[알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술 ③] 알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술

이번 호에서는 지난 호에서 기술한 내용을 토대로 구체적인 대책 방법을 설명하였다.
 

건물의 접지저항을 2Ω(건물의 철골 및 기타 금속체를 A종, B종 접지극으로 사용 가능)로 하여 18㎸로 수전하는 경우 인입구에 설치하는 SPD에 필요한 성능을 구하기 위한 분류 계산을 자료를 통해 실시하였다. 그 결과를 통하여‘보호레벨 Ⅳ인 경우, 건물의 접지저항을 2Ω로 하면 18㎸ 인입구에 장착한 SPD는 공칭방전전류 5㎄의 어레스터를 3대(3상분) 설치’하면 된다. 예전부터 지중케이블로 인입한 경우에는 인입구에서의 뇌대책은 불필요한 것으로 알려져 있었다. 그러나 직격뢰에 대한 대책으로 인입구에서도 SPD를 설치할 필요가 있다. 대형건물에서는 접지저항이 더욱 낮은 경우가 있다. 접지저항을 2Ω로 하여 계산하면 뇌격전류 100㎄(보호레벨Ⅳ)인 경우, 건물의 접지전위 상승은 20㎄(100㎄×0.2)가 된다. 일반적으로 고압 큐비클에 설치하는 고압기기의 임펄스전압은 18㎸인 경우 125㎸이므로 접지극의 전위상승은 고압 인입 전력선 측 기기의 내전압 이하로 되어 전력선 측에는 유출되지 않으므로 새로 제정된 KS에서 요구하는 전력 인입구용 SPD의 설치는 불필요하다. 단 빌딩의 접지저항을 물리적으로 하나의 점으로 하여 계산한 것이고, 실제로는 건물이나 큐비클의 배치가 다르고, 게다가 뇌격에 의한 유도전압의 발생 및 전원선으로부터 뇌서지 침입의 가능성이 있기 때문에 일반적인 SPD의 설치는 필요하다.
 

• 사용 예: 공칭방전전류 5000A, 18㎸용 산화아연형피뢰기
 

통신선 측은 전원선과 달리 전선의 치수가 가늘고 임피던스도 높기 때문에 통신선 측으로 유출은 전원 측의 1/10 정도이다. 건물의 접지저항을 2Ω, 통신선 측에 약 1㎄(10/350㎲)인 전류가 분류된다고 가정해보자. 전화 회선이 10회선 인입된다면 전선의 수는 20가닥이 되므로 각 선에 SPD를 설치했을 경우, 각 SPD에 흐르는 전류는 50A(10/350㎲)가 된다. MDF실에 통신사업자가 설치한 보안기(SPD)로 대응이 가능하다. 단, MDF 내에 설치한 SPD의 접지는 전기계의 D종접지와 접속하여 등전위화를 도모하는 것이 중요하다.
 

각 층의 분전반에 SPD를 설치하였을 경우, 직격뢰에 의해 어떤 전압이 발생하는가를 추정하고 그때 설치된 SPD에 흐르는 전류에 대해 이하 정리하였다.
 

① 분전반에 발생하는 과전압

<그림1>은 5층 건물의 1층에 큐비클을 설치하고 각층 분전반에 전원을 공급하였을 때의 모델이다. 건물의 폭, 길이는 모두 20m, 각층의 높이는 5m로 하고 수직 기둥은 10m 간격으로 총 9개 배치하였다. 각 기둥은 완전도체, 접지저항은‘0’이라 가정하자. 옥상의 수전부에 뇌격을 입은 경우, 각 층의 분전반에 유기된 과전압 시뮬레이션 결과를 <표 1>에 나타내었다. 최상층에 발생하는 전압이 가장 높았고,중간층이 가장 낮았으며 최하층은 역극성이 되어 다시 높아졌다. 또 다른 계산에서는 층이 높아질수록 발생전압도 높아졌다. 이 표는 KS에서 정한 제1뇌격(10/350㎲)을 가정한 경우의 결과이다. 그러나 유기된 과전압은 전류파형의 파두준도에 크게 영향을 받기 때문에 후속(0.25/100㎲) 급준 전류에 대해서는 더욱 높은 전압이 발생하였다. 일반적으로 전자기기의 내전압은 <표 2>와 같이 카테고리Ⅱ로 분류되므로 1500V 정도이다. 이 과전압이 분전반에서 기기로 가해지면 기기는 파손될 가능성이 높다. 따라서 분전반에 SPD를 설치하여 기기를 보호해야 한다.





 

② 분전반에 설치한 SPD의 필요 성능

<그림 2>는 5층 빌딩이 뇌격되었을 때, 각 기둥으로 흐르는 뇌서지의 분류에 대해 시뮬레이션한 결과이다. 인하도체는 8개의 수직 철골을 통하여 대지에 직접 접속되어 있다. 접지저항은 0Ω이며, 1층의 큐비클로부터 공급되는 전력선은 각층에서 SPD를 거쳐 접지도체에 접속되어 있다(그림의 굵은선 부분). 옥상의 수전부가 뇌격되었을 때, 각층 분전반에 설치한 SPD로부터 전력선에 유입되는 전류의 비율을 수치전자계 해석기법으로 계산하여 그 결과를 <표 3>에 나타내었다. (뇌격전류를 100%로 함) 시뮬레이션은 건물의 접지저항 0Ω, 인하도체(기둥) 8개, 전력선 1가닥(1층으로부터 공급), 들보 및 기둥의 굵기 50㎝로 해 계산했다. 전류의 극성은 하향 및 전력선으로 유입되는 방향을 정(+)으로 했다. 계산 결과, 전력선으로 분류되는 비율은 최고층 및 1층(극성은 반대)이 가장 높고, 중간층에 가까워질수록 낮아졌다. 이러한 경향은 층수와 무관하게 최상층과 1층 전력선으로의 분류가 가장 큰 점이 공통된 특징이다. 계산 결과, 최상층에서는 뇌격전류의 2.5%가 전력선으로 유입된다. 뇌격전류가 100㎄라면 삼상 또는 단상 3선이므로 1선당 100×0.025÷3=0.83㎄(10/350㎲) 8/20㎲ 파형으로 환산하여야 하므로, 이 값을 25배 해주면 0.83×25=20.8㎄(8/20㎲)가 된다. 상기의 계산 결과로부터 최상층 및 최하층의 분전반에는 최대방전전류가 20㎄인 유도뢰용 SPD를 설치해야함을 알 수 있다. 그러나 실제의 건물에서는 기둥이 8개 이상인데다, 전등용, 동력용 등 전력선도 2배 이상으므로 20㎄보다 낮은 등급의 SPD적용도 가능하다. 이 시뮬레이션에서는 중간층의 SPD에는 거의 전류가 흐르지 않는다는 결과가 나왔다. 그러나 실제로는 구조체를 흐르는 뇌격전류 때문에 전자결합된 유도성분이 전력선으로 인입되므로 각층에 대한 유도뢰 대책으로써 20㎄보다 낮은 등급의 SPD 적용도 가능하다. 이 시뮬레이션에서는 중간층의 SPD에는 거의 전류가 흐르지 않는다는 결과가 나왔다. 그러나 실제로는 구조체를 흐르는 뇌격전류 때문에 전자결합된 유도성분이 전력선으로 인입되므로 각층에 대한 유도뢰 대책으로써 20㎄의 SPD를 설치하는 것이 바람직하다. 약전계통의 기기에서는 중앙감시반, 방재센터 및 컴퓨터실에 대한 전원 대책이 특히 중요하다.




 

건물의 인입 신호선은 전화선, 통신선 외에도 TV 안테나, 케이블TV 그리고 감시카메라 등이 있다. 건물의 인입구에는 직격뢰로 인한 뇌의 분류 성분이 흐르고 있기 때문에 10/350㎲의 뇌전류를 처리할 수 있는 SPD(시험카테고리 D1)를 설치해야 한다. 이때, 뇌보호레벨이 Ⅳ라면 뇌서지 전류내량이 1 계통당 1㎄(10/350㎲)인 SPD가 필요하다. 건물 내부에는 최상층에서 지하실까지 LAN, 방재설비(화재경보기, 비상방송, 환기장치 등), 보안설비, 중앙감시 등 여러 신호선이 복잡하게 배선되어 있다. 건물구조체에 뇌격전류가 흐르게 되면 이들 배선에 유도전압이 발생하여 기기가 파손될 수 있다. 따라서 원칙적으로는 보호존을 통과하는 모든 기기의 배선에 SPD를 설치해야하지만 현실적이지 않으므로 기기 내부에 대책을 세우는 것이 바람직하다. 그러나 옥상의 수전부에 뇌격이 되었을 경우, 건물 최상층 및 펜트하우스에 설치된 조명설비 및 방재설비는 직격뢰의 영향을 직접 받을 가능성이 있다. 따라서 이들 설비에 가해지는 뇌서지가 건물 내부로 인입되어 설비 전체 및 다른 기기에 처리할 수 있는 SPD(시험카테고리 D1)를 설치해야 한다. <그림 3>에 설비의 개요 및 SPD의 설치 위치를, 그리고 <표 4>에 SPD의 필요성을 정리했다. 빌딩 등의 수뢰受雷부에 낙뢰되었을 때, 낙뢰전류가 인하도체를 통하여 접지로 유출된다. 새로 제정된 KS규격에는‘개별 계산이 불가능할 때는 전체 전류의 50%가 해당 건축물의 LPS 접지시스템으로 유입되고 남은 50%가 건축물의 인입선 및 인입관(외부 도전성 부분, 전력선, 통신선 등)으로 분류된다’라고 상정하고 있다. 이는‘건축물의 접지저항을 30Ω, 전력 배전선 계통의 접지저항을 30Ω’으로 상정한 결과이다. 그러나 일반 건축물의 경우, 구조체 접지를 채택하여 접지저항이 2Ω 이하로 비교적 낮게 설계되어있는 경우가 많다. 이처럼 접지저항이 구체적으로 설정되어 있는 경우, 뇌전류는 어떻게 분류되는지 그리고 이때 인입구에 설치해야하는 SPD의 성능은 어떠해야 되는지 검증하여 보았다. 그 결과를 아래에 정리했다. ‘조건’접지저항이 2Ω인 건물에 100㎄의 뇌격전류가 유입된 경우 접지전위가 200㎄까지 상승하게 되므로 인입구에 설치되어있는 트랜스나 고압기기가 파손될 우려가 있다. 이때 고압 인입구에 설치한 SPD의 필요 성능을 검증했다.

① 고압 18㎸ 인입의 경우

전력회사로부터 3상 18㎸로 인입하여 큐비클에서 저압 220V로 변환한다. 인입구에 SPD를 설치한 경우의 뇌격전류의 분류 양상을 <그림 4>에 나타내었다.
 

IL: 뇌격전류(10/350㎲)

Im: 전력측으로 유출된 전전류(10/350㎲)

Re: 건물접지저항

Rs: 18㎸용 피뢰기의 내부저항(큐비클 인입구 및 전주에 부설)

Rn: 18㎸용 피뢰기의 접지저항(전주에 부설된 경우의 A종 접지저항)