[하계 전기설비 자연재해 대책 3] 빌딩의 뇌대책 사례와 피뢰기의 보수 점검

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[하계 전기설비 자연재해 대책 3] 빌딩의 뇌대책 사례와 피뢰기의 보수 점검

2014년 8월 1일 (금) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2014년 8월호 - 전체 보기 )

[하계 전기설비 자연재해 대책 3]

빌딩의 뇌대책 사례와 피뢰기의 보수 점검

최근, 일본 각지에서는 지구온난화의 영향으로 집중호우를 동반한 낙뢰의 다발로 인해 화재 및 가전제품의 고장 사례가 다수 보고되고 있다. 최근, 스마트 미터라고 하는 최신기술에서 볼 수 있듯이 전기제품은 쌍방향 통신기능을 구비해가고 있으며, 또 반도체 집적 회로를 다수 사용하고 있기 때문에 낙뢰에 의한 과전압에 대해 취약하다. 이러한 상황하에 빌딩의 뇌대책은 매우 중요한 과제가 되며, 여기에서는 그 대책 사례 및 보수점검에 대한 개요를 살펴보기로 한다.

번역·정리 김대근 기자

낙뢰의 발생과 발생지역

낙뢰는 적란운을 수반하는 여름철 낙뢰와 전선을 따라 일본해 측에 발생하는 겨울철 낙뢰로 크게 분류된다. 여기서는 그 예로서 여름에 발생되는 여름철 낙뢰의 발생 구조에 대해 기술한다. 낙뢰의 발생은 -10℃ 부근의 영역에서 대기 중의 수분이 결빙되고 전하분리가 일어나면서 시작된다. 양(+)과 음(-)으로 분리된 전하는 쿨롱의 힘에 의해 흡입되고 중화하는 작용이 있는데, 대규모이면서 강력한 상승기류에 의해 양전하를 띤 작은 얼음 조각이 쿨롱의 힘을 거슬러 바람을 타고 상공으로 올라가고, 음전하는 아래쪽에 축적된다. 이 양음전하의 역적(力積, 충격량)에 의해 뇌운에 에너지가 축적된다.([그림 1] 참조) 한편, 지표에는 뇌운의 전하와 반대극성의 전하가 정전유도작용에 의해 모여 있어, 전하의 축적에 따라 서로 끌어당기고 최종적으로 결합하여 반대극성의 전하가 중화되도록 흐른다. 이것이 낙뢰에 의한 주방전(主放電)이 된다. [그림 2]에 뇌우일수에 관한 분포도를 나타냈다. 그림 중에 사선으로 표시한 지역은 이른바 다뢰(多雷)지역이며, 일본해 연안부는 겨울철 지역이다. 여름철은 태평양 측에서 발생하지만, 동일본에서는 일반적으로 관동 북부의 군마(群馬), 도치기(?木), 사이타마(埼玉) 등이 다뢰지구에 해당한다.

피해사례
기본적으로 빌딩은 직격뢰에 의한 피해를 받기 쉽다. 이 때문에 보통 피뢰침 설비로 빌딩을 보호하는 것이 일반적이다. 그러나 피뢰침 설비가 있어도 기존의 보호각도법에서는 보호할 수 없는 사례들이 다수 발생되고 있다. [사진 1]에 직격뢰에 의해 파손된 빌딩의 꼭지각 부분을 나타냈다. 낙뢰에 의한 순간적인 충격력 및 고열에 의해 콘크리트벽이 벗겨져서 떨어져 나간 상태이다. [사진 2]에는 유도뢰에 의해 파손된 반도체 집적 회로(IC칩)를 나타냈다. 유도뢰 발생의 일례로 피뢰침에서 받은 뇌격전류가 빌딩의 철골 및 인하도선을 통해 접지로 유출되는 경우 접지저항에 따른 대지전위의 상승으로 인해 빌딩 내부와의 사이에 전위차가 일어나고 전원선 및 통신선으로부터 뇌전류가 침입하여 발생된다.

빌딩 내부에서 뇌전류의 분류(分流)

1층 큐비클(배전반)에서 공급되는 경우, 전원선은 각 층에서 SPD를 통해 접지도체와 연결되어 있다.([그림 3]의 굵은 선 부분) 옥상의 피뢰침 설비에 뇌격을 받았을 때의 각 층 분전반에서 전원선에 유입되는 뇌서지 전류의 비율에 대해 전자계 해석을 이용하여 계산한 결과를 [표 1]에 나타냈다. 전원선에 분류(分流)하는 뇌서지 전류의 비율은 맨꼭대기층 및 1층이 가장 커지는 것이 특징이다. 단, 이 해석결과로부터 중간층에는 거의 뇌서지 전류가 흐르지 않는 구조로 되어 있지만, 실제로는 구조체를 흐르는 뇌격전류에 의해 전자결합된 유도성분이 전원선으로 흘러 들어간다.

빌딩의 뇌해대책 사례

고압 피뢰기의 설치

고압 수요가의 경우, 큐비클 내의 고압 인입전선에 고압 피뢰기를 설치한다. 빌딩의 경우, 고압 배전선은 지하로부터의 배선이 대부분이지만, 피뢰침 설비에서 대지로의 뇌격전류의 유입에 의해 전자결합된 유도성분이 고압 인입전선에 흘러들어 뇌 서지가 빌딩 내에 침입한다. 각 전력회사가 규정하고 있는 고압 피뢰기는 피뢰기 내부에 직렬 갭을 가지고 있는 것이 대부분이지만, 피뢰기 내부의 산화아연소자의 성능이 이전 제품에 비해 현격히 향상되고 있기 때문에 직렬 갭이 없는 피뢰기를 선정해도 큰 문제는 없다. [그림 4]에 고압 피뢰기 설치회로의 예를, [사진 3]에 큐비클용 피뢰기의 설치 상태를 나타냈다. 구체적인 예로서 고압 피뢰기는 VCB(진공차단기)의 1차측에 설치하여 파워퓨즈의 용단 및 VCB의 오동작을 막아 빌딩의 정전을 방지한다.

SPD(피뢰기)의 설치

전원용 SPD의 설치

기존에 저압용 피뢰기로 불리던 제품에 대해서는 JIS C 5381-1의 규정에 의해 SPD(Surge Protective Device)로 불리게 되었다. 전원용 SPD에서는 △직격뢰를 모의한 10/350㎲의 뇌임펄스 전류로 시험하는 클래스Ⅰ 시험 △유도뢰를 모의한 8/20㎲의 뇌임펄스 전류로 시험하는 클래스Ⅱ 시험 △마찬가지로 유도뢰를 모의한 1.2/50㎲의 콤비네이션 파형으로 시험하는 클래스Ⅲ 시험이 있다. [그림 5]에 직격뢰와 유도뢰의 전류파형의 비교를 나타냈다.(1.2/50㎲의 콤비네이션 파형은 단락 시 8/20㎲의 파형이 된다) [그림 5]에서처럼 같은 전류치이면 직격뢰 전류는 유도뢰 전류와 비교해 약 25배로, 매우 큰 전하량을 갖는 파형이 된다. 일반적으로 클래스Ⅰ SPD를「 직격뢰용 SPD」, 클래스Ⅱ, 클래스Ⅲ SPD를 「유도뢰용 SPD」로 부르고 있다. 클래스Ⅰ~ 클래스Ⅲ SPD의 각 설치장소는 건축물의 뇌보호 영역(Lightning Protection Zone: LPZ)으로 구분 편성된다. 뇌보호 영역(LPZ)의 구분 편성은 낙뢰(직격뢰)로부터 받는 영향의 크기에 따라 결정된다. LPZ의 개념도를 [그림 6]에, LPZOA~LPZN의 정의를 [표 2]에 나타냈다. [표 3]에 뇌보호 영역의 경계에 설치하는 SPD(피뢰기)의 적용례를, [그림 7]에는 뇌보호 영역과 SPD 설치 위치의 개념도를 나타냈다. 각 뇌보호 영역의 경계에 SPD를 설치함으로써 단계별로 전기기기를 보호한다.

신호회선용 SPD의 설치

통신 및 신호선의 인입구에는 신호회선용 SPD를 설치한다. 여기에는 전화회선·TV케이블 등이 대상이 된다. 이러한 인입구에는 직격뢰에 의한 낙뢰의 분류성분이 흐르기 때문에 10/350㎲의 뇌전류를 처리할 수 있는 신호회선용 SPD(시험 카테고리D1)를 설치한다. 설치하는 SPD의 뇌서지 전류내량으로서는 회선수에 따라서도 달라지지만, 직격뢰 전류를 100kA로 했을 경우 그 5%가 분류한다고 할 때 1회선(2선)당 5kA(10/350㎲), 1선에서는 2.5kA의 SPD를 설치한다. 또 건축물 내부의 신호회선에는 기기 바로 옆에 유도뢰 대책용 SPD(시험 카테고리C2)를 설치한다.

접지극의 연접

일본의 전기설비기술기준에서는 인명보호의 관점에서 강전접지인 A종, B종 접지는 단독접지가 원칙이다. 또 전기기기류는 누전에 의한 감전 방지를 위해 C종 또는 D종 접지가 실시된다. 또, 전자기기류 및 통신기기류는 금속제의 차폐물을 접지함으로써 전자파 및 노이즈로부터 보호하는 경우도 많다. 한편, 뇌서지 대책의 기본은 등전위화다. 구조체 및 전기기기류의 접지를 본딩하여 등전위화를 도모하는 것이 중요하다. 2011년 전기기술해석의 개정에 의해 IEC규격을 도입하여 등전위 본딩에 의한 접지공사가 인정을 받게 되었다. 그러나 변압기 고장에 의한 단락전류의 문제 및 전자기기류의 노이즈 문제 등 부분적인 단독접지를 필요로 하는 경우가 많다. 따라서 등전위화를 행하기 위한 통합접지 방법으로서 몸체 접지를 포함하는 모든 접지 전극간을 SPD로 연결하고, 뇌서지에 의한 전위차가 발생한 경우에만 SPD로 단락시키는 방법이 효과적이다. [그림 8]에 접지 전극간용 SPD 연결의 예를 나타냈다. 건축물의 피뢰설비에 낙뢰가 있었을 경우, 직격뢰의 분류성분이 흘러들기 때문에 여기에는 클래스Ⅰ대응 SPD를 설치할 필요가 있다. EA, EB, EC, ED(ELB접지)를 ED에 통합접지하여 등전위 본딩을 실시하고 있다.

피뢰기의 보수점검

고압 피뢰기

6kV용 고압 피뢰기의 보수점검 항목을 [표 4]에 나타냈다.

SPD

SPD의 보수점검 항목을 [표 5]에 나타냈다.

지구온난화의 영향에 의해 낙뢰는 해마다 증가하고 있으며, 전자화가 진전되고 있는 전기제품에 대한 뇌서지 대책 마련도 매우 중요한 과제가 되었다. 빌딩의 경우 피뢰침 설비에 직접 낙뢰하여 전원선 및 접지선으로부터 큰 뇌서지가 빌딩 내부에 침입해오는 경우가 있어 이에 따른 대책이 필수 불가결하다. 가장 중요한 것은 전기설비의 사양에 맞는 피뢰기(SPD)의 설치 및 접지의 등전위화 등 시스템 전체에서의 종합적인 대책을 강구하는 것이다.