문이지만, 그로 말미암은 피해의 급증은 IT 기술 혁신이 가져온 결과라는 점을 직시해야 한다. 이에 따라 IEC와 UL 등 국제 규격을 강화하고, <국가재난관리법>에 '낙뢰'를 포함하며, SPD에 대한 KS 규격을 제정해 법제화하는 등 환경이 변화하고 있다. 여기에선 접지와 피뢰침 그리고 낙뢰 피해 예방책에 대한 이해를 돕고자 한다.
글 김선호 <㈜한국서지연구소 대표이사>
(042)256-7200 www.surgelab.com
surgelab@paran.com

서지Surge로 말미암은 대표적인 피해 유형으로 ▲SMPS(Switching Mode Power Supply) 등 전원에 연결된 반도체 손상 ▲서지가 리니어Linear 전원 장치를 통과해 발생하는 기기내부 부품 파손 ▲통신선 · 신호선(Signal Track)에 유입된 서지에 의한 입출력(I/O) 장치 영향 ▲신호선 선간에 아크Arc 발생 ▲예기치 않은 출력 · 리셋 · 모드 변환 등을 꼽는다. 서지로 인한 피해의 급증은 1980년대 상대적으로 높은 전압인 5V에서 저속으로 동작하던 컴퓨터 칩이, 2000년대 들어 매우 낮은 전압에서도 고속으로 동작하면서 약간의 전원 전압 변동이나 전원선에 나타나는 트랜션트 Transient(과도 현상)에도 칩이 민감하게 반응하기 때문이다.

낙뢰로 인한 경제적 손실은 얼마나 될까. 다음은 보험회사에서 밝힌 낙뢰 피해 보상액이다.

"해마다 우리는 낙뢰 때문에 30만 건 이상의 요구를 받아, 3억 3,200만 달러를 보상한다."

"전체 보상 요구의 5%가 낙뢰와 관련한 것이며, 금액은 연간 10억 달러 이상이다."
- Insurance Information Institute, NY

"연평균 우리가 지불하는 금액의 3∼4%가 낙뢰와 관련한 금액이다."
- Factory Mutual Companies

IBM이 1974년에 조사하고 내셔널 파워 랩 National Power Lab이 1994년에 다시 확인한 바에 따르면, 전압 품질 이상(Power Line Voltage Disturbances)의 약 90%가 트랜션트에 의한 것이다. 트랜션트는 과도 현상으로, 회로나 기계 동작에서 정지 상태 → 동작 상태, 동작 상태 → 정지 상태 등 상태가 급변할 때 발생한다. 이것이 서지 보호(Surge Protection)를 강조하는 이유다.
자료에 따르면 업무용 건물에서 전기 품질로부터 야기된 데이터 처리 중단 비용은 1980년 5% ⇒ 1990년 27% ⇒ 2000년 47%로 급증하는 추세다. 그 이유는 전기 품질과 관련한 환경이 악화됐기 때문은 아니다. 1980년대 컴퓨터 칩은 5V 이상 상대적으로 높은 전압에서 구동됐는데, 2000년대엔 낮은 전압에서 구동되는 컴퓨터 칩에 의해 데이터 전송 속도가 매우 빨라졌다. 그런데 이 칩들은 전원선에 나타나는 약간의 전압 변동이나 서지(Transient)에 매우 민감하게 반응한다. 즉, 컴퓨터 기술이 발전할수록 전기 품질의 영향을 많이 받는다.

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서지의 종류와 피해

서지의 종류는 <표 2>에서 보는 바와 같이 발생원인, 전위 과정, 성분에 따라 분류한다.
다음은 자연 현상에 의한 낙뢰 서지(이하 뇌서지)로 말미암은 원인별 피해 형태다(※( )는 보호 대책임). ▲직격뢰 - 건물이나 구조물에 피해를 입혀 화재를 유발(피뢰침) ▲간접뢰 - 유도뢰 피해로 이어짐(SPD) ▲유도뢰 - 선로에 에너지를 유기해 기기에 손상을 가함. 낙뢰 피해의 99% 이상을 차지하는 주 원인(SPD, 비접지 가능) ▲개폐와 기동에 의한 서지 및 전력 유도 - 기기에 노이즈Noise로 인한 오동작을 유발. 장기적으로 기기에 대한 내력을 약화시켜 고장으로 이어짐(SPD 및 차폐) ▲정전기에 의한 서지 - 노출된 반도체 칩 손상(차폐) 등이다.
또한, 유도뢰는 종전류와 횡전류 피해로 세분한다. ▲종전류 피해 - 두 선로의 불평형에 기인한 유도 서지 피해(L1과 L2 간 통상 60㏈ 이상) ▲횡전류 피해 - 선로와 다른 선로 또는 지점과 다른 지점간 전위 차에 기인한 피해로 유도뢰 피해의 95% 이상을 차지(예 ; 전원 선로와 통신 선로 간).

낙뢰 경로와 피해 원인｜구름 상부는 +전하가, 하부는 -전자가 축적된다. 구름과 가까운 S1 측과 먼 M1 측의 지전위地電位(Earth Potential) 차가 1000V(500A) 발생하면 높아진 지전위는 접지로부터 전류가 역류해 선로 측으로 방출되고, 원격 기기는 선로로부터 전류가 유입돼 접지로 방출된다. 이때 역류 혹은 유입된 전류는 기기를 경유한다는 공통점이 있다. 또한, 이때 시그널 와이어즈Signal Wires는 뇌서지가 유기된다기보다 S1 측의 높은 지 전위를 구름으로 쏘아 올리는 안테나 역할을 한다. 서지의 사이클은 역류 - 방출 - 유입 - 방출이다.

낙뢰 침투 경로와 피해 원인｜낙뢰가 유입되면 선로와 접지(L-SG, P-FG) 및 선로와 선로(L-P) 간 전위 차가 발생한다. 경로가 다른 선로 간 전위 차로 말미암아 회로기판을 경유해 방전 전류가 흘러 손상을 입힌다. SG는 기기 회로기판의 전원(-)에 정전 결합, FG는 기기의 외함에 접속됐는데 선로의 뇌서지는 회로기판을 경유 외함(접지)으로 방전해 피해가 발생한다.

낙뢰 보호의 원인｜모든 선로 간 전위 차를 해소해 뇌서지로부터 기기를 안전하게 보호한다. 통신 선로(L1-L2), 전원 선로(P-N), 통신 선로 - 통신 접지, 전원 선로 - 전원 접지, 통신 선로 - 전원 선로, 통신 접지 - 전원접지 등.

낙뢰 및 서지 보호 대책 - 피뢰침

피뢰침은 뇌운雷雲과 대지 사이에서 선구방전先驅放電이 시설물에 도달하기 전에 도전성이 우수한 도체(피뢰침)로 전류를 유도함으로써 사전에 방전시켜 건물이나 구조물에 대한 직격뢰를 방지(화재 예방)한다. 일반 건조물에 대한 뇌격 확률은 100만 분의 1로 낙뢰를 몰아내는 피뢰침이란 상술이 먹히는 이유다.
건물 또는 구조물을 직격뢰로부터 보호하기 위한 피뢰침 설치는 필수지만, 기기 보호 측면에서 보면 피뢰침 때문에 주변에 뇌서지가 집중적으로 유입된다. 즉, 피뢰침의 성능이 우수할수록 서지 유입은 많아진다. 그 이유는 피뢰침이 구름에 형성된 전하를 지면으로 유도하고, 그 전하는 접지 전위를 높이며, 접지선을 통해 전기 · 전자 기기의 그라운드Ground 전위를 높이기 때문이다. 높아진 그라운드 전위는 선로로 접속된 다른 지점과 전위 차를 발생시키고, 그 전위 차는 접지 단자로부터 역류해 전자 회로를 경유한 뒤 선로를 통해 타 지역으로 전파된다. 이 과정에서 부품이 파손된다.

ICLP Scientific Committee의 경고｜ESE(광역 피뢰침), DAS(정전 분산형 피뢰침), IPG(플라즈마 발생기), CTS(전하 이송 시스템) 등 개량형 피뢰침은 ▲IEC의 낙뢰 보호 표준 요구 조건에 부적합 ▲피뢰에 대한 성능 입증에 실패 ▲방사능 물질 도포에 따른 사용자 위험 등의 이유로 국제 규격에 맞지 않는 폐기 대상이다. 이러한 경고에도 불구하고 광역 피뢰침과 정전 분산형 피뢰침 등은 상식 부족과 업계의 상술 때문에 확산되는 추세다. 결론적으로 실험실 내에서의 플라즈마 효과는 광범위한 우주현상에 대한 적용 효과 입증에 실패했다. 또한, 상온플라즈마 발생 장치에 사용하는 방사성 물질에 대한 위험성 경고에 있어, 전통적인 돌출 피뢰침과 신형 피뢰침의 과학적 평가는 보호 각도만 유효하며 동일하다.

피뢰침이 풀어야 할 숙제｜<그림5>는 낙뢰가 피뢰침과 발사대를 피해 디스커버리호를 강타하는 장면이다. 발사대 주변 삼각형으로 광역 피뢰침이, 그 중앙에 우주 왕복선이 배치됐다. 낙뢰는 높은 곳, 더욱이 낙뢰를 끌어들인다는 광역 피뢰침을 회피해 우주 왕복선의 하단 부를 가격했다. 사진은 피뢰침 이론을 비웃는 것으로, 피뢰침이 풀어야 할 숙제다. ㈜한국서지연구소는 낙뢰에 대한 새로운 이론을 연구 중이며, 새로운 기술에 의한 피뢰침을 개발하고 있다.

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낙뢰 및 서지 보호 대책 - 접지

본딩Bonding은 기기에 대한 뇌서지 피해 예방을 목적으로 한 등전위等電位구성이다. 본딩은 그라운드와 구별되는 국제 규격 이론(IEC · IEEE · NEC 등)으로, 기기와 기기 또는 선로와 다른 선로 간 전위 차를 방지하는 전기적 접속을 의미한다.
접지의 종류와 목적은 다음과 같다. ▲통신 접지 - 잡음 방지(A지점과 원격지인 B지점을 연결하는 통신 목적에 있어 전위 차로 잡음 발생) ▲보안 접지 - 인체 감전 방지, 높은 전압을 사용하는 전력선의 특성상 누전에 의한 감전 위험 예방 ▲피뢰 접지(피뢰침 접지) - 구조물에 대한 직격뢰 피해 방지를 위한 양호한 접지는 필수조건. 참고로 시스템의 안정화를 위한 양호한 접지는 필수조건이지만, 기기에 대한 낙뢰 피해 예방은 접지 목적에는 없다.

구조물 내부 기기｜유도뢰에 의한 피해지, 직격뢰에 의한 피해는 아니다. 전력 선로 또는 신호/통신선로를 통한 간접뢰 또는 유도뢰에 의한 피해다. 기기의 외함에 접속된 접지는 선로나 회로와 물리적 · 전기적으로 절연 상태이므로, 인체 감전 예방 외에 기기 고장을 예방할 수 없다. 오히려 선로에 유기된 뇌서지가 회로기판을 통해 접지체로 방전되는 경로를 제공한다. 즉, 피해를 유발하는 주 요인으로 작용하는 역기능을 한다.

접지 저항 측정 원리(전위 강하법)｜접지 저항이란, 접지극에 접지 전류(I)가 유입되면 접지극의 대지전위(V)가 상승하는데, 이때 대지 전위 상승 치와
접지 전류와의 비(V/I)를 접지 저항(Rg)이라 한다. 토양의 종류, 함수율, 접지극의 형상 및 크기, 온도 등 여러 가지 요인에 따라 달라진다. 접지 저항 측정의 원리는 측정하려는 접지극에 인위적으로 접지전류를 유입시키면 접지극의 전위가 상승하므로, 이때 나타나는 대지 전압과 접지 전류의 비를 측정하는 것이다. 낮은 접지 저항을 얻으려면 대지비저항을 작게 하거나, 대지비저항이 고정돼 있으면 전극의 형상이나 치수를 크게 한다.

<그림 6>에서 보는 바와 같이 P점으로부터 E에 대해 측정한 전위 상승값(ex)을 시험 전류로 나눈 값, 즉 Rx = ex/i를 E의 접지저항이라 한다.

접지 저항 시험기 운용｜접지 저항 측정도 일반적인 회로 측정처럼 양 단자 사이에 전류를 흘렸을 때 나타나는 전압을 측정해 저항값을 알아낸다. 이 방법은 보통 현장에서 사용하는 방법으로 전압 강하법 또는 삼점법이라 한다. 현재 사용하는 접지 저항측정용 리드 선은 10m와 20m이므로 접지봉이 3∼4개 이하거나, 매설 방향을 정확히 아는 경우 매설 반대 방향으로 전류 보조극을 20m, 전압 보조극을 10m에 설치하고 측정해 접지 저항값을 바로 취하면 된다.

<그림 7>과 같이 측정 접지체와 충분히 떨어진 지점에 전류 보조극을 설치하고, 접지체와 전류 보조극의 접지 저항 분포 범위를 벗어나는 그 중간에 전압 보조극을 설치해 접지체의 저항을 측정하는 방법이다. 접지 저항 분포 범위를 벗어나는 지점을 결정하는 것만으로 대지에 묻힌 접지체의 크기와 형태를 알 수 없기에 편차를 구해 기준치 이내로 들어오면 범위에 벗어난 것으로 결정한다.
전압 강하법의 측정 순서는 접지체와 모든 접지선을 분리 ⇒ 측정기의 단자(측정 접지체(G), 보조 전류극(C), 보조 전압극(P))에 각각의 리드 선을 연결 ⇒ 접지체 매설 반대 방향으로 보조 전류극(C)과 보조 전압극(P)을 각각 설치해 접지 저항 측정 ⇒ 접지 저항 측정 여러 차례 반복 ⇒ 측정이 끝나면 모든 접지선을 접지체에 연결 등이다.

접지와 서지의 관계｜기기 입장에서 접지는 또 다른 서지의 유입 경로이므로, 낙뢰 방지를 위한 접지는 낙뢰 보호기가 설치됐을 경우 그 기능을 배가하게 된다. 이유는 통상적인 평형 선로(두 가닥의 구리선)의 평형도는 60dB 이상이라고 가정했을 때, 선로 간 불평형에 기인한 횡전류의 유기 전압이 6V라면 선로와 대지 간의 전위 차에 기인한 종전류의 유기 전압은 6000V라는 이론이다. 이는 기기의 함체에 접속된 접지가 잘 될수록 큰 전류로 방전할 수 밖에 없는 것으로, 선로와 외함의 접지 간 전위 차는 결국 내부 회로를 경유해 방전한다. 따라서 접지가 없는 통신 기기는 6V의 뇌서지에 노출돼 안전하지만, 접지가 있는 통신 기기는 6000V의 뇌서지에 노출돼 피해를 입는 원리다. 따라서 접지만으로 기기에 대한 낙뢰 피해 예방은 불가능하며(ITU-TK.1에서 단말기기는 접지하지 않도록 권고함), 접지는 선로를 통해 역류되는 뇌서지에 위한 기기 피해를 가중시키는 요인이 되기도 한다.

접지가 풀어야 할 숙제

낙뢰 및 서지 보호 대책 - 접지 방식/비접지 본딩 방식 공인 실험

• 실험 A

조건｜접지 간 저항 차가 5Ω일 때 통신용 및 전원용 보호기를 정상적으로 설치하고, 통신 및 전원의 각 한 단자에 4㎸를 인가함.

결과｜접지 간 전위 차에 의해 통신과 전원 양단 간에 3.02㎸ 전위 차가 발생함. 보호기가 보호한 전압분을 제외한 전위는 접지 선로 간 접지 저항을 포함해 결과적으로 저전위를 상승시킴.

• 실험 B

조건｜비접지 상태에서 ㈜한국서지연구소제품(SL200-CO)으로 통신용 및 전원용 보호기를 정상적으로 설치하고, 통신 및 전원의 각 한 단자에 4㎸를 인가함.

결과｜접지 간 전위 차에 의해 통신과 전원 양단 간에 770V의 잔류 전압으로 억제함.

접지와 피뢰침의 한계 극복, SPD

인명을 감전으로부터 보호하고 기기를 잡음(Noise)으로부터 보호하기 위해 양호한 접지는 필수다. 그러나 기기에 대한 서지 보호 측면에서 보면 접지 때문에 훨씬 많은 서지가 유입되며, 접지 성능이 우수할수록 서지로 말미암은 피해는 많아진다.
그렇다면 뇌서지 보호를 위해 필요한 것은 무엇인가? 뇌서지 보호에는 선로 - 선로 간(L1 - L2), 선로
- 접지 간(L - G)의 전위 차를 해소하고, 전원 선로
- 통신 선로, 통신 접지 - 전원 접지 등 전방위에 걸친 전위 차를 해소해야만 그 효과를 기대할 수 있다. 따라서 어느 한 부분(선로)에 낙뢰 보호기를 설치하더라도 다른 선로를 통해 유입되는 뇌서지는 막을 수 없다.

즉, 접지 선로를 포함 모든 선로에 낙뢰 보호기를 설치해 기기에 접속되는 모든 선로에 SPD를 통한 등전위를 구성해야 그 효과를 기대할 수 있다. 전기설비 기술 기준 18조 3-7항에 의거해 서지 보호기(SPD)를 설치하는 것이다.
서지 보호기란 낙뢰, 스위칭, 충 · 방전, 유도 기기 가동 등으로 전기선과 통신선 등에 서지가 유기돼 예민한 전자 기기가 파손되는 것을 방지하기 위해 전기선과 통신선 등에 설치하는 제품이다.
서지 보호기의 동작 원리는 전원 선에 큰 전압(Surge)이 인가되면, 배리스터의 임피던스가 낮아져 큰 전압을 바이패스(Short)해 기기를 보호한다. 그러나 서지 전류가 배리스터에 바이패스 시, 배리스터 양단에 잔류 전압이 남아 기기에 전기적인 충격을 줄 수 있다(3㎄ 800V, 40㎄ 7kV). 따라서 성능이 우수한 서지 보호기가 필요하다. 낙뢰 보호기 하나로 모든 서지 유입에 대응할 수 없기 때문이다.
서지 보호기에 3단계 보호 기법을 적용하면 ▲수전반 1단계 보호 - 약 80㎸ 뇌서지에 대해 7000V 수준까지 제한 ▲분전반 2단계 보호 - 약 20㎸ 뇌서지에 대해 1500V 수준까지 제한 ▲콘센트 단계(제어전원) - 약 6㎸의 서지에 대해 900V 수준까지 보호할 수 있다. 수전반과 분전반은 거리가 먼 것을 전제로 동일 등급 적용.
선로를 통해 유입되는 낙뢰 피해를 막는 것은 SPD 설치뿐이다. 피뢰침과 접지로 선로를 통해 유입되는 낙뢰 피해를 막는다는 것은 불가능하다. 절연은 최선의 낙뢰 피해 예방 대책이다. 만약, 절연을 할 수 없다면 SPD를 설치하고 본딩을 한다.

정보 통신 혁명과 더불어 첨단 정보 기기가 보편화되고, 특히 이러한 첨단 장비가 옥외에 설치되고 있다. 한편, 지난 20년간 평균 횟수에 비해 최근 4년간 자연 낙뢰는 3배 정도 증가함에 따라 화재 · 오작동 · 파손 · 무인 설비 리셋 · 기기 불량률 등이 늘어났다. 따라서 이러한 첨단 기기에 대한 적절한 낙뢰보호 대책이 필요하다. 과거 기계식 장비와 다른 첨단 장비에 대한 인식이 절실하다.

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피뢰침과 접지는 구조물에 대한 직격뢰(화재 예방)에 대한 안전 확보를, SPD는 선로를 통해 유입되는 뇌서지로부터 첨단 기기 보호를 목적으로 한다. 참고로 SPD는 KS 규격에 의한 시험에 합격한 제품을 선정해야 한다. 전원용 SPD는 KS C IEC 61643-1부 Class 1, 2, 3의 풀 테스트 시험에 합격한 제품이어야 한다. 현재 한국전기연구원에서만 시험 가능하고, 그 외 공인 시험 기관에선 항목 시험만 가능하다.

현실적인 낙뢰 보호 대책1｜현실적인 낙뢰 보호 대책은 ▲KS C IEC 60364-5, 전기설비기술기준 18조 3-7항에 따른 SPD 설치 ▲IEC 62305의 기준에 적합한 접지 시스템과 등전위 본딩(접속) ▲개개의 존Zone 경계 면을 통과하는 모든 금속체의 등전위 본딩 등이다.

현실적인 낙뢰 보호 대책2｜IEC 62305의 기준에 적합한 접지 시스템과 등전위 본딩(접속)은 모든 주요 건물과 시설에서 외부로 연결되는 선로에 대해 본딩으로 전위 차를 해소하고, 성능 좋은 SPD를 설치해 유도뢰를 차단하고, 본딩을 통한 등전위 구축을 목적으로 한다.