정보통신시설의 뇌해대책

서론 통신설비의 뇌해가 증가하고 있다. 따라서 IEC(국제전기표준회의)에서는 신기술에 의한 검증 및 이론과 실험에 따른 검토를 더해, 국제표준의 신규제정 및 개정을 진행하고 있다. 우리나라는 경제산업성이 국내의 규격·표준류를 국제규격에 정합시킬 방침을 정하고 있기 때문에, IEC규격의 번역을 베이스로 해서 JIS규격의 제개정이 진행되고 있다. 이런 가운데 최근 들어 뇌해대책에 관한 JIS의 제개정이 행해져, ①건축물의 직격뇌로부터 보호 및 건물내부에 과전압 발생방지에 관한 규격(JIS A 4201 : 2003), ②전기·전자설비를 간접뇌로부터 지킬 뇌보호 시스템에 관한 규격(JIS C 0367-1 : 2003), ③저압계통내기기의 절연협조(JIS C 0664 : 2003), ④서지 방호 디바이스 및 개별소자에 관한 규격 (JIS C 5381 시리즈)이 생김에 따라 뇌보호기술 전체를 커버할 체계적인 규격이 완성됐다. 현재 이 새로운 JIS 보급이 진행되고 있고 규격에 따른 대책이 쓰여져 간다고 생각되지만, 정보통신시설뇌방호의 특징적인 대책은 정보통신장치의 적절한 SPD(서지 방호 디바이스)의 적용과 접지구성이다. 본고에는 정보통신시설을 고도로 뇌방호 하기 위해, 최신 IEC 규격을 기초로 한 통신계의 SPD 설치에 따른 뇌해대책기술 및 ITU - T(국제전기통신연합전기통신표준화) 규격에 근거한 정보통신시설 특유의 접지구성에 대해 소개한다. SPD의 적용지침 IEC 61643-22는 통신, 신호회선에 대한 SPD 및 전력선용 SPD와 동일한 광체에 있는 통신 또는 신호용 SPD를 내장하는 SPD군의 적용기준으로 해서, SPD의 필요성, 선정, 설비 및 계획의 평가, 통신, 신호선에 설치한 SPD 및 SPD와 IT장치간의 협조를 달성하는 방침을 제공하고 있는 것으로, 현재 JIS화가 진행되고 있다. 이것에 의하면 SPD의 사용판정은 네트워크와 시스템 리스크를 고려한 분석에 근거해 결정한다. 통신 및 신호회선의 시스템은 뇌, 지락, 전력라인 및 부하의 스위칭에 의한 과전압의 영향이 중요한 문제이다. 만약 이 라인을 보호하지 않으면 IT장치에 생기는 과전압 리스크가 높아진다. SPD의 협조는 보호할 IT장치와 SPD는 물론 SPD가 복수일 경우는 SPD간의 상호작용의 실현으로 달성한다. 협조는 앞 단락의 SPD의 전압방호 레벨 및 통과전류(let-through current)가 다음 단락의 SPD 또는 IT장치의 내력을 넘지 않는 것이 중요하다. 1. 과전압의 결합 메커니즘 <그림 1>에 IEC 61643-22가 나타내고 있는 뇌 등의 과도원과 건축계·전력계·통신계간의 결합 메커니즘과 시험파형의 규격을 나타낸다. 통신 및 신호회선에 SPD의 적용을 검토할 경우, 가능성 있는 과전압 및 과전류원을 결정하고 그 발생원에서 에너지가 어떻게 네트워크와 결합하는지를 결정하는 것이 중요한다. 건물로의 직격뇌(S1)에 의해 저항결합 및 전자유도결합으로 통신선 및 접지선에 뇌서지가 침입한다. 이같이 건축물의 근방뇌(S2), 통신선의 직격뇌(S3), 배전선의 근방뇌(S4), 적용교류의 영향에 따라, 통신선, 전원선, 접지선으로 저항결합 및 유도결합에 따른 서지가 침입한다. 결합의 강함은 건축설계단계에서 저감할 수 있고, 접지에 관해서는 통신계와 전력계의 피뢰기를 등전위본딩해서 기초접지극으로 접속하는 등 건축계, 전력계, 통신계를 종합적으로 고려한 뇌해대책이 필요하다. <그림 1>에는 단순화를 위해 직격뇌가 1개의 도체를 흘러가는 모습을 그리고 있지만, JIS A 4201(2003)에는 복수의 전류경로를 병렬로 형성함과 함께, 길이를 최소로 지킬 것이 규정되어 있다. 이 설계에 의해 직격뇌의 전류는 분류하기 때문에 유도결합기구에 의한 서지전압량을 저감할 수 있다. 또 그림에는 1점의 뇌방호본딩(d)을 구체적으로 나타내고 있다. 이 배치는 건물 전부에 서비스 인입부를 1점의 공통접지점(주등전위본딩바)에서 본딩하고 이 공통접지는 인하도체에 1점 접속한 전력과 적합이유에 따른 분리접지이다. 건물의 모든 서비스인입구는 빌딩 시스템을 전부 등전위환경으로 하기 위해 이 접지점에 접속한다. 이 배치내에는 각 플로어, 설비실, 설비가가 케이블 인입구에 공통접지기준점에 의해 등전위환경을 실현할 수 있다. 모든 서비스 인입영역은 이 포인트(SPD를 낄지 또는 직접할지)에서 지전위기준이 된다. 이 로컬 등전위본딩 포인트는 일점의 건물의 주요한 본딩에 접속하고, 대지에 분리접속하지 않는다.

2. SPD의 선정 <그림 2>에 뇌방호구성예와 방호영역을 나타낸다. IT장치(ITE)를 보호하기 위해 뇌보호영역(LPZ)을 LPZ 0A, LPZ 0B, LPZ 1, LPZ 2, LPZ 3으로 구분하고, LPZ 1 ~ LPZ 3 각각의 경계에 SPD를 설치하고, 단계적으로 과전압·과전류 레벨을 저감시킨다. 보호영역의 개념은 건물의 입고에 놓은 제일의 SPD(j, m)는 주로 뇌서지의 큰 에너지 처리를 담당하고, 통신설비내부의 대전류 서지전류의 침입을 막는다. 이 SPD에 의한 이하의 하류에 있는 SPD로 서지 에너지가 저감할 수 있다. 다음 단계의 SPD(k, 1 또는 n, o)는 서지레벨을 이하의 하류의 방호 또는 장치가 허용할 수 있는 값으로 더욱 저감한다. SPD의 내량은 보호영역의 단계 및 <표 1>에 기재한 전압방호 레벨에 따라 선정한다. SPD의 전압방호 레벨 UP가 다음의 SPD 또는 IT장치로 규정해야 할 전압값 보다 낮아 지도록 선정한다. <표 1>에서 뇌보호영역의 선정은 경계 LPZ 0/1의 전뇌전류 IB의 부분(부분뇌전류IPC)가 SPD(j)경유로 IT시스템으로 저항결합하는 것을 전제로한다. IT시스템내에 전반하는 최종적인 뇌전류파형은 시스템의 배선 및 SPD의 동작에 의해 변화한다. SPD(j)의 방호레벨이 기기의 내력레벨 보다 높은 경우는 SPD(j)와 협력하여 적절한 방호레벨을 가진 SPD를 설치한다. 대체안으로 적절한 전압방호 레벨을 가진 SPD를 SPD(j)로 바꿔 놓는다. 뇌격의 전자효과 또는 미리 설치하고 있는 SPD의 과도적변화에 따라 유기할 서지전류는 8/20㎲의 전류파형이다. IT네트워크 및 통신회선에 근접하고, 그 회선에 접속하고 있는 IT 장치에서 떨어져있는 뇌격에 의해 유기하는 전압은 10/700㎲의 전압파형이다. 통신회선이 송전선의 지락사고에서 과전압을 받은 경우를 상정하고 국소의 대지간전압은 SPD를 통신회선과 접지단자와의 사이에 접속하여 제한한다. 단말기기의 절연내력은 방호 디바이스의 방전개시전압 및 대지까지의 배선 인피던스를 고려해 넣어 선정하고, 그 소요성능은 ITU-T권고 K20, K21 및 K45 등에 기초한 제품군 또는 제품에서 선정한다. 3. 건축물 내부의 IT시스템에 대한 뇌유도과전압의 영향 뇌유도과전압은 건축물내에 나타나고, 전술한 메커니즘에 의해 내부 네트워크와 결합한다. 이 과전압은 일반적으로 대지간이지만, 선간에 나타나는 경우가 있다. 정보통신장치내의 부품 파손, 절연파괴는 이 과전압에 의해 생긴다. 이 영향을 제한하기 위한 SPD는 <그림 3>에 따라 설치한다. 같은 그림에서 (c) : SPD내의 전부 대지간전압제한 서지 전압소자를 접속하는 SPD의 공통접속부, (d) : 등전위본딩용 바, (f) : 정보기술 또는 통신포트 (g) : 전원포트 (h) : 정보기술 또는 통신회선 혹은 네트워크 (i) : JIS C 5381 - 21의 <표 3>에 따른 SPD, (o) : JIS C 5381 -1 의 클래스Ⅲ시험에 따른 전원용 SPD, (p) : 접지도체 (q) : 필요최소한의 접속 UP(C) : 전압방호레벨로 제한한 대지간전압, UP(D) : 전압방호레벨로 제한한 선간전압, X1,X2 : SPD를 접속하는 무장호측의 단자로, 그 단가간에 제한소자 (1,2)를 설치하는 Y1,Y2 : 방호측의 SPD접속단자, (1) : 커먼모드전압을 제한하는 서지전압방호소자, (2) : 선간전압을 제한하는 서지전압방호소자이다. 정보통신시설의 접지 정보통신시설의 특징은 외부에서 그 지역의 종횡무진으로 뺑 둘러쳐진 다수의 통신선을 잡아끄는 것 및, 건물내부에도 다른 통신설비간을 엮는 신호선이 동일플로어는 물론 플로어간도 다수 접속되는 것이다. 또, 옥상에 수뇌부와 무선 안테나용의 철탑이 설치된 경우가 많기 때문에, 피뢰침과 철탑에 뇌격이 있으면 그 뇌전류가 빌딩의 철골, 철근, 들보를 끼우고 흐르기 때문에 장치의 플레임이 그에 접속되어있으면 통신장치에 영향을 미치는 것이다. 이같은 문제를 해결하기 위해서는 정보통신시설전체의 접지구성, 장치레벨의 접지구성에 따른 대책을 행하는 것이 필요하다. 정보통신시설전체에서 접지구성으로 산상무선중단소로 대표되는 안테나철탑 등에 직격뇌를 받기쉬운 시설로는 <그림 4>에 나타나는 환상연접접지의 채용이 바람직하다. 특히 산상은 주변에 바위가 많기 때문에, 개개의 접지 인피던스를 작게하는 것이 어렵다. 그래서 건물내부의 환상접지모선, 주위의 부매설환상접지, 피뢰기용접지, 철탑 및 피뢰침의 인하도선 등, 모든 접지를 연접하는것으로 뇌서지가 침입해도 시설전체의 접지간에 전위차가 생기기 어려운 구성이 된다.

NTT 통신 빌딩의 접지구성에 관해서는 뇌 등의 방해에 대해 시스템의 신뢰성을 확보하는 한편 국제표준과 종래의 사용하고 있는 접지방식으로 정합을 한 새로운 접지구성법을 채용하고 있다(<그림 5>). 즉 빌딩 설비전체의 등전위화를 위해 대지의 접지극은 종합접지극으로 고압피뢰기용접지극 및 피뢰침용접지극과 연접하고 있다. 또, 각 플로어의 설비에 저인피던스의 접지접속점을 제공하기 위해 325㎟의 접지모선을 부설하고, 대지의 접지극과의 접속점을 인터페이스 A라고 한다. 각 플로어의 정보통신장치는 절연부시로 바닥과 절연하고, 인터페이스 B라고 부르는 각 플로어 마다의 접지단자반에 각 장치의 접지선을 접속하고 있다. 동일 플로어에 있는 장치의 접지를 전부 인터페이스 B로 1점 접지하는 것으로 플로어레벨의 등전위화가 도모되고 있다.

게다가 각 플로어의 인터페이스 B를 빌딩의 철골, 철근과 접속함에 따라 플로어와 장치간의 전위차를 억제하고 있다. 또, 무선계, 전송계, 감시제어계 등의 다른 장치간 및 다른 플로어 간의 장치에 관해서는 인터페이스 C에 의해 상호간섭을 막고 있다. 인터페이스 C에는 다른 통신 시스템간의 통신선에는 극력광 링크와 절연트랜스를 사용하는 것으로 장치의 오작동과 고장을 방지할 수 있다. 통신빌딩에서 접지와 본딩구성에 관해서는 ITU-TK.27의 권고가 있다. 공통 본딩망에 접속하는 접지구성으로 ①메시형의 다점접속구성, ②스타형의 1점접속구성, ③메시형의 1점접속구성이 있다. 메시형의 다점접속구성은 인티그레이티드접지로 불려 안테나와 접지하는 무선장치와 동축 케이블을 이용하는 전송장치를 중심으로 이용됐기 때문에 장치의 접지선을 메시형으로 통신빌딩의 철골, 척근, 들보 등에 접속하는 것에 따라 외부에서 침입하는 뇌서지에 대해 등전위화하는 것을 중점화 하고 있다. 스타형의 1점 접속구성은 아이스레이티드접지로 불려, 교환장치의 접지구성으로 대표적인 구성이다. 통신빌딩의 바닥과 벽, 철골, 철근, 들보 등에서 장치를 절연하기 위해, 공장에서 장치 랙의 설치에는 확실한 절연공사가 필요하다. 메시형의 1점접속구성은 스위칭전원에서 잡음제어와 라우터·서버 등의 고속전송장치 등의 접지구성으로 유망하고 넓은 주파수대역으로 통과하는 접지망의 저임피던스화를 도모할 수 있다. 결론 정보통신시설의 뇌방호는 전자정보의 추진과 유비쿼터스사회(u-Japan)의 실현에 필수이고 앞으로도 장치의 고속화, 다기능화, 저전압회로 동작화의 진전과 함께 보다 한층 고속화가 요구된다. 한편으로는 광파이버의 채용에 의해 장치간의 절연간섭문제가 해결되고 있는 반면, 통신장치의 전력소비량의 증대, 고주파화에 따른 잡음문제가 현저화되고 있다. 앞으로 안정된 정보통신시설의 실현에는 통신계, 전원계, 건물구조와 접지 시스템 전체의 뇌방호시스템 설계가 중요한 역할을 할 것으로 생각된다.