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이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.신형 배전용 피뢰기의 개요 및 특징과 현장적용 포인트현재 배전용 피뢰기(이하, 피뢰기라 함)는 전력 각 사의 배전선로에 대략 1,000만대 설치되어 있다. 배전선로는 절연강도가 60㎸로 낮지만, 피뢰기는 그 뛰어난 특성으로 우뢰로 인한 배전기재의 절연파괴로부터 보호하고 있다. 단선 보호 장치 등 기기 개별 보호를 목적으로 한 피뢰장치의 도입이 진행되는 현재도 배전선로를 면적으로 보호하는 피뢰기의 역할은 크다.피뢰기는 탄화규소 소자(이하, SiC소자)를 사용한 변저항형 피뢰기와 오토와전기공업(이하, 당사)의 독자적인 섬유지와 금속박(金屬箔)으로 만든 특성요소를 사용한 종이 피뢰기(상품명 : P밸브피뢰기)가 사용됐는데 1970년대 후반 이후 비직선 저항성과 뇌서지 흡수 에너지성능(이하, 방전내량)이 우수한 산화아연소자(이하, ZnO소자)를 사용한 직렬 갭이 접속된 산화아연형 피뢰기로 교체해 왔다.ZnO소자는 실용화된 초기를 제1세대로 하고, 그 후 제2, 제3세대에 걸쳐 특성이 개선되면서 현재에 이르고 있다. 이와 같은 배경 속에 당사는 제3세대의 소자(이하, 신소자) 개발에 성공하고 이를 이용한 신형피뢰기를 실용화했다.본고에서는 신형피뢰기의 개요·특징을 설명하면서 동시에 현장적용의 포인트에 관해 소개한다.신형피뢰기 개발 목표신형피뢰기 개발 목표는,① 방전내량 향상② 제한전압 저감③ 소형경량④ 조수(鳥獸)피해방지 구조로 했다. ① 및 ②는 신소자 개발, ③ 및 ④는 피뢰기 본체의 신규설계로 목표를 달성했다.1. 신소자 개발a. 피뢰기소자의 변천피뢰기소자는 SiC소자, 그리고 섬유지와 금속박의 특성요소를 거쳐 ZnO소자가 개발되고, 1970년대 후반부터 피뢰기에 적용, 실용화됐다.ZnO소자는 개발 당초의 제1세대, 과전수명특성을 개선하면서 동시에 대전류 평탄성, 방전내량을 향상시킨 고성능소자라 불리는 제2세대, 그리고 소자의 단위 두께 당 동작개시 전압이 지금까지의 200V/㎜를 초과하는 고저항소자 혹은 고내압소자라 불리는 제3세대 시대에 이르고 있다.ZnO소자의 최대 특징은 <그림1>에 보이는 전압-전류특성(V-I특성)과 같이 우수한 비직선 저항특성을 갖고 있다는 점이다. V-I특성에서 알 수 있듯이 피뢰기가 동작할 때는 수㎃의 속류밖에 흐르지 않고, 수십A 흐르고 있던 SiC소자와 비교하면 실질적으로 무속류라 할 수 있다.이로 인해 SiC소자의 피뢰기에서는 직렬 갭 자체에도 속류를 차단하는 방법이 강구됐던 것이 ZnO소자의 피뢰기에서는 원통의 세라믹 양 끝에 전극만 설치한 간단하고 쉬운 갭으로 할 수 있었다.
 b. 개발 목표와 신소자 특징당사는 종래와 동일한 소자 구경으로① 방전내량 향상② 공칭방전전류의 제한전압 저감③ 종래 1대의 피뢰기에 사용하고 있는 소자 수를 2개에서 1개로 줄임을 목표로 신소자 개발을 진행했다.이들 기술적 요건을 해결하기 위해 새롭게 조성된 개발이나 ZnO입경을 미세하게 하는 등 신제조법으로 결정을 균일화하고, 뇌서지 전류가 ZnO소자 내부를 균일하게 흐르도록 했다. 게다가 ZnO 소자 단면의 알루미늄 전극 구경의 최적화를 통해 방전내량을 향상, 및 제한 전압의 저감에 성공했다.또 소자의 단위두께 당 동작개시 전압이 300V/㎜의 고내압화에 따라 종래 피뢰기 1대 당 소자 개수를 2개에서 1개로 줄일 수 있었다<그림2>.
 2. 신형피뢰기 개발종래의 ZnO소자를 사용한 피뢰기를 개발한 시점에서 지금까지의 피뢰기에서 소형경량화를 실행했다. 이번 신소자 사용에 수반되는 애관의 삿갓모양을 강구하는 등 피뢰기 구조의 재설계를 통해 한층 더 소형경량화를 이뤘다.또 최근 까마귀 등 조류의 서식으로 지락사고가 문제 된다는 점에서 피뢰기 충전부를 난연성 폴리에틸렌 수지 커버로 덮고 타 물체가 충전부에 접촉하지 못하도록 구조를 달리했다.종래 피뢰기와 신형 피뢰기를 <그림3>에 나타냈다. 질량은 종래품에서 30%경량화 했다. 또 전기적 성능은 방전내량으로 종래품의 약 1.5배, 제한전압은 종래품의 약 10% 저감할 수 있었다.현장적용 포인트1. 피뢰기 동작원리<그림4>에 변압기 바로 옆에 피뢰기를 설치한 일례를 나타낸다.상규대지전압에서는 피뢰기는 내장하고 있는 직렬 갭으로 인해 배전선로에서 전기로 떼어낸 상태가 됐다. <그림4> 왼쪽에서 뇌서지 전압U가 침입해 오면 피뢰기의 직렬 갭이 방전되어 뇌서지 전압이 ZnO소자에 더해진다. ZnO소자는 어느 값 이하의 전압에서는 고 저항에서 실질적으로 전류를 흘리지 않지만, 어느 값을 초과하면 저항이 낮아지면서 전류를 흘리는 비직선 저항특성을 갖고 있다. 따라서 뇌서지 전압과 같은 과전압이 ZnO소자에 더해지면 급격하게 전류가 흘러 대지에 방류되면서 뇌서지전압을 억제한다.여기서 뇌서지 전압U를 250㎸로 하면 피뢰기가 설치되지 않은 경우는 피보호기기 변압기의 고압측과 외함 사이에 U=250㎸가 더해지고 절연내력이 60㎸인 주상변압기는 절연파괴를 일으킨다.이에 비해 피뢰기를 설치하면 변압기의 고압측과 외함 간에 더해지는 전압은 피뢰기의 제한전압 Ea(20㎸)와 접지저항의 전위상승 Er(30㎸)의 합계인 U’=50㎸로 억제되기 때문에 변압기가 보호된다.여기서는 일례로 <그림4>에 나타낸 조건으로 전압 U’를 구했는데 제한전압 및 접지저항이 동일한 경우라도 뇌서지 전압이 커질수록 이 전압은 높아진다. 이같이 뇌서지 전압이 침입한 경우에도 제한전압 및 접지저항이 큰 만큼 이 전압은 높아지기 때문에 보호할 때는 주의가 필요하다.2. 피뢰기의 제한전압과 접지저항에 따른 보호 효과앞에서 설명했듯이 뇌보호의 관점에서 피뢰기의 제한전압과 접지저항은 중요한 역할을 한다는 사실을 알 수 있다. 따라서 제한전압이 낮은 피뢰기 설치 및 접지저항을 가능한 낮추는 일이 중요하다.더욱이 피뢰기 A종 접지와 피보호기기 A종 또는 B종 접지와 공용함으로써 피보호기기인 고압측과 외함 간에는 피뢰기의 제한 전압 외에는 더해지지 않기 때문에 보호효과가 향상된다.3. 피뢰기 설치장소에 따른 보호효과피뢰기는 배전기재를 우뢰로부터 면적으로 보호하는데 변압기나 개폐기 등 피보호 기기로부터 떨어진 위치에 설치하면 보호효과가 감소된다.<그림5>는 피보호기기인 변압기에서 d(m) 떨어진 위치에 피뢰기를 설치한 예를 나타낸다. <그림5> 왼쪽 즉 피보호기기 측에서 뇌서지가 침입한 경우, 뇌서지의 전파속도는 거의 광속(300m/㎲)이므로, 뇌서지가 피보호기기를 통과해 d(m) 떨어진 피뢰기에 도달하는 시간은 d/300(㎲)정도 걸린다.게다가 피뢰기가 동작하고 그 효과가 피보호기기에 미치기까지 d/300(㎲) 정도 경과하기 때문에 피보호기기에 뇌서지가 도달하고 나서 적어도 d/300(㎲) 2=d/150(㎲)정도 늦게 효과가 나타난다.따라서 파두준도가 큰 또는 파고치가 높은 뇌서지 전압이 침입하면 보호할 수 없는 경우가 발생할 수 있기 때문에 면적으로 보호하는 피뢰기라 해도 가능한 피보호기기 바로 옆에 설치하는 것이 바람직하다.4. 피뢰기 리드선·접지선의 길이와 보호효과피뢰기의 리드선·접지선의 인덕턴스로 인한 전압은 Ldi/dt로 표시되므로 상용주파의 전류에 대해서는 대부분 문제가 되지 않지만 뇌서지와 같은 급준한 전류에 대해서는 파두준도가 커질수록 큰 전압이 발생하므로 주의가 필요하다.<그림6> 및 ①은 피뢰기의 제한전압에 더해 리드선의 전압이 가산되는 것을 나타내고 있다. 피뢰기의 리드선이나 접지선은 가능한 짧게 설치하는 게 보호효과를 높이는데 중요하다.5. 피뢰기의 병렬사용시 주의점격뢰지역 등에서 피뢰기의 소손을 방지하기 위해 공칭방전전류 2,500A용의 피뢰기를 2대 병렬로 설치하는 것이 옳은지에 관해 상담을 받는 경우가 있다. 직렬 갭 피뢰기에서는 양측의 방전개시전압이 똑같을 확률은 적으며, 수%~십%의 차이가 일반적이다.따라서 뇌서지가 침입한 경우, 방전개시전압이 낮은 피뢰기만 동작할 확률이 높아져, 병렬사용이 목적인 방전내량의 향상은 이뤄지지 않았다. 피뢰기의 소손을 방지하기 위해서는 5,000A용 또는 10,000A의 피뢰기를 설치하는 것이 바람직하다.또, 피뢰기의 소손방지 대책으로 가공지선 1조 또는 뇌성상에 따라서는 다조(多條)를 시설하고, 피뢰기의 접지선과 공용하면서 소손을 대폭 감소할 수 있는 연구도 발표되고 있으므로 참고 하면 좋다.피뢰기 보호·점검피뢰기는 자체 뇌서지 처리 에너지를 초과하는 과대한 뇌서지로 인한 소손을 제외하면 고장이 적은 배전기재라 할 수 있다. 그러나 전주 위에 설치되어 다양한 환경 하에서 오랜 기간에 걸쳐 사용되기 때문에 접지선의 단선이나 금구류에 녹이 스는 등 피뢰기의 기능을 저하시키는 경우도 있다. 정기적인 보호점검으로 뇌서지의 침입 시 확실하게 동작하고 피보호기기를 보호하게 하는 일이 중요하다.또 직격뢰나 근방의 낙뢰 등 큰 유도뢰로 인해 피뢰기를 설치한 전주에서 변압기나 개폐기, 혹은 피뢰기 자체가 소손된 경우는 당해 전주나 인접한 전주의 피뢰기가 열화된 것을 생각할 수 있기 때문에 이를 점검하는 일이 바람직하다.피뢰기의 점검방법의 일례를 <표1>에 나타낸다.전기적 점검으로 절연저항계를 이용해 절연저항을 측정하는 방법은 간단해서 일반적으로 시행되고 있지만 열화 정도를 진단하는 방법으로는 정밀도가 낮다. 상용주파전압을 이용한 방전개시 전압의 측정이 열화정도를 진단하는 방법으로 정밀도가 높다. 그러나 상용주파전압을 이용하는 방법은 시험장치가 대대적이기 때문에 현장에서 사용하기에 적합하다고는 할 수 없다.
 당사에서는 현장에 휴대할 수 있는 측정기를 상품화(상품명 : 어레스터체커)하고 있어서 <그림7>에 소개한다.이 측정기는 직류로 인한 방전개시전압을 측정하고 실효 값 환산을 통해 열화 정도를 진단하는 방법을 취하고 있다. 측정기는 알루미늄 트렁크에 수납되고 질량이 약 8.5㎏으로 경량이므로 현장에 용이하게 휴대할 수 있다. 또 전원을 취할 수 없는 곳에서도 측정할 수 있도록 옵션으로 배터리를 준비했다.새롭게 개발한 ZnO 소자와 이를 사용한 피뢰기의 개요와 특징에 관해 소개했다. 현장적용의 포인트는 종래 피뢰기와 다르지 않지만 신형피뢰기를 소개하는 기회에 재차 주의점을 간단하게 설명했다. 본고를 참고로 피뢰기에 대한 지식을 높이고 적절하게 설치함으로써 배전선의 뇌사고 감소에 조금이나마 도움이 되었으면 한다.
<Energy News>
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