뇌서지 과전압으로부터 전기·전자기기, ICT장치, 각종 시스템을 보호하기 위해서는 과전압을 보호대상기기 및 시스템의 내전압보다 충분히 낮은 수준으로 저감시킬 필요가 있다. 그 중요한 역할을 수행하는 것이 바로 서지 보호 디바이스(이하, SPD) 및 서지 보호 부품(이하, SPC)이다. SPD의 용어 및 정의는 JIS C 5381-11(2014)에 규정되어 있다. 그에 따르면 Surge protective device의 약어로, 정의는 「서지전압을 제한하고, 서지전류의 분류(分流)를 목적으로 한 1개 이상의 비선형 소자를 내장하고 있는 디바이스」이다. 그 기능은 「보호대상인 전기·전자설비, 통신장치 등에 인가되는 과전압이 역치 이상이 된 경우 저임피던스 상태로 전이되고, 직격뢰 전류의 일부 또는 유도뢰 등의 비직격뢰 서지전류 등을 등전위 본딩 및 접지로 분류시켜 포트-대지 간 및 포트-포트 간의 과전압을 억제, 시스템 전체를 등전위화하여 보호한다」고 되어 있다. 고압 분야에서는 이와 같은 기능을 하는 디바이스를 「피뢰기」 또는 「어레스터(arrester)」라는 용어를 사용해 지칭하고 있다. 본고에서는 저압배전시스템, 통신 및 신호회선용 SPD의 해설과 함께 IEC 최신 규격 동향인 △태양광 발전 시스템용 직류 SPD △각종 통신 서비스에 대해 1개의 SPD로 대응 가능한 멀티 서비스 SPD(MSPD) △ 안전 면에서 중요시되고 있는 SPD 분리기 △SPD 시스템 구축에 필수적이며 등전위 본딩의 결점인 EMC 과제 해결에 유망한 뇌절연·분리형 SPD에 대해 알아본다.
저압배전시스템용 SPD시스템에 적합한 SPD의 선정과 적용저압배전시스템에 접속된 전기·전자기기, ICT장치, 각종 시스템의 뇌서지 보호를 위해서는 적용회로에 적합한 SPD를 선정하고, 적절한 장소에 적절한 시공방법으로 설치하는 것이 중요하다. 이를 위해 JIS 규격에서는 [표 1]에 보이는 바와 같이 뇌서지의 크기에 따라 적용 장소에 요구되는 성능 및 그 시험방법이 등급별로 분류되어 있으며, 해당 SPD의 선정, 동작, 협조 등의 적용 기준이 규정되어 있다.
최신 JIS C 5381-11, -12(2014)의 주요 개정 사항
2014년 6월 20일에 경제산업성으로부터 JIS C 5381-11: 저압배전시스템에 접속하는 저압 서지 보호 디바이스의 요구성능 및 시험방법, -12: 저압배전시스템에 접속하는 저압 서지 보호 디바이스의 선정 및 적용기준이 공시됐다. 이것은 IEC 61643-11(2011), -12(2008)를 바탕으로 하여 기술적 내용 및 구성을 변경하지 않고 작성된 일본공업규격이다. 개정 JIS의 핵심은 SPD의 안전성능을 중시한 시험 및 SPD 분리기 기능이 뛰어난 퓨즈 선정에 관한 정보가 추가됐다는 점이다.
기존 JIS C 5381-1(2004), C 5381-12(2004)에 의거해 SPD 분리기로서 SPD와 동등의 서지 임펄스 전류를 만족하는 브레이커(Molded Case Circuit Breaker: MCCB) 및 온도퓨즈를 사용하고 있는 경우 SPD의 고장 시 발화 위험이 크다는 사실이 명확히 밝혀졌다. 다시 말하면, SPD의 고장 후에 흐르는 100A 이상의 고장전류가 MCCB 및 온도퓨즈에서는 속단(速斷)할 수 없는 전류영역이라는 것이다. 이에 따라 개정된 JIS 규격에서는 SPD의 고장전류 영역에서 발화에 이르기 전에 속단하여 확실하게 차단시키기 위한 ‘안전성능에 관한 규격’이 추가되었다.
통신 및 신호회선용 SPD통신·신호회선용 SPD는 [표 2]에 보이는 바와 같이 침입서지의 종류에 따라 4가지(A~D) 카테고리(이하, Cat.)로 분류된다. Cat.A는 서지전압의 상승률이 매우 느린 경우(0.1~100kV/s 정도로 Cat.C의 유도뢰 서지전압 대비 1/10000 이하)의 파형 또는 교류파형 정도의 서지에 해당하며, 교류전원 회로로부터 유도되는 서지를 대상으로 하고 있다. Cat.B는 100V/µs 정도로, 서지전압 상승률이 느린 경우의 파형을 대상으로 하고 있다. Cat.C에는 표준 유도뢰 서지파형으로 사용되고 있는 1.2/50µs 또는 1kV/µs가 규정되어 있다. Cat.D는 고에너지 서지 및 직격뢰 전류 10/350µs, 10/250µs(주로 미국)를 대상으로 하고 있다.
태양광 발전(PV) 시스템용 SPD
PV 시스템의 IEC 규격은 현재 2규격 “IEC 61643-31: Low-voltage surge protective devices - Part 31: Requirements and test methods for SPDs for photovoltaic installations” 및 “IEC 61643-32: Part 32: Selection and application principles”의 작성이 진행되고 있다.
PV 시스템에서의 SPD 설치개소를 [그림 1]에 나타냈다. SPD 설치의 기본은 보호기기 바로 앞에 SPD를 설치하는 것이다. 따라서 어레이의 보호에는 접속함 내에 DC용 SPD를 설치하고, PCS의 DC측 집전함 내부에 DC용 SPD, AC측에는 AC용 SPD, 각종 센서 및 감시 카메라에는 통신·신호용 SPD를 설치한다. PV에서의 SPD의 특징은 직류(DC)용 SPD가 요구된다는 점과 최대연속사용전압(U
c)을 정격전압(350~1000V)의 1.2배 이상으로 높게 설정할 필요가 있다는 점이다.
멀티 서비스 SPD(MSPD)MSPD는 [그림 2]에서 보이는 바와 같이 복수의 서비스 및 ICT기기에 대해 1개의 SPD로 대응 가능한 멀티 서비스 SPD를 말한다. ITU-T K.66과 IEEE PC62.50에서 미국 표준화가 진행되고 있으며, IEC규격과 관련해서도 ITU-T, IEEE에 정합시키는 방침으로 나아가고 있다. 일본에서는 통신·전원이 분리접지로 외국과는 다른 특수한 환경이기 때문에 ICT장치의 뇌임펄스 내전압과 관련 ITU-T K.44에서는 일본이 제안한 「Special resistivity requirements」에 의해 제 외국 통신기기의 내전압 5kV보다 훨씬 높은 13kV로 하고 있으며, IEC규격에서도 ITU-T와 정합을 도모하기 위해 특별 정격으로서 같게 하고 있다. 그러나 2012년도의 전기설비 기술기준 해석의 일부 개정 및 내선규정의 개정으로 국제적 정합성에 의한 등전위 본딩이 가능해져 뇌임펄스 내전압을 낮추는 움직임도 보이고 있다.
저압 서지 보호 부품(SPC)
SPD 분리기
SPD 분리기는 SPD에 열화 또는 고장 발생 시 전원계 등으로부터 안전하게 차단함으로써 건전한 전원계통에의 악영향을 방지하는 목적으로 사용된다. 최근 업계규정이 제정되었는데 그 요구특성으로 SPD가 건전한 상태일 경우 SPD와 직렬접속되어 SPD와 같은 뇌서지가 흐르므로 SPD와 동등한 서지내량이, SPD에 열화 또는 고장이 발생한 경우는 고장계통을 고속으로 분리하기 위한 차단기 기능이 요구된다([그림 3] 참조) 차단기의 기능에는 열화 시 발열보호기구로서의 열분리 기능과 단락 고장 시의 과전류 보호기능이 사용되고 있으며, 상위 차단기(MCCB)와의 I
2-t 특성을 고려한 협조가 중요하다.
뇌절연·분리(아이솔레이션) SPD
뇌절연·분리법은 항공기, 휴대전화, 배터리 구동의 무선 LAN 노트북과 마찬가지로 보통은 외부로부터의 금속도체에 의한 전원선·통신선·접지선을 가지지 않고 그들이 모두 절연되어 분리·독립한 자기완결시스템을 구축하는 데 이용된다. 이에 따라 뇌보호 성능과 더불어 SPD 접속으로 형성되는 코먼모드 노이즈 루프에 의한 도전(導電) 노이즈를 대폭적으로 저감할 수 있기 때문에 EMC 성능에도 뛰어나다는 장점이 있으며, 향후 데이터센터 및 전산실(서버실)에서의 수요가 기대되고 있다.([그림 4] 참조) 뇌절연·분리시스템을 구성하기 위한 SPC로는 LIT(뇌절연·분리트랜스), 광섬유, 포토커플러 등이 있다.
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