NET 신기술에 도전하는 초고성능 낙뢰보호기

NET 신기술에 도전하는 초고성능 낙뢰보호기 ㈜한국서지연구소_김선호 대표 (042)256-7200 / www.surgelab.co.kr, surgelab@paran.com 개요 최근 정보통신 발달과 더불어 고도 정밀한 전자기기류가 급증하고 있으며, 이들 회로에는 반도체를 포함한 전자회로가 사용된다. 이러한 첨단 기기는 온도와 습도까지 세심하게 관리되는 기계실에 설치·운용되지만 때로는 산간 오지의 컨트롤 박스에 설치되어 열악한 환경에서 운용되기도 한다. 운용 환경이 열악한 기기일수록 낙뢰·서지에 취약할 수밖에 없다. 따라서 전기적인 외력으로부터 이들을 안전하게 보호하기 위해 서지보호장치가 널리 사용된다. 그러나 이들 보호장치를 사용함에도 불구하고 낙뢰 피해는 반복되고 있다. 낙뢰가 유입되면 누전차단기가 오동작하여 트립(Trip)되고 정전이 발생하는 등 파급 사고가 발생할 뿐만 아니라 경제적인 손실로 이어지는 문제점을 초래한다. 본고에서는 서지보호기 보호 능력과 뇌서지에 대한 누전차단기 오동작 특성을 조사하기 위해 IEC61000-4-5의 규격에 따라 1.2/50㎲, 8/20㎲ 조합파형 서지발생기를 활용하여 서지보호기의 보호 능력을 실험했다. 또한 누전차단기의 전원 입력 측에 서지보호기를 취부하고 220V 상용주파수 전원이 인가된 상태의 누전차단기에 서지를 인가하여(누전차단기의 시험 규격은 KS C 4613임) 오동작 방지 능력을 실험했다. 실험 실시 본고에서는 국내외 낙뢰·서지보호기를 대상으로 보호 능력을 시험하고 그 성능을 비교했다. 또한 같은 시료를 활용하여 누전차단기가 뇌서지에 오동작하는 현상을 서지보호기가 예방할 수 있는가에 대한 실험도 실시했다. 통상적인 AC220V 전원용 낙뢰·서지보호기는 선간 및 선-접지 간 보호 모드를 가진다. 또한 각각 피크(Peak)치 430V~470V의 전압에서 동작을 개시하여 동작개시 전압의 약 200% 이내에서 제한전압 특성을 가지게 되는데, UL1449의 규정에 따르면 800V 피크 이내의 제한전압 값을 가진다. 누전차단기는 뇌서지에 의한 오동작으로 전원 정전과 같은 문제를 야기하기도 한다. 이와 같은 과도현상으로 인해 발생하는 서지에 대응하고자 충격파 부동작형 누전차단기가 보급된다. 국내 누전차단기 규격인 KS C 4613에는 이 같은 서지에 대한 누전차단기 오동작 현상을 고려하여 충격파 부동작형 누전차단기의 성능확인 시험이 제시되고 있다. 시험 내용으로 파고치 7㎸, 파두장 0.5~1.5㎲, 파미장 32~48㎲의 낙뢰 임펄스를 1분 간격으로 3회 인가하여 오동작하지 않도록 규정하고 있다. 누전차단기 서지에 의한 오동작 원인을 규명하고 대책을 수립하는 측면에서 지금껏 문제시되어 온 낙뢰 임펄스 전압에 의한 오동작에 대한 실태 조사 및 원인 규명에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 국내 산업현장에 사용되는 대부분의 누전차단기는 이와 같은 충격파 부동작형이지만, 전원선을 통해 전파되는 전도성 서지에 의한 오동작 사례와 낙뢰 시 대지전위 상승에 의한 오동작 사례가 종종 보고되고 있다. 최근에는 반도체 집적회로를 비롯하여 낙뢰 임펄스 전압에 대해 내전압이 낮은 전자 정보기기와 컴퓨터 등을 저전압회로에 사용하므로 낙뢰 임펄스 전압에 대한 보호를 목적으로 기기 내부에 제너다이오드, 스파크 갭 및 배리스터(Varistor) 등과 같은 서지 차단 소자를 내장하거나 상간에 접속하는 경우가 많다. 본고에서는 국내에 사용되고 있는 정격감도 전류 30㎃ 이하, 동작시간은 0.03초 이내인 30A용 고감도형 누전차단기 입력 측에 낙뢰·서지보호기를 접속·보호하고 서지전압을 인가하여 이에 대한 동작결과를 분석했다.(<그림 4> 참조) 낙뢰·서지보호기 구성 낙뢰보호기 기본적인 구성은 <그림 1>과 같이 선간 및 선-접지 간에 대해 배리스터를 구비하는 구조를 가진다. 기본적인 동작 원리는 선간(P-N)에 유입되는 서지는 Z1에서 흡수하고, 선-접지(P-G, N-G) 간에 유입되는 서지는 Z2, Z3에서 각각 분담하여 흡수, 저지하는 것이다. TF1, TF2는 온도 퓨즈로 보호 소자 손괴 시 사고 파급을 막기 위해 설치한다.

[그림 1] 낙뢰보호기 회로도

실험 장치 및 방법 서지보호기 동작 특성을 조사하기 위해 낙뢰 임펄스 발생 장치로 개방전압 1.2/50㎲, 단락전류 8/20㎲의 조합 파형 최대 20㎸/10㎄ 임펄스 전압을 발생시킨다. 실험에는 <그림 2>와 같은 파형으로IEC61000-4-5의 기준에 의거 6㎸/3㎄의 조합 파형을 사용했다. 전기 전자기기의 고장 전류 또는 서지 침입 시 대전류에 의해 전원회로에 발생되는 서지전압을 모의하여 누전차단기의 동작 특성을 평가하고자 시험파형으로 1.2/50㎲ 낙뢰 임펄스 전압이 발생할 수 있는 회로를 설계했으며, 이 계통도를 <그림 3>으로 나타냈다.

[그림 2] 표준 뇌서지 개방전압 파형 [그림 3] 임펄스 발생기 [그림 4] 시험회로 접속도

주요소는 고압 충전기 외 임펄스 전압 트리거 회로, 임펄스 트랜스 및 피형교정회로, 전압 측정기, 기타 구조물로 구성된다. <그림 3>의 회로는 20㎸ 1.2/50㎲(10㎄ 8/20us)의 표준 낙뢰 임펄스 전압을 발생시킬 수 있으며, AC220V 전원에 임펄스를 중첩하여 시험할 수 있다. 시험 회로는 <그림 4>와 같이 구성하고, 준비된 서지보호기 시료만을 변경하면서 각각 접속 실험했다. 서지보호기 보호 능력은 SW1, SW2를 각각 Off하여 보호기만의 정특성을 실험하고, 누전차단기 오동작 방지 능력은 AC220V를 중첩하여 SW1, SW2를 On하여 실험했다. 오동작 실험에 사용되는 누전차단기는 <표 1>과 같은 사양을 가진 제품을 사용했다. 서지보호기 보호 능력 실험 본 실험에서는 <그림 4> SW1과 SW2을 Off한 상태에서 서지보호기만의 보호 특성을 시험했다. 1. 해외 시료 A

[그림 5] 해외 시료 A 보호 특성

앞서 <그림 1>과 같은 구성도를 가지는 전형적인 서지보호기 제품으로, 766V 잔류전압으로 통상적인 보호 특성을 가진다.(<그림 5> 참조) 2. 해외 시료 B

(a) 해외 시료 B 구성도 ;         (b) 해외 시료 B 보호 특성             [그림 6] 해외 시료 B 구성도 및 보호 특성

<그림 6>(a)와 같은 구성을 가지는 방전형 서지보호기로, 단독 또는 2~3개의 보호기를 조합하여 사용하는 방식이다. 보호 특성은 <그림 6>(b)처럼 첨두(尖頭)전압이 1977V에 달하며, 방전펄스 폭이 작아 잔류에너지는 작은 특성을 보인다. 이 보호기는 AC220V 교류에 사용하는 방전형 소자 적용 보호기로, 뇌서지 유입 시 보호 동작 후 차단기가 트립되어 정전사고로 이어진다. 3. 해외 시료 C

[그림 7] 해외시료 C 구성도

이 시료는 일본 제품으로 3㎸ 이하 낮은 임펄스에서는 MOV의 동작이 유효한 특성을 보이지만, 6㎸의 큰 임펄스에서는 MOV 동작 특성이 악화되어 방전 갭이 방전하는 특성을 보인다. 잔류전압이 1805V에 달하여 보호 특성은 그다지 좋지 않음을 알 수 있다. 또한 해외 시료 C 역시 <그림 6>(b)에 나타난 해외 시료 B와 유사한 방전 특성을 보인다. 뇌서지 유입으로 인해 방전형 소자가 방전함에 따라 속류현상이 발생하여 차단기가 트립되는 현상을 유발하고 정전으로 이어지는 문제를 내포하고 있어 사용에 있어 많은 주의를 요한다.

[그림 8] 해외 시료 C 보호 특성

4. 국내 시료 D, E 국내 시료 D와 E 역시 <그림 1>과 같은 구성도를 가지는 전형적인 서지보호기 제품으로 각각 805V, 789V의 잔류전압으로 통상적인 보호 특성을 가진다.(<그림 9>, <그림 10> 참조) 5. GCA소자를 기반으로 하는 신제품 일반적으로 서지보호기는 상용전압 피크치, 즉 220V일 경우 220 2=311V이지만, 상용전원 전압 변동률 25%를 적용하여 275V AC, 즉 430V의 피크값에 반응하게 된다. ㈜한국서지연구소에서 개발한 GCA소자 기반 신제품은 <그림 11>와 같이, 서지보호기 동작에 대한 기준전압 430V Peek에 비해 월등히 낮은 367V의 잔류전압 특성을 보인다. 서지보호기 동작점이 낮으면 보호 능력은 우수하다 하겠지만, 상용교류에 반응하여 보호기 손상을 초래하므로 동작점을 낮게 잡을 수 없다는 문제가 있었다. 하지만 ㈜한국서지연구소는 GCA소자를 적용하는 Under Voltage Tracking Technology를 개발, 상용화하여 이런 문제를 해결했다.

[그림 9] 국내 시료 D [그림 10] 국내 시료 E [그림 11] (주)한국서지연구소의 GCA소자 기반 신제품 [그림 12] 개발 제품 상용교류 동작 특성

서지보호기 정특성 시험 결과 및 분석 본 실험에서 배리스터를 사용하는 서지보호기는 국내외를 막론하고 사용되는 소자가 유사하며 회로구성이 대등소이할 뿐만 아니라, 대체로 약 800V의 제한전압을 가지는 특징이 있었다. 해외 시료 B, C의 경우 방전형 소자가 적용되는 관계로 소자 방전특성에 기인하여 약 1800V~2000V나 되는 제한전압 특성을 보였다. 이에 비해 본 개발 제품의 보호 특성은 367V의 보호 특성을 가지는데, 이는 통상적인 서지보호기 동작개시전압 기준인 430V에 대해 -67V라는 Under Voltage 특성이다. 약 800V의 제한전압을 가지는 배리스터형 보호기는 370V의 Over Voltage 특성, 방전형 보호기는 최소한 약 1370V의 Over Voltage 특성을 보인다. 한편 367V의 제한전압 특성으로 인해 열 폭주할 염려가 있지만, 본 개발 제품은 상용교류에 대한 과도특성이 <그림 12>과 같이 약 512V에서 열 폭주 특성이 나타나므로 걱정할 필요가 없다. 누전차단기 오동작 방지 실험 각각의 시료를 가지고 <그림 4> 실험 회로에서와 같이 SW1, SW2를 On하여 전원을 공급하면서 누전차단기를 접속하고, 누전차단기 입력단에 서지보호기로 낙뢰 임펄스를 보호하여 누전차단기 오동작 여부를 실험했다. <그림 13>는 각각의 시료를 오동작 방지 실험한 결과를 나타낸 것이다. 실험 결과, 국내외 시료 대부분이 누전차단기 오동작 보호에 있어 문제점이 나타났지만, 개발 제품인 (f)는 뇌서지 유입에 대해 AC 60㎐ 사인웨이브 상에 노이즈 정도의 출렁임만 보였다.

(a) 해외 시료 A - Trip (b) 해외 시료 B - Trip (c) 해외 시료 C - Trip (D) 국내 시료 D - Trip (e) 국내 시료 E - Trip (f) 개발 제품 - Non Trip [그림 13] 각각의 시료 오동작 방지 실험 결과

결론 서지보호기는 대체로 비슷한 부품 소자와 회로를 기반으로 하므로 그 보호 특성에 큰 편차가 없다. 다만 방전형 소자를 탑재한 해외 시료는 그 기본 특성으로 인해 보편적인 상용교류 뇌서지 보호에는 사용해서는 안 되며, 특수한 목적에 따라 적용할 분야를 심각하게 고려해야 했다.

* 주 - ㈜한국서지연구소에서 독자 개발하여 상용화에 성공한 GCA 소자를 탑재한 제품으로, 현재 지식경제부 신기술인증(NET) 평가에서 1, 2차 심사를 통과한 상태다. [그림 14] 개발 제품 SL2204PRO

또한 누전차단기 오동작을 예방하기 위해 사용하는 기존 기술의 서지보호기는 그 적용 효과가 미미했으며, 본 실험의 6㎸/3㎄ 뇌서지에는 보호 효과가 나타나지 않았다. 이것은 배리스터 소자의 보호 특성으로는 누전차단기를 구성하는 IC와 주변 회로가 낙뢰 임펄스의 영향에서 자유로울 만큼 충분한 임펄스 제거 능력을 발휘하지 못하기 때문으로 풀이할 수 있다. 이는 누전차단기가 KS C 4613규격상의 7㎸ 충격파 부동작형 누전차단기에 IEC61000-4-5 파형을 인가하여 실험한 차이점에 대하여 전제하고 있다. 하지만 전원 선로에 적용되는 충격파 부동작 특성과 그 전원을 사용하는 전자기기 오동작 방지라는 측면에서 낙뢰 임펄스 유입에 대하여 서지보호기 성능 개선이 필요하다는 결론을 내릴 수 있었다. 김선호(金鐥鎬) 1999년 한국능률협회 제안지도사. 2004년 KT 퇴사. 2005년 한국서지연구소 연구소장 역임. 현 ㈜한국서지연구소 대표이사 뇌충격 내전압시험 개폐장치가 뇌충격에 견디도록 설계, 제작되었는가를 확인하기 위한 것. 시험파형은 소정의 파형으로(KS에서는 1.2×50㎲) 시험 횟수는 정부 극성별로 각 1회씩 하도록 되어 있다. 서지보호기(Surge Protector) 낮은 전압(실효값으로 600V 또는 그 이하)의 전기·전자장치 또는 회로에서의 서지전압을 제한하기 위해 설치하는 장치로, 하나 이상의 피뢰기와 장비부품으로 구성된 보호장치를 말한다. 서지보호장치(SPD : Surge Protective Device) 과도적 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하는 것을 목적으로 설치한다. 기능에 따라 전압스위칭형 SPD, 전압제한형 SPD, 조합형 SPD으로 구분된다. 서지 파고 전류계(Surge-Crest Ammeter) 과도 전류의 첨두값을 측정하기 위한 일종의 자력계로, 자화할 수 있는 철편이 서지 전류로 얻은 잔류 자기에서 전류를 알 수 있도록 되어 있다.