여름철 낙뢰방호 관련 대책 기술

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여름철 낙뢰방호 관련 대책 기술

2008년 9월 1일 (월) 23:57:00 | 지면 발행 ( 2008년 8월호 - 전체 보기 )

여름철 낙뢰방호 관련 대책 기술㈜그라운드_우제욱 대표(031)737-4882~3 / www.ground.co.kr개요낙뢰는 언제부터 있었고, 또 언제까지 존재할까? 2002년부터 2006년까지 5년간 기상청에서 조사한 바에 따르면 낙뢰는 연평균 114만 회 이상 발생했는데, 월별로 따져보면 7, 8월 두 달에만 전체의 절반이 넘는 60만 회 이상 낙뢰가 발생했음을 알 수 있다. 특히 최근 몇 년간 낙뢰에 의한 인명 사고와 장비 소손으로 막대한 경제적 손실이 발생하고 있어 낙뢰방호 대책과 접지 피뢰기술의 중요성에 대한 인식이 많이 바뀌고 있다.그러나 여러 가지 문제점으로 인하여 국내외적으로 완벽한 낙뢰방호에 대한 대책이 부족한 것이 현실이다.㈜그라운드에서는 이러한 낙뢰방호와 접지기술의 문제를 해결하고자 KAIST 물리학 박사 3명과 전기설비기술사로 구성된 PGS 기술 개발팀을 조직하여, 물리학적 이론 접근과 Runge-Kutta 수치해석으로 접지저항과 접지전류 방전의 상관관계, 낙뢰 임펄스 전류 특성과 접지 임피던스와의 상관관계를 해석했다. 낙뢰와 같은 고주파수 특성을 갖는 이상 과도전압과 과도 임펄스 전류, 서지 전류에 있어 최적 낙뢰방호 대책인 ‘PGS(Perfection, Guarantee, Security)공법’을 개발하여 낙뢰 다발지역 현장에 설치했다. 10년간 자연발생 낙뢰를 통해 검증받은 결과, 다중뇌(Multiple Stroke) 형태가 아닌 1회성 직격뢰와 유도뢰에 대해서는 100% 낙뢰방호를 달성했다. 이로 인해 낙뢰 피해는 더 이상 천재지변이 아닌 인재로 여겨지게 됐으며, 100% 방지할 수 있는 재해라는 것을 확인시킬 수 있었다. 또한 지속적으로 PGS공법을 연구하여 대지에 매설할 필요가 없는 3세대 디지털 접지장치 ‘eca3G’를 개발했다. 원리 및 구조PGS 공법의 기초 기술 원리는 PGS 기술 개발팀이 물리학적 이론으로 접지저항, 접지 임피던스(Impedance) 상관관계와 낙뢰 특성 및 접지시스템을 Runge-Kutta 수치해석으로 분석한 해법을 기초로 한다. PGS공법은 대지를 천공하는 전해질 보링공법이다. 보링 구멍에 PGS 접지봉을 설치하고 이온 촉매제(ION Catalyzer), 활성 촉매제(Active Catalyzer) 등 접지 촉매제를 충진하여 낙뢰 전류나 이상 과도전류를 신속하게 방전 제거함으로써 장비와 인명을 보호할 수 있도록 구성된 접지 피뢰 기술이다.1. 접지 촉매제(조달청 우수제품 인증번호 - 2007094호)PGS공법에 구성되는 촉매제는 낙뢰의 물리학적 특성을 근거로 고주파수 임펄스 특성인 낙뢰 전류의 전기적 특성을 중화시키고, 고주파 전류를 빠르게 방전하기 위해 접지 임피던스가 낮은 접지 촉매제를 사용한다. PGS 공법에 사용되는 접지 촉매제에는 활성 촉매제와 이온 촉매제가 있는데, 활성 촉매제는 수분 흡수 기능 효과로 알칼리성 이온 전해질을 생성 공급하는 효과가 있다. 또한 이온 촉매제는 pH10의 알칼리성 이온 전해질을 생성 공급할 뿐 아니라 접지저항을 저감시키는 효과가 있다. 접지 촉매제 특징은 다음과 같다. · 낙뢰 및 서지전류의 전기적 특성을 중화 제거한다.· pH10 미만의 알칼리성 이온 전해질 생성으로 접지저항을 줄이는 효과가 있다.· 수분 흡수로 응고가 되지 않아 겔 형태를 유지하며 저항 변화가 없으므로 30년 이상 사용할 수 있다.· 음전하를 가지고 있어 전류를 신속히 방전하여 촉매 효과가 매우 뛰어나다.· Pore, Channel 등 이온 교환 금속이온이 있어 전기적 촉매 효과가 우수하다.· 천연 광물질로 구성돼 있는 환경 친화 제품으로, 한국화학시험연구원 시험에 합격했다.· 이온 촉매제와 활성 촉매제를 결합, 전해질을 방출하기 때문에 전기적 전도성이 우수하다.

(a) 이온 촉매제 (b) 활성 촉매제[그림 1] 접지 촉매제2. PGS 접지봉(조달청 우수제품 인증번호 - 2007120호)⑴ PGS 접지봉 특징PGS 접지봉은 순도 99.9% 이상의 순동으로 UL 인증을 받아 품질이 보장된다. 동(Cu)은 공기 중 산소와 직접 접촉하면 산화되기 때문에 이러한 산화를 방지하고자 PGS-Rod의 Head 부분을 크롬 도금하여 산화에 의한 부식을 방지하도록 제작했다. 접지봉 전체를 순동 파이프로 제작했기 때문에 이종 금속 접촉 부식과 금속의 자연 전위열에 의한 부식이 발생하지 않는다. 또한 PGS 저감제가 알칼리성 전해질을 방출하여 주변의 토지 저항률을 개선시켜 접지저항 값을 낮춰주는 효과가 있어 장기적으로는 안정적인 접지기능을 확보하여 실제 경제성이 높다. 처음에는 다소 공사비가 비싼 듯하지만, 접지저항 값의 경년 변화가 없고 수명이 오래가며 유지관리(보강공사) 비용이 필요 없어 경제적이다.PGS 공법은 천공한 구멍의 길이만큼 접지봉을 넣기 때문에 접지 단면적을 높이고, 따라서 접지저항을 계산과 같이 낮출 수 있어 효과적이다. PGS 접지봉은 Head 부분에 접지 인출선이 연결되어 있어 신속하게 접지전류를 방전할 수 있으며, 전자제어 계측장비로부터 낙뢰, 서지, 노이즈를 제거하는데 유리하다.

[그림 2] PGS 접지봉⑵ PGS 접지시스템 동작 원리접지 촉매제와 함께 사용되는 PGS 접지봉은 XL과 XC가 공진되도록 구성돼 있다. PGS 접지봉의 임피던스를 최저화하고 형태와 규격을 현장 여건에 적합하게 조절하여 병렬집합 계수 효과와 전위간섭 효과, 중첩 효과를 방지하도록 Runge-Kutta 수치해석 프로그램과 컴퓨터 시뮬레이션으로 설계했다.이러한 설계를 통해 낙뢰, 서지, 노이즈 ESD와 같은 고주파 임펄스 특성 전류를 신속하게 방전 중화함으로써 100%로 완벽하게 장비와 인명 보호를 에 효과적이다.3. 3세대 디지털 접지장치 ‘eca3G’(조달청 우수제품 인증번호- 2007093호)이 장치는 세계 최초로 땅에 매설할 필요 없는 접지장치다. 국제특허(PCT/KR 2006002907)를 받은 최첨단 3세대 디지털 접지장치며, Energy Converter Apparatus의 이니셜로 ‘eca3G’라고 한다. eca3G는 피뢰침에 유도된 낙뢰 전류, 전원선에 유도된 낙뢰 서지전류, 장비에 유입된 서지·노이즈·ESD·EMI 접지전류와 서지보호기(Surge Protector)의 방전전류를 접지전극을 이용하여 대지에 단순히 방전시키는 것이 아니라 열 변환과 아크 변환과 같은 에너지 변환을 이용하여 전기적 특성을 제거한다.eca3G는 전원을 통해 유입되어 장비를 손상하는 이상전압과 이상전류를 분석하는 검출장치, 서지와 노이즈 감쇄장치, 이상전압 방전장치와 전하 중화장치로 구성돼 있으며, 전위불변을 만들어주는 전위동반상승 장치와 전위불변 원리를 이용한 3세대 디지털 접지장치다.PGS 공법 시공 절차⑴ 1단계 : 토지 저항률 측정 및 시공 설계① PGS 접지봉 매설 예정지에서 4점 전위법을 통한 미터당 토지 저항을 측정한다.② 측정치를 토대로 지하 미터당 토지 저항률을 계산한다.③ 계산된 토지 저항률과 요구 접지저항 값을 기준으로 최적 접지봉 깊이, 수량, 위치를 산출한다.④ 상기 ③항의 산출 내역을 근거로 이온 촉매제활성 촉매제의 수량을 계산한다.⑵ 2단계 : PGS 지반 천공(보링) 작업① 시추 장비를 이용하여 직경 120㎜ 이상으로 지반을 천공한다.② 천공의 깊이는 설계된 PGS 접지봉(PGS-Head 접지봉, 어댑터, Body 접지봉, End 접지봉으로 구성) 길이보다 60㎝ 정도를 더 깊게 천공한다.

토지 저항 측정 지반 천공

접지봉 설치 촉매제 주입

접지선 인출 접지저항 측정[그림 3] PGS 공법 시공 과정⑶ 3단계 : PGS 접지봉 설치① 천공한 구멍에 활성 촉매제가 충진된 End 접지봉(φ54㎜×1.78㎜)을 넣는다.② End 접지봉의 상단 부분 커넥터에 PGS-어댑터 봉(φ22㎜×1.65㎜)을 연결한다.③ End 접지봉 상단부의 커넥터와 PGS-어댑터 하단부의 연결 접속은 산소 용접기를 사용하여 발열 용융 접속하여 전기적 및 물리적으로 접속이 잘되도록 시공한다.④ PGS-어댑터 상단부의 커넥터에 활성 촉매제가 충진된 Body 접지봉(φ54㎜×1.78㎜)을 연결 접속한다. 접속 방법은 ③항과 동일하도록 시공한다.⑤ 접지봉 길이에 대하여 설계 내역과 천공한 깊이에 의거, 상기 ②항목부터 반복하여 시행하고 대지에 노출되는 상단부 마감으로 PGS-Head 접지봉을 접속한다.⑥ 최종적으로 접지봉 매설 표지판(주의 표지판)을 설치하여 유지 관리가 용이하도록 한다.⑷ 4단계 : 촉매제 충진활성 촉매제가 충진된 PGS 접지봉을 설치한 후 접지봉과 토양 사이에 이온 촉매제를 계산된 수량만큼 천천히 넣어서 채운다. ⑸ 5단계 : 접지선 인출 작업이온 촉매제와 활성 촉매제를 채운 후 PGS 접지봉 Head부에 있는 접지선을 인출한다.⑹ 6단계 : 접지저항 값 측정① 저항 값을 측정하고자 하는 접지봉에서 최소 60m 이상 이격하여 측정 기준 탐침봉을 땅에 단단히 박는다.② 접지봉으로부터 측정 기준 탐침봉까지 거리의 약 60% 가량 되는 위치에 또 다른 탐침봉을 ①항과 같은 방법으로 땅에 박는다.③ 접지저항 값 측정 원리 중 하나인 3점 전위법을 이용, 정밀 측정 장치에 연결하여 원하는 접지봉의 접지저항 값을 측정한다.특징 및 효과Runge-Kutta 수치해석으로 낙뢰전류의 고주파수 특성과 접지 임피던스 상관관계를 분석하여 100%낙뢰방호 해법을 연구했다. 그 결과 대지에 매설할 필요가 없는 3세대 디지털 접지장치인 PGS 공법을 개발하여 이동용 통신차량이나 차량용 군 작전 레이더 설비, 함정과 같은 이동하는 설비와 접지를 할 수 없는 지역 및 장소에 설치하여 접지 기능을 완벽하게 수행할 수 있게 됐다. PGS공법 및 제품, 3세대 접지장치는 ISO 9001, ISO 14001, UL, CE, 신기술벤처기업, 이노비즈(INNOBIZ) 기업, 조달청 우수제품등록, 중소기업청 성능인증 획득 등으로 그 제품 성능을 인증 받았다. 기존에는 접지저항을 낮추거나 피뢰침 및 서지프로텍터(SPD)를 설치하는 것을 최고의 피뢰대책으로 알고 현장에 통용했다. 하지만 피뢰침과 접지 저항 저감, 프로텍터(SPD)만으로는 첨단 전자 통신 정보화 설비를 낙뢰로부터 보호하는 것이 한계가 있었다. ㈜그라운드의 PGS공법과 3세대 접지장치인 eca3G 특징은 다음과 같다.① 낙뢰방호 대책으로 등전위 이론에 근거한 공통접지시스템을 적용한다. ② 낙뢰 전류의 고주파수 특성에 적합한 접지 임피던스 분석과 해법으로 낙뢰방호 대책을 설계한다.③ 낙뢰 전류의 고주파수에 빠른 방전과 전기 특성을 제거하는 성능을 가진 접지 촉매제(Ion & active Catalyzer)를 사용한다.④ 접지전류의 방전이 용이하고 접지저항을 쉽게 낮추며 30년 이상의 장수명을 유지하는 PGS 접지봉을 사용한다. ⑤ 3세대 접지장치는 땅을 파고 매설할 필요가 없어 간단하게 설치가 가능하며, 이렇게 지상에 설치함으로써 언제든 이동 및 설치가 가능하다. 또한 중장비 없이 누구나 쉽게 설치할 수 있어 경제적이며 땅에 매설하지 않아 환경 및 토양 오염 방지에 기여하는 친환경 제품이다.

[그림 4] (주)그라운드의 eca3G향후 과제미국 2002년도 통계에 의하면 낙뢰로 인해 연간 40억 달러의 경제적 손실이 발생한다고 한다. 우리나라의 경우 ㈜그라운드에서 PGS 낙뢰방호 솔루션을 실시한 곳에서의 평균 피해액을 집계한 결과 2001년도 100억 원, 2003년도 300억 원, 2006년도 600억 원에 해당하는 경제적 손실이 발생한 것으로 분석됐다. 갈수록 낙뢰 피해 분야와 범위도 다양해지고 있으며 금액 또한 매년 배수로 증가하는데, 이에 대한 가장 큰 이유를 낙뢰 피해 설비별로 분석해 보면, 고가의 최첨단 전자정보화 설비들이 점차 보편화돼 가고 있기 때문이다. 또한 최근의 피해 분야나 지역적 특색을 보면 농촌이나 도시, 가정이나 산업현장 등에 골고루 발생하는데, 이는 지역이나 분야에 관계없이 최근 설비들이 주로 전자 통신 정보화 설비들로 구성돼 있기 때문으로 분석된다. 이와 같은 낙뢰 피해를 최소화하려면 아래와 같은 문제점 해결과 대책 수립이 우선되어야 한다. 첫째, 전체적인 접지 피뢰기술 관련 법규와 하위 규정의 개정이 있어야 한다. KSC IEC 규정은 2005년도에 개정이 이뤄졌으나, 하위 규정인 한국전기안전공사 전기안전관리 규정, 내선규정, 건축 전기소방설비 규정과 같은 하위 규정들에 대한 개정은 이루어지지 않아 개정된 접지피뢰기술을 적용하는 데 있어서 어려움이 많다.둘째, 개정된 기술 규정에 대한 적극적인 교육과 홍보가 이뤄져야 한다. 개정이 된 지 벌써 4년이 넘었지만, 대부분의 현장에서는 아직도 과거의 이론이나 규정을 주장하고 있다. 또한 개정된 기술에 대한 이론적 교육과 홍보가 부족해 개정된 낙뢰방호 시스템에 대한 기술성, 신뢰성, 타당성에 대한 이해가 부족하다. 셋째, 개정된 KSC IEC 기술 규정으로 접지 피뢰 시스템을 개선해야 한다. 개정되기 이전의 기술 규정이나 시스템으로 설치된 낙뢰방호 시스템과 접지 피뢰 설비에 대해서는 개정된 기술 규정에 적합하게 개선이 이뤄져야 한다. 접지 피뢰 기술과 이론은 민법이나 형법, 보안법처럼 소급하여 적용할 수 없는 것이 아니고, 오히려 적극적으로 개선해야할 사안이다. 이는 인명 보호와 같은 안전의 문제로, 이 같은 기술 개정이 이루어진 것은 국내외에서 기술적 논리와 이론적 바탕, 과학적인 연구에 의해 제정된 국제기술규정과 권고안이기 때문에 이를 국내 기술규정(KSC IEC)에 적용을 했다고 볼 수 있다. 국제기술규정(IEC)을 이론적 논리로 부정을 할 수 없어 수용했다면 개정되기 이전의 기술규정으로 인한 부적합한 접지 피뢰 설비는 개정된 기술규정에 적합하게 개선해야 한다.넷째, 피뢰침에 대한 잘못된 인식을 알리는 교육과 홍보가 절실히 필요하다.피뢰침을 설치하면 낙뢰 피해를 방지할 수 있다고 믿는 나라는 전 세계에서 우리나라가 1등일 것이다. 그래서 피뢰침도 상당히 많이 설치돼 있다. 다리 밑의 카메라에도, 고압 송전선로 아래에도 있으며 높은 산 아래 1층짜리 통나무 별장에도 피뢰침은 설치돼 있다. 피뢰침은 한자의 뜻 ‘避雷’처럼 낙뢰를 피하게 하는 것이 아니라, 오히려 낙뢰를 유도하는 낙뢰 유도 장치라고 할 수 있다. 영어로 Air Terminal이라고 하지, Lightning Protection Device라고는 하지 않는다. 이처럼 피뢰침을 건축물 보호 피뢰설비라고 할뿐 전자통신설비 보호 피뢰설비라고는 하지 않는다.왜냐하면 피뢰침은 직접 낙뢰를 유도하여 인체나 건축물에 뇌격이 가해지는 것을 피하기 위한 장치이기 때문이다. 21세기 현재 우리가 피뢰설비를 하는 주목적은 건축물이 파손되는 것을 보호하기보다는 첨단 전자 통신설비와 같은 전자 통신설비를 보호하기 위해서 낙뢰방호 설비를 설치한다. 피뢰침은 건축물을 물리적 파손을 방지하기 위한 장치일 뿐, 전자 통신장비를 전기 전자적으로 보호를 하고자 설치하는 것이 아니다.

우제욱(禹濟旭)1962년생. 1995년 삼부산업 대표. 1999년 Goon System 대표. 2000년 ㈜에너지 앤 그라운드 뱅크 대표. 2005년 한국정보통신협회 접지프로젝트 접지기수표준안 기술고문 역임. 현 ㈜그라운드 대표뇌섬락 사고율(Lightning Flashover Rate) 뇌섬락 사고율은 송전선로에서 차폐실패와 역섬락에 의한 사고율을 말하는데, 이론적으로 완전차폐를 할 경우의 역섬락에 의한 사고율을 말한다. 단위는 연간 선로긍장 100mile(또는 km)당 사고율을 나타내며 미국에서는 보통 1∼100마일/년, 우리나라는 1∼100km/년이다. 이 뇌섬락 사고율에 의해 애자 개수 또는 탑각 접지저항(Tower Footing Resistance)이 결정된다.