1967년에 ZnO를 주성분으로 하는 비직선 저항체가 개발되어 1970년도에 저압기기의 과전압 보호용으로 적용되었다. 그 후 고전압 전력계통에의 적용을 위한 개발이 이루어져 1975년에 66kV 계통용 산화아연형 갭리스 피뢰기(이하, 피뢰기)가 세계 최초로 실계통에 적용되었다. 이후 재료 및 제조면에서의 개량이 이루어져 1980년대 전반에는 과전수명, 방전내량, 제한전압의 대폭적인 개선이 도모되었다. 이 ZnO 소자의 고성능화 이후 새로운 기술전개로서 단위길이당 동작개시전압을 기존(약 200V/mm)보다 고저항·고내압화한 ZnO 소자가 개발되었다.
피뢰기에 사용되고 있는 ZnO 소자의 전압전류 특성과 ZnO 입자, 그밖에 미소(微小) 절연성 입자로 구성되는 ZnO 소자의 미세구조를 [그림 1]에 나타냈다. 이 그림에서 보이는 바와 같이 기존형의 ZnO 소자는 단위두께당 동작개시전압이 200V/mm 정도로, 이후 400V/mm의 고내압 소자, 600V/mm의 초고내압 소자가 개발되었다. ZnO 소자의 동작개시전압이 상승함에 따라 평균 결정입경(結晶粒徑)의 균일·미세화로 전류패스가 최소화되고, 입자 간의 결합력도 증가하여 피뢰기 보호레벨에 직접적인 영향을 주는 전압전류 특성의 비직선성과 방전내량 특성이 크게 향상되었다. 고내압화 및 초고내압화는 주성분인 ZnO에 대해 부성분의 첨가량을 변화시키거나 새로운 부성분을 첨가하는 등의 개선을 실시함으로써 결정조직의 미세화를 실현시켰다. [그림 2]에 400V/mm의 고내압 소자와 600V/mm의 초고내압 소자를 적용한 가스절연개폐장치(Gas-insulated Switch gear: GIS)용 탱크형 피뢰기의 비교를 나타냈다. 초고내압 소자를 적용하여 용적을 저감시켜 콤팩트한 GIS용 탱크형 피뢰기가 실용화되었다.
폴리머형 피뢰기
폴리머형 피뢰기는 자기애관(磁氣碍管)을 이용한 피뢰기에 비해 경량이며, △내오손 성능 △내진 성능 △방압(放壓) 시의 안전성이 우수하다. 최근 발수성(撥水性)이 뛰어난 실리콘 고무를 외피 재료로 한 폴리머형 피뢰기의 적용이 이루어지면서 해외에서는 폴리머형 피뢰기가 주류를 이루고 있다.
실리콘 고무는 내후성(耐候性, weather resistance)과 내트래킹성이 뛰어나며, 발수성과 회복성을 유지하므로 내오손성이 우수하다는 특징이 있다. 이에 따라 최근 고전압 절연재료로서 실리콘 고무의 적용이 확대되고 있다. 폴리머 애관 및 폴리머형 피뢰기의 장기간 적용 실적에 입각, 관련 IEC규격 개정이 추진되어 내후성 시험 등 갭리스 피뢰기 시험규격(IEC 60099-4: 2014)이 개정·발행되었다. 이 규격에서 폴리머형 피뢰기는 A와 B의 2가지 디자인으로 분류된다. 디자인 A형 피뢰기는 기체상 부분의 용적이 50% 이상을 차지하는 폴리머 애관에 ZnO 소자를 넣은 방압장치가 구비되어 있다. 디자인 B형은 디자인 A형 이외의 피뢰기를 가리키며, 절연 크로스(교차)로 ZnO를 랩하고, 절연로드로 ZnO 소자를 케이지(cage)처럼 에워싸 고정시킨 후 실리콘 고무로 직접 몰드한 구조이다. [그림 3]에 폴리머 피뢰기의 대표적인 구조를 나타냈다.
일본 국내 변전분야에서도 JEC 기술보고서 JEC-TR-23002-2008 “폴리머형 피뢰기”에 근거해 폴리머형 피뢰기의 적용이 개시되었는데 폴리머 외피, 구조 및 재료의 설계기준이 없어 내오손 성능 및 장기 신뢰성, 일본 고유의 환경조건에 대한 평가 등 여러 가지 검토사항이 시사되었다. 그리하여 검증법의 체계화를 통해 신뢰성을 더욱 높이고, 폴리머 애관의 설계기준 등을 작성하는 활동이 개시되었다. JEC-TR은 필요 최저한의 요구사항을 제시한 것이지만, 향후 검토·검증시험데이터의 축적에 의해 그 체계적인 평가방법이 확립됨으로써 폴리머형 피뢰기의 적용 확대가 기대되고 있다.
송전용 피뢰장치낙뢰에 의한 송전선 사고의 저감을 도모하기 위해 1980년대부터 송전선의 철탑상에 송전용 피뢰장치(Line Surge Arrester: LSA)가 적용되어 갭리스 피뢰장치(Non-Gapped Line Arrester: NGLA)와 외부 직렬 갭형 송전용 피뢰장치(Externally Gapped Line Arrester: EGLA)가 66~154kV급용을 중심으로 500kV용까지 실용화되고 있다. 일본에서 널리 보급되고 있는 EGLA의 구성과 동작원리를 [그림 4]에 나타냈다. 이것은 외부 직렬 갭과 ZnO 소자로 이루어진 피뢰 요소부로 구성되어 뇌격에 의해 애자장치 양단에 발생하는 과전압을 흡수, 계통을 트립시키지 않고 절연회복이 가능한 장치이다.일본의 기술발신에 따른 EGLA의 IEC 시험규격(IEC 60099-8: 2011)이 발행돼 IEC 피뢰기 적용 가이드(IEC 60099-5: 2013)도 LSA를 포함한 형태로 개정되었다. IEC 규격류가 정비됨에 따라 LSA에 대한 인식도 개선될 것으로 보인다. 피뢰기는 주로 변전소에 설치되어 절연협조의 핵심적인 역할을 담당하는데 송전선에 있어서도 LSA에 의해 절연협조의 강화를 도모할 수 있다. EGLA는 경량·콤팩트성과 장기적 신뢰성이라는 면에서 NGLA에 비해 뛰어난 점이 많아 송전선의 뇌해 대책용으로 해외에서도 보급이 활성화될 것으로 기대된다. IEC 규격에서 규정하는 EGLA 시험법에는 기존의 IEC 60099-4와의 정합상 변전소에서의 사용을 전제로 한 것과 간편성을 중시한 나머지 검증능력에 제약이 있는 것도 있다. 또 새롭게 도입된 정격전하내량 및 기계적 강도(SLL/SSL)에 대한 방침 등 제공하는 기술정보에도 충실해야 할 필요가 있어 IEC 피뢰기 적용 가이드를 포함한 재검토가 진행되고 있다.
UHV 피뢰기
고성능 ZnO 소자를 적용한 UHV 고성능 피뢰기는 송전선 및 변전소의 과전압을 효과적으로 억제, 변전소 및 그 기기의 크기와 철탑의 높이를 합리적으로 결정했다. GIS용 탱크형 UHV 고성능 피뢰기는 세계 최초로 일본에서 개발돼 1996년에 과전(課電) 시험이 개시되었고, 15년 이상의 과전실적을 가지고 있다. 중국에서는 2009년에 UHV 플랜트에서 GIS용 탱크형과 자기 애자형 UHV 고성능 피뢰기가 사용되기 시작했다. 인도에서도 2011년에 폴리머형 UHV 고성능 피뢰기가 UHV 시험장에 설치되어 과전 준비가 진행되고 있다. [그림 5]에 대표적인 UHV 고성능 피뢰기를 나타냈다. 이 a.c.용 피뢰기는 ZnO 소자 4병렬 구조에서 낮은 제한전압과 큰 방전내량을 가지며, 일본에서 개발된 기술이 유효하게 활용되고 있는 사례이다.
각종 UHV 고성능 피뢰기의 IEC 시험규격(IEC 60099-4: 2014)은 IEC TC37(피뢰기, 낙뢰 보호기기 분야)에서 새로운 시험법이 검토되어 이하와 같은 내용으로 규정되었다.
● 고성능/고에너지 내량의 UHV 고성능 피뢰기의 새로운 평가 시험법 「반복 전하 방전 시험」
● 대형화되는 기중절연형 변전소(Air Insulated Sub station: AIS)용 UHV 완성 피뢰기에서 실시하는 「내진시험」과 그 내부 요소를 제거한 피뢰기의 절연용기에서 실시하는 「내전압 시험」
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