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[알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술 ①] 알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술

김대근 기자
입력 2013.06.07 00:00

알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술 ①
알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술

뇌대책 기재機材의 종류

현재 사용되고 있는 뇌보호 기재는 과거에 피뢰기, 어레스터 및 보안기 등의 호칭을 사용했던 서지보호장치(SPD)와 제4장에서 기술하였던 내뢰변압기가 있다. 본고에서는 SPD의 종류, 기능 및 방식에 따른 특징을 소개하고자 한다.

1. SPD의 종류

1.1 적용회로에 따른 종류

(1)전원회로에 접속하는 SPD

(2)신호, 통신회로에 접속하는 SPD

(3)전원회로 및 신호, 통신회로에 접속하는 SPD

1.2 포트(port)수에 따른 분류

(1)1포트(one port) SPD

보호회로에 대하여 병렬로 접속한 SPD에 1쌍의 입출력 단자쌍 또는 단자가 있으며, 입출력 사이에는 임피던스를 갖지 않는 것이다. 전원회로에 많이 채택되고 있다.

(2)2포트(two port) SPD

1쌍의 입출력 단자쌍 또는 4개의 단자로 입출력 단자가 있으며 입력단자쌍과 출력단자쌍 사이에 직렬 임피던스를갖는다. 신호회로에많이채택되고있다. <그림 1>은 포트 수에 따른 심볼을 나타낸 것이다.

1.3 전압제한기능에 따른 분류

(1)전압스위칭형 SPD

서지가 인가되지 않을 때는 높은 임피던스 상태이지만 서지가 가해지면 순간적으로 임피던스가 낮아지는 SPD이다. 공극(Air gap) 방식과 가스방전관 등이 있다.

(2)전압제한형 SPD

서지가 인가되어 있지 않을 때는 높은 임피던스 상태이지만 서지전압 및 전류가 커짐에 따라서 연속적으로 이피던스가 낮아지는 SPD이다. 산화아연형 SPD(ZnO형 SPD라고도 함), 정전압다이오드 등이 있다.

(3)복합형 SPD

전압스위치형 SPD와 전압제한형 SPD 양 쪽을 합하여 놓은 SPD이다. <그림 2>는 SPD의 구성 및 기능을 나타낸 것이다. <그림 3>은 <그림 2>의 SPD에 복합파형의 전압을 인가하였을 경우, 동작의 예를 나타낸 것이다. 복합파형은 인가전압(개회로전압)의 파형이 1.2/50㎲, 임펄스전류의 파형이 8/20㎲가 되도록 설정한 전압, 전류파형이다. 시험장치의 내부 임피던스는 2Ω으로 설정되어 있다. 따라서 개회로전압이 10㎸일 때 5㎸의 전류가 발생한다.

2. 전압스위칭형(갭방식)과 전압제한형(ZnO방식)의 특징

2.1 전압스위칭형(갭방식)

·특징은

① 소형 경량이다: 불꽃방전시의 아크전압이 낮아 소비에너지도 작다.
② 단자간 정전용량이 작다: 기체의 유전율이 낮아 부유용량도 작다.

·기술적 과제로는

① 전전압이 변화한다(방전전압의 편차 및 방전 지연이 있다). 기체안에서의 방전이므로 방전전압에 편차가 있다. 또한 급준 서지에 대한 방전의 지연으로 인해 방전전압이 높아지는 현상이 있다.

② 속류가 흐르기 때문에 적용 전원회로의 단락용량이 제한되는 경우가 있다. 서지에 의해 갭 사이가 방전된 경우, 전원계통의 대지간이 아크에 의해 단락되기 때문에 뇌서지전류 통과 후에 교류 전원측으로부터 계속해서 상용주파수의 전류가 흐른다(속류라고 함). 이로 인해 아크 전압이 빠르게 높아지므로 단락속류를 빠르게 한류限流시켜 차단하는 기술이 필요하다. 한류 능력은 전원측의 단락전류(전원의 단락용량)에 따라 크게 영향을 받으므로 속류 차단이 가능한 단락용량을 확인하여 SPD를 선정해야 한다.

③ 감減결합리액터를 필요로 한다. Ⅰ등급 SPD를 갭방식을 채택하고 Ⅱ등급 SPD로 ZnO방식을 채택한 경우, Ⅱ등급 SPD의 동작개시전압이 낮기 때문에 Ⅰ등급 SPD보다 먼저 동작한다. Ⅰ등급 SPD를 동작시키려면 트리거trigger용 전압이 필요하다. 이 전압은 Ⅰ등급과 Ⅱ등급 SPD의 전류상승률의 곱의 형태로 발생한다. 따라서 SPD 상호간의 이격거리가 짧은 경우(일반적으로 10m 이내)에는 수십 μH의 감결합리액터를 필요로 한다. 최근에 이러한 과제에 대응하는 제품도 출현하고 있다. <그림 4>는 갭방식 SPD의 적용 예이다.

2.2 전압제한형

이 방식은 산화아연형(ZnO형, MOV형)이라 불리우는 것으로 1968년 일본에서 발명된 획기적인 소자이다. 저전압으로부터 고전압 발전소, 변전소까지 서지 억제소자로서 세계적으로 사용되고 있다. 디스크 형태의 것은 연간 전세계 생산량이 수십 억개에 달한다. 종래에는 유도뢰를 대상으로 한 소형이 주류를 이루었지만 최근 과거에 비해 저항이 1/2~1/3로 낮고 크기도 대형인 소자가 개발되어 직격뢰에 대응하도록 제작·적용되고 있다.

·특징으로는

① 이 소자는 반도체소자이기 때문에 방전전압(동작개시전압)이 안정적인 동시에 급준파서지에 대한 응답성도 뛰어나다. 최근에는 갭방식 SPD에 갭과 병렬로 ZnO소자를 접속하여 이러한 특성을 유효하게 활용하기도 한다.

② 작은 전원용량에서 큰 전원용량(단락전류 50㎄)까지 대응이 가능하다(속류가 흐르지 않음). 초기 동작개시전압을 회로전압 파고치의 1.4~1.5배로 높게 설정한다. 뇌서지에 의해 이 전압이 낮아지더라도 회로전압의 파고치 이하로 되지 않도록 소자를 설계하기 때문에 회로전압에서 동작하는 일은 없다. 따라서 교류 전원으로부터의 속류는 발생하지 않는다. 이 점은 회로전압을 인가한 조건에서 규격에 정해져 있는 동작책무시험을 사내시험설비나 공인시험기관에서 실시하여 증명하고 있다. 무속류라는 것은 전원용량에 따른 영향을 받지 않음을 의미한다.

③ 감결합리액터가 필요치 않다. Ⅱ등급 SPD와 병렬로 사용하는 경우, Ⅰ등급 SPD가 자동적으로 먼저 동작하도록 설계되어 있다. Ⅰ등급 SPD를 트리거시키기 위한 감결합리액터도 필요치 않다. Ⅰ등급 SPD의 소자 면적을 크게 설계하였기 때문에, SPD간 리드선의 이격거리 5m 이내에서 대부분의 전류가 1등급 SPD로 분류되는 것을 실험 및 해석을 통해 확인했다(에너지내량의 협조에 문제가 없음이 증명됨, <그림 5> 참조). 기술적 과제로는 임펄스 방전중에 소자 사이에 제한전압이 발생하기 때문에 소비에너지가 갭방식에 비해 높아 용적이 커진다는 점이다. 저저항소자의 개발, 균질성의 개량 및 전극형성의 최적화를 통해 에너지내량을 기존의 200J/cc에서 500J/cc로 증대시킴으로써 소형화를 도모하고 있다(<그림5>, <그림 6> 참조).