고압피뢰기 구조와 역할

최근 전자공학의 급속한 기술혁신으로 컴퓨터에 대표되는 반도체 응용기기의 보급, 전송기술의 진보에 따라 고도의 시스템을 손쉽게 구축할 수 있게 됐다. 이와 같은 고도의 시스템에 의존한 현대사회에서는 우뢰 피해에 따른 수초 간의 정전마저 다대한 손실을 미치게 된다. 공장이나 사무실 등의 중요한 하드웨어나 기업자산이라 할 수 있는 귀중한 시스템 그리고 통신 네트워크 등을 우뢰 피해로부터 보호하고 있는 고압피뢰기(이하 피뢰기) 없이는 현대사회는 성립할 수 없다고 해도 과언이 아니다. 때문에 자가용 수요가의 전기설비 관리에 종사하고 있는 전기기술자들에게 피뢰기에 관해 이해를 돕기 위해 피뢰기의 기능, 성능 및 시설 방법에 대해 설명한다. 피뢰기의 역할 전기기기는 사용하는 전압에 따라 그 기기의 기준 절연강도가 결정돼 있다. 이들 각 기기에 절연강도를 초과하는 뇌서지 전압이 침입하면 기기의 절연이 파괴되어 계통 사고로 직결된다. 피뢰기는 이와 같은 뇌서지의 전압이 발생했을 때 이에 수반하는 전류를 분류해 기기가 견딜 수 있는 전압까지 뇌서지 전압을 낮춤으로써 기기가 절연파괴를 일으키지 않도록 보호한다. 배전계통의 절연협조나 과전압 억제가 필요해지면서 피뢰기는 더욱 중요시 되고 있다. 피뢰기의 적용 예로서 일반지역을 대상으로 한 6㎸ 배전용 피뢰기의 시설 상황을 <그림1>에 나타냈다.

피뢰기 기능 피뢰기는 그 주변의 애자 및 기기 보호를 목적으로 시설되는 내뢰 설비이며 그 기능은 다음과 같다. (1) 각 상의 평상시의 대지전압(이하 ‘상규대지전압’이라 함)에서는 동작하지 않고 과전압에서만 동작할 것. (2) 과전압을 수반하는 서지 전류를 안전하면서 확실하게 접지 측으로 분류시켜 기기가 과전압을 견딜 수 있는 전압까지 낮출 것. (3) 추정되는 유입 서지 전류에 대해 충분히 큰 서지 전류내량을 갖출 것. (4) 과전압으로 인해 동작한 후, 자동적으로 복구하고 다음의 과전압 침입에 대비하는 특성을 지닐 것. 피뢰기의 구조와 동작원리 피뢰기를 원리에 따라 분류하면 직렬 갭이 붙은 피뢰기와 갭이 없는 피뢰기로 대별할 수 있다. 1. 직렬 갭 부착 피뢰기 직렬 갭이 붙은 피뢰기란 직렬 갭과 산화아연소자(ZnO소자)라고 하는 특성요소를 애관 내에 직렬로 배치해 완전 밀봉한 피뢰기이다. 피뢰기는 상규대지전압에 대해서는 선로와 대지 간이 직렬 갭으로 절연돼있다. 뇌서지 전압이 침입하면 직렬 갭이 방전되어 특성요소에 방전전류가 흐르면서 뇌서지 전압을 낮춘다. 여기서 특성요소란 <그림2>에 나타냈듯이 비직선 전압전류 특성으로 인해 방전 시는 큰 전류를 통과시켜 피뢰기의 단자 간 전압을 제한하고 방전 후는 속류를 실질적으로 저지 또는 직렬 갭으로 차단할 수 있는 정도로 제한하는 작용을 이루는 것이다. 배전선에 침입한 뇌서지를 진행파로 생각한 경우, 피뢰기의 동작원리를 <그림3>, ① 및 ②를 이용해 설명한다. ①은 피뢰기 방전전류에서 산출하는 기기에 가해지는 전압을 나타내고 있다. 뇌서지가 피뢰기 설치 점에 도달하면 피뢰기는 낮은 저항체가 되기 때문에 피뢰기 설치 점은 서지 임피던스의 변이점이 된다. 이 때문에 투과와 반사가 발생해 ②를 얻는다. Ua=Ea＋Ia·Ra ………………………… … ① =U-Z·Ia/2 ……………………………… ② Ua : 기기에 가해지는 전압 [㎸] U : 유도 뇌서지 전압 [㎸] Ea : 제한전압 [㎸] Ia : 피뢰기 방전전류 [㎄] Ra : 접지저항 [Ω] Z : 선로의 서지 임피던스 [Ω] 피뢰기가 동작했을 때 선로의 대지 간 전압(기기에 가해지는 전압)은 피뢰기의 제한전압과 접지저항에 따라 변화된다. 따라서 제한전압이 낮은 피뢰기를 사용해 접지저항을 낮게 설치하는 게 바람직하다. 2. 갭이 없는 피뢰기 특성요소를 애관 내에 완전 밀봉하고 앞에서 설명한 직렬 갭이 부착된 피뢰기에서 직렬 갭을 생략한 피뢰기이다. 비직선 특성에 뛰어난 특성요소는 상규사용전압에 대해서는 절연물에 가까운 특성을 갖는 다는 점에서 직렬 갭이 불필요하다. 피뢰기의 정격과 종류 피뢰기는 적응하는 계통과 지역의 우뢰 빈도 및 환경 등을 고려해 선정한다. 참고로 JEC-203에서 발췌한 6㎸배전용 피뢰기의 보호·내전압 성능을 <표1>에 나타냈다. 1. 정격전압 피뢰기의 정격전압이란 그 전압을 양 단자 간에 인가한 상태에서, 소정의 단위 동작 책무를 소정의 회수를 반복 수행할 수 있는 정격주파수의 상용주파전압 최고 한도를 규정한 값을 말하며 실효 값으로 표시한다. 2. 공칭방전전류 피뢰기의 공칭방전전류란 피뢰기의 보호성능 및 자복성능을 표현하기 위해 사용하는 방전전류의 규정 값이며 소정파형인 뇌임펄스 파형의 파고치로 표시한다. 배전선로에서 피뢰기의 방전전류 크기는 9개 전력 회사의 수년 간에 걸친 실태조사 결과에 따르면 1,000A 이하가 95%를 차지하고 있으며 일반적으로 2,500A 피뢰기를 사용하면 좋을 것이다. 그러나 피뢰기의 방전전류 값이 비교적 커지는 산 정상의 전기설비나 TV무선중계소의 전원 및 동계 우뢰지역에는 5,000A~10,000A 피뢰기 적용도 고려하는 게 바람직하다. 피뢰기로 개폐 서지를 적극적으로 억제하고자 할 경우는 10,000A 피뢰기가 필요하다. 3. 제한전압 피뢰기의 제한전압이란 피뢰기를 방전하는 중에 과전압이 제한되어 양 단자 간에 잔류하는 임펄스 전압을 말하며 방전전류의 파고치 및 파형에 따라 결정된다. 제한전압의 규정 값은 파고치로 표시한다. 4. 내오손 구분 피뢰기의 내오손 구분이란 피뢰기가 소정의 염분 부착밀도를 한도로 하고 그 이하의 오손상태에서 사용에 견딜 수 있는지의 여부를 나타내는 구분을 말한다. 일반적으로 일반용 피뢰기의 내오손 성능은 0.06㎎/㎠, 내염용 피뢰기는 0.35㎎/㎠로 하고 있다. 피뢰기의 효과 1. 직격뇌에 대한 억제효과 직격뇌서지 전류의 크기는 평균 약 30㎄이며, 피뢰기 자체가 파손될 가능성이 높기 때문에 피뢰기는 유도뇌서지에 대한 기기보호가 주목적이다. 2. 유도뇌에 대한 억제효과 피뢰기의 보호효과는 <그림4>에 나타냈듯이 유도뇌서지의 크기 및 피뢰기의 접지저항에 따라 그 정도가 다르다. V50=60㎸의 배전선에서는 피뢰기의 접지저항 Rar이 30Ω 일 때, 유도뇌서지 전압 U가 200㎸ 이하이면 플래시 오버를 방지할 수 있다. 그러나 300㎸를 초과하는 유도뢰서지에 대해서는 피뢰기의 접지저항을 10Ω 정도로 할 필요가 이다. 피뢰기 시설방법 1. 시설장소 피뢰기는 전기설비기술기준 제41조 피뢰기 시설로 의무화된 개소에는 최저한으로 설치할 필요가 있다. 이에 더해 2002년에 개정된 고압수배전설비규정 JEAC 8011-2002에서는 수전전력 용량이 500㎾ 미만인 경우라도 피뢰기 시설이 의무화 됐다. 또 JIS C 4602-2004 ‘큐빅클식 고압수배전설비’에서는 큐빅클 내에 피뢰기 설치를 기본으로 하고 있지만 큐비클 인입용 케이블 전원측에 피뢰기(피뢰소자 포함)가 설치돼있는 경우 또는 지중배전선로에서 인입한 경우는 피뢰기를 생략할 수 있게 돼있다. 그러나 큐빅클 내의 인입용 케이블 접속점은 서지 임피던스의 변위점이 되기 때문에 전원 측 피뢰기에서 억제된 전압이 빌드업(Build-up)되어 과전압이 발생할 가능성이 있다. 또 접지 측이나 2차측에서 우뢰서지가 침입할 경우도 생각할 수 있다. 어떠한 현상이 발생했을 경우, 큐빅클 내 기기를 확보하는 일은 불가능하기 때문에 큐비클 내에는 피뢰기를 설치할 것을 권장한다. 2. 접지 피뢰기의 접지는 다음 사항에 주의한다. (1) 피뢰기의 접지는 전기설비기술기준 제42조 피뢰기 접지로 정해져있는 대로 A종 접지공사를 마련할 필요가 있다. (2) 피뢰기와 저압기기와의 접지 점은 가능한 한 떨어트리는 것이 바람직하지만 어쩔 수 없이 접지점이 근접한 경우는 피뢰기 접지 점의 점위 상승이 저압기기의 절연강도를 초과할 염려가 있다. 이와 같은 경우는 저압기기의 외함과 연접 접지하는 일이 필요하다. 단 저압측 부하기기를 포함한 대책에 충분히 배려해야 한다. 상기(2)에 관해서 지락계전장치부착 고압부하개폐기(이하 GR부착 PAS)에 피뢰기를 외부 부착한 경우를 예로 들어 이하에 설명한다. 피뢰기 시설방법은 피뢰기의 접지와 PAS의 외함접지를 <그림5>와 같이 공유했다고 하자. ① 고압선로에서 뇌서지가 침입했을 때 제어장치의 D종 접지와 피뢰기의 A종 접지와의 사이에 뇌서지로 인한 전위차가 생기기 쉽다. 이 전위차 때문에 GR부착 PAS 외함과 제어회로 간에 방전되어 소손하는 경우가 있다. ② 뇌서지가 건물에서 투입했을 때 건물피뢰침의 뇌격으로 건물전체가 전위 상승한 경우, 제어장치에는 전원계통으로부터 뇌서지가 침입한다. GR부착 PAS의 제어장치에는 뇌격 시 발생하는 각 접지 극의 전위차를 가져오게 되어 피해를 입을 수 있다. ③ 대책 GR부착 PAS의 외함접지와 피뢰기의 접지를 각각 단독 접지로 하고 접지극을 1m이상 떨어트린다. 또는 제어장치의 D종 접지와 PAS의 외함 접지를 공유하는 등 모든 접지를 공유함으로써 등전위화를 꾀하는 방법이 있다. 등전위화는 가장 효과적인 내뢰대책이지만 (2)항에 나타냈듯이 저압전원 회로도 동일한 대책을 실시해야 한다. 피뢰기 보수·점검 1. 보수점검의 종류와 실시항목 (사)일본전기공업회기술자료 제179호 ‘고압피뢰기의 보수·점검 지침’에 근거해 <표2>와 같이 실시하는 게 바람직하다고 한다. 2. 점검방법 (1) 외관구조 점검 <그림6> 및 <표3>에 나타낸 개소를 중점적으로 점검한다.

(2) 전기적 점검 6㎸ 배전용 피뢰기의 전기적 점검은 주로 절연저항의 측정을 실시한다. 피뢰기를 계통으로부터 제거하고 외관을 청소한 후, 피뢰기의 단자 간을 1,000V메가로 측정해 1,000M 이상이면 양호하다. 이밖에도 누설전류, 상용주파 방전개시 전압(직렬 갭 부착 피뢰기인 경우) 및 동작개시전압(갭이 없는 피뢰기인 경우)이 있다. 본 고에서는 피뢰기의 기능, 성능 및 시설방법에 관해 설명했다. 피뢰기가 전기의 안정공급에 공헌하고 중요한 기기를 보호할 수 있는 성능을 갖고 있어도 시설방법이 적절하지 않으면 그 성능을 발휘할 수 없다. 피뢰기를 적용할 때는 본 고를 참고로 적절한 피뢰기를 선정하고 시스템의 내뢰 설계에 유의하길 바란다.