월간전기

[기술 특집] 뇌 보호 시스템의 트라이앵글 공법

2009-08-07

최고의 기술력으로 전기안전 사고 예방
뇌 보호 시스템의 트라이앵글 공법

㈜의제전기설비연구원(www.uijae.com)
신효섭 대표이사, 이강수 연구소장
(02)2632-4541 / uijae@chol.com

개요

KS 규격의 국제화로 피뢰 관련 규격이 이미 KS C IEC 62305로 제정 공포되어 시행 중이다. 현재까지 국내에서 접지는 1종, 2종, 3종, 특별3종으로 나누어 개별 접지를 기본으로 해왔으나, 개정된 규격에 의하면 모든 접지는 하나의 공통 접지로 해야하며 등전위화가 필수적이다. 쌍극자 피뢰침으로 직격뢰를 차단하고, 서지 프로텍터로 유도뢰를 차단하며, 등전위 접지를 실시하는 삼각 요소의 조화로 이루어진 신기술 공법 트라이앵글 시스템(<그림 1> 참조)은 전위 상승을 억제하고 인명과 안전에 최우선한 시스템이라 할 수 있다. 2009년 4월 독일 하노버 산업 박람회에 신기술 공법을 출품하여 해외수출시장 개척의 첫 발을 내딛었으며, 핵심제품인 쌍극자 피뢰침은 2009년 4월 스위스 발명진흥회에
서 개최한 제네바 발명전시회에서 신기술부문 금상과 러시아 특별상을 수상했다.
실제로 이 신기술 공법을 시공한 결과 완벽한 낙뢰 방호를 이루었으며 낙뢰로부터의 위험과 두려움에서 벗어날 수 있었다. 이에 트라이앵글 신기술 공법에 대해 상세히 소개하고자 한다.

쌍극자 공간전하 방전 분산형 피뢰침

1. 쌍극자 피뢰침 특징
낙뢰는 방송 통신에 장애를 일으키며 질 낮은 전원을 공급하게 하는 원인이 된다. 전력사고는 수입손실로 이어지며, 상해 위험뿐만 아니라 인명의 안전까지도 위협한다. 컴퓨터와 같이 서지에 민감한 전자기기의 손상을 유발하며 이로 인한 경제적 손실은 어마어마하다.

쌍극자 피뢰침은 낙뢰의 근본적인 조건을 제거하고, 전기 쌍극자 이론과 전기 이중층 이론을 적용하여 코로나 방전을 활성화시킨다. 또한 공간전하 형성으로 건축물의 전계 집중을 완화하는 특징을 가지고 있다.
쌍극자 피뢰침의 ‘코로나 방전’은 부극성 (-) 뇌운이 접근하면 대지와 건물은 (+) 전하로 대전되고 건물 상부로 집중하게 된다. 이때 쌍극자 피뢰침에 접지된 본체로부터 폴리머애자에 의해 절연된 갓모양의 정전 유도체에 (-)가 대전되어 방전갓과 본체 사이의 전극에서 코로나 방전이 발생한다. 지속적인 대지 전하의 방전으로 대지의 전위가 ‘0’이 됨에 따라 직격뢰의 발생조건을 제거, 날괴를 방지한다.
쌍극자 전위 완화 장치는 코로나 방전 분산 효과를 극대화하여 낙뢰 조건을 제거할 수 있으며, 이론과 실험을 통한 검증은 이미 IEEE 논문지(2004년 3월호)에 게재된 바 있다. 쌍극자 피뢰침의 동작 원리를 <그림 2>에 나타냈다.

일반 피뢰침은 높이 설치할 경우 건축물의 외관을 손상시키는 경우가 많다. 반면 쌍극자 피뢰침은 수뢰도체와 공조하여 설치할 경우 지상에서 거의 보이지 않아 건축물의 미관을 그대로 살릴 수 있는 장점이 있으며, 특수 코팅 처리하여 지상에서도 관측이 가능, 건축물과 조화를 이룰 수 있다. 물론 일반 피뢰침도 수뢰도체와 공조하여 설치 높이를 대폭 줄일 수 있기 때문에 건축 미관에는 큰 영향을 미치지 않는다. 그 외의 환경문제는 피뢰침 특성상 옥상외부에 설치되기 때문에 문제가 없는 것으로 판단된다.

2. 코로나 방전전류 시험
쌍극자 피뢰침의 방전 분산 이론을 실험적으로 검증하고자 공인시험 인증기관인 한국전기연구원에서 시험을 실시했다(<그림 3> 참조). 시험 결과 대기 중 코로나 방전이 육안으로 확인됐으며, 일반 피뢰침과 쌍극자 피뢰침의 방전량 차이가 확연하게 구분되는 것을 <그림 4>를 통해 알 수 있다. 코로나 방전량이 크다는 것은 뇌운 접근 시 대지의 전하를 쌍극자 피뢰침에서 지속적으로 신속하게 대기로 방전시켜 낙뢰의 조건인 전계의 집중을 방지하고 있다는 것을 나타낸다.

3. 쌍극자 피뢰침의 설계 및 설치
쌍극자 피뢰침은 한국산업규격 KS C IEC62305(피뢰 시스템)를 적용, 회전구체법, 보호각법, 메시법으로 설계한 후 건물 옥상 외곽은 수뢰도체를 설치하고 피뢰침 설치 포인트에 쌍극자 피뢰침을 설치한다.

⑴ 수뢰부 시스템
뇌격이 피보호 범위 내로 침입할 확률은 수뢰부 시스템을 적절하게 설계함으로써 상당 부분 감소된다. 쌍극자 피뢰침(BDAT)을 사용하는 수뢰부 시스템의 형태는 KS C IEC 62305-3에 의한 돌침 방식과 같고 이와 동일한 방법으로 사용이 가능하다.
KS C IEC 62305-3에 의한 수뢰부 시스템의 일반적인 배치는 ①보호각 방법 ②회전구체(Rolling Sphere)법 ③메시크기(Mesh Size)법을 사용토록 하고 있다. 신기술(NT) 제품인 쌍극자 피뢰침을 사용하는 경우 보호각 방법이나 회전구체법을 적용할 수 있다.
수뢰부 시스템은 도체를 사용하는 메시크기법 또는 회전구체법을 사용하여 보호를 시행하고 쌍극자 피뢰침을 건축물, 구조물 등의 모서리, 돌출부 등에 설치하여 낙뢰로부터 완벽 보호에 이를 수 있다.
60m 이하의 건축물, 구조물 등은 ‘KS C IEC 62305-3 표 1’의 기준에 의한다. 설계 시 쌍극자 피뢰침의 설치는 모서리 부분에 우선 설치하고 기타부분은 회전구체법으로 위치를 선정한 후 설치한다.
지상으로 부터60m를 초과하는 초고층의 빌딩, 구조물 등은 상기 항에 의하는 것 이외에 전체 높이에서 상부측으로 20%에 해당하는 부분을 측뢰에 대한 보호 범위로 하여 수뢰부를 설치해야 하며, 이때 설계는 보호 레벨Ⅰ의 적용을 원칙으로 한다.

① 측뢰 보호용 쌍극자 피뢰침은 전체 높이의 80% 부분과 가까운 아래 측에 최초 설치하고 최상층의 지붕 또는 옥상 각 부분에 설치한다.
② 최초 설치한 수뢰부와 최상층에 설치된 쌍극자 피뢰침 높이의 간격이 회전구체 반지름(R=20m)이상인 경우는 최초 설치한 곳으로부터 높이가 회전구체 반지름 이내가 되도록 수뢰부를 설치한다.

⑵ 인하도선 시스템
수뢰부 시스템을 인하도선에 연결하는 경우는 압축 터미널 사용, 캐드웰드 방법 시행 등의 공법으로 하여 전기적, 기계적으로 완전 접속해야 한다. 이것은 자연적 구성부재의 수뢰부를 이용하거나 자연적 구성부재의 인하도선을 이용하는 경우도 동일하다.
인하도선은 KS C IEC 62305-3에 의하거나 NFPA 780에 의한다. 쌍극자 피뢰침은 다량의 전하를 공간으로 방전시키는 특성이 있어 건축물 구조체를 사용하는 자연적 구성부재의 인하도선을 사용하는 것을 권장하며, 별도의 인하도선을 사용할 때에는 접지 시스템과의 접속점 부근에서 시험용 접속점을 설치한다. 시험용 접속점은 측정을 위하여 공구 등으로 개방될 수 있어야 하나, 평상시에는 폐로가 유지되도록 해야 한다.

접지

1. 등전위접지
전류의 유입점으로부터 유효 거리 또는 유효 반경이란, 접지 임피던스 또는 접지도체 전위의 저감에 기여하는 접지도체의 최대 길이를 의미한다. 즉 전류 유입점으로부터 유효 거리 또는 유효 반경 바깥쪽에 접지도체를 아무리 조밀하게 많이 포설하더라도 접지전위나 임피던스는 별로 작아지지 않는다.
유입 전류의 주파수가 낮은 경우, 접지도체는 위치에 상관없이 거의 등전위를 갖게 된다.
접지망 면적이 커질수록 임펄스 임피던스는 감소하나 일정 면적 이상으로 커져도 임펄스 임피던스가 줄지 않는 한계가 존재하며(<표 1> 참조), 이 한계 거리(또는 유효 반경)는 대지저항률에 비례하여 커진다(<표 2> 참조).

메시접지에 사고전류 유입 시 전류 분포를 살펴보면 <그림 5>와 같이 외각 모서리 부분이 다른 외곽부분보다 3배 이상 차이가 나는 것을 알 수 있다.
등전위화 접지 시스템은 이러한 문제를 해결하기 위해서 새로 고안한 접지 시스템으로 모서리 부분에 집중하는 사고전류를 신속히 방류시키기 위해 메시접지의 네 모서리 부분에 탄소 저저항 접지 모듈을 3개 이상 직렬로 연결하여 대지 방류 면적을 넓혀주고 탄소 저저항 접지모듈 자체 방류 능력을 최대한 이용한다.
접지설비는 미국 IAEI(International Association of Electrical Inspector)에서 권고하는 방식대로 나동선을 기초 버림 콘크리트 내에 내장시키고 환경친화적인 탄소 저저항 접지모듈로 보강하여 노이즈나 서지에 대비한 기본 개념을 도입 적용한다(<그림 6> 참조).

2. 탄소 저저항 접지 모듈
OMNI G 시리즈인 탄소 저저항 접지모듈은 일종의 비금속 재료를 위주로 한 접지체로서, 전기 전도성 및 안정성이 비교적 뛰어난 비금속 광물과 전해물질로 구성되어 있어 건축물의 피뢰 접지, 정전기 방지 접지, 교류 접지, 직류 접지, 안전보호 접지 및 기타, 다른 목적의 접지체로 사용할 수 있다.

탄소 저저항 접지모듈 제품의 경우 친환경적이며, 경년변화(經年變化: Trend)가 없어 반영구적인 수명을 가지고 있으며 국내 특허 출원이 완료(특허 제10-0610604호)된 제품이다.
이 제품은 내부식, 무독성, 그리고 제품의 사용 수명이 반영구적이며 설치가 편리하다. 수분을 흡수하여 보습을 하기 때문에 습도 유지력이 있고 같은 치수의 철제 앵글 접지체에 비해 22%~44% 낮은 접지 저항치를 나타낸다. 강한 낙뢰전류에도 저항이 증가하지 않고 경화, 깨짐, 부스러짐이 없다. 토양 전기 저항률이 높은 지역에 접지를 할 때는 효율적으로 접지 전기저항을 저하시킨다. 접지 전기저항에 있어 계절의 영향을 적게 받고, 일정한 저항치를 안정적으로 유지한다.

탄소 저저항 접지모듈 내에 금속 심을 넣어 보호되는 대상의 접지선과 연결됨으로써 땅으로 들어가는 전류를 신속하게 퍼트려 낮은 접지저항을 얻을 수 있다.
이 원리는 접지체 자체의 방류 면적을 증가시켜 접지체와 토양 사이의 접지 전기저항을 줄이고 강력한 수분 흡수와 보습 능력으로 모듈의 유도 작용을 충분하게 발휘하게 한다.
탄소 저저항 접지모듈 특성은 <표 3>과 같다.

한국전기연구원에서 대지 전위차 측정 시험을 한 결과 G-2의 탄소 단면적이 커 낙뢰 이상전압의 대지 분산 효과가 가장 큰 것으로 나타난다(<그림 7, 8> 참조). 또한 각 접지방법에서 접지 저항치를 가장 낮고 안정적으로 유지하기 위해서는 IEEE Std 80-1896에서 명기하고 있는 바 접지저항은 접지봉의 외부 단면적 크기의 자승에 반비례로 크기가 작아진다. 탄소 저저항 접지모듈은 최소 개수를 시공하면서 최대 저항 저감 효과가 모두 나타나도록 했다.
미시시피 주립 대학의 Patrick Donohoe 교수가 연구 발표한 바에 따르면 철근 콘크리트 파일을 접지극으로 사용할 경우 일반 접지봉을 사용하는 것보다 표면적 확대 효과가 크기 때문에 접지 저항값 측면에서 접지봉보다 낮은 결과를 보여주고 있다.
탄소 접지모듈을 접지극으로 사용할 경우에는 표면적 확대 효과뿐만 아니라 이상전류의 신속한 방류면에서도 뛰어난 효과를 발휘할 수 있다.
토양환경 보전법 및 수질환경 보전법에서 구리는 오염물질로 분류되어 있으며, 개정된 건축법 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’의 제20조 6항에 환경오염을 일으킬 수 있는 화학물질이나 접지제품을 사용하지 못하도록 했다. 접지 동봉 매설 시 일반 접지 동봉은 동 부식에 의한 구리 성분의 토양 유출로 토양 및 수질을 오염시킬 수 있다. 그러나 탄소 저저항 접지모듈은 스테인리스 스틸 봉으로 만들어 부식 문제를 해결했으며, 토양의 주성분인 탄소로 구성되어 토양이나 수질오염을 발생시키지 않는 친환경 제품이다. 이 사실은 화학시험연구소에서 실시한 탄소 저저항 접지모듈의 용출시험에서 확인할 수 있다.

실제 적용 사례를 살펴보면, <그림 9>에서 보는 바와 같이 기초 버림 콘크리트 내에 접지선을 메시(Mesh) 형태로 포설하고 기초 철근과 연접하여 접지극으로 사용한다. 기초 콘크리트 하부로 연결선을 인출하여 탄소 저저항 접지모듈을 설치하여 서지나 노이즈를 대지로 방류시킨다. 특히 뇌전류의 특성상 외곽 코너에 집중되므로 코너 부분의 탄소접지모듈의 개수는 중앙부보다 많은 3개를 직렬로 연결하여 설치하고, 코너 바로 옆 부분은 2개를 직렬로 설치하여 완벽한 등전위를 이루도록 한다. 토양과 직접 연결되는 탄소 저저항 접지모듈 연결선은 부식 및 전식, 토양오염을 고려하여 F-GV를 사용한다.

서지 프로텍터

1. SPD 개요
인입 전원라인이나 통신라인 등을 통해 유도된 서지가 침입해 기기를 손상시키는 경우가 많이 발생하고 있다. 대부분의 낙뢰 사고는 유도뢰 침입에 의한 사고로, 그 피해 규모가 점차 증가하고 있다. 따라서 <그림 10>에서와 같이 전원 배전반 내 차단기 2차측과 각 설비 분전함 내 차단기 2차측에 전원용 서지 프로텍터를 각각 설치해야 한다.

배전반과 각 분전함까지의 거리가 멀어 한전 인입구에만 서지 프로텍터를 설치할 경우에는 배전반과 분전함 사이의 전력선에 유도뢰가 유기될 수 있기 때문에 분전함의 차단기 2차측에서 서지 프로텍터를 설치한다.
서지 보호장치(SPD)의 설치기준은 KS C IEC 60364(건축전기설비)와 KS C IEC 62305-4, 61643에 의거해 뇌 보호 시스템의 동작으로 인한 서지(유도뢰)의 유입에 대비하여 피보호 대상 장비의 전원 인입부 및 통신, 신호선의 인입부 등에 설치한다. SPD의 특성 및 접지방식에 따른 SPD 설치지점은 다음 <표 4>와 <그림 11>과 같다.

2. SPD 종류
⑴ 전원용 서지 보호장치
전원용 서지 보호장치는 교류 600V 이하의 전원선로 또는 전원 접속단자에 설치된다. 주로 산화아연 바리스터 또는 MOV(Metal Oxide Varistor)를 사용하며, MOV 열화 시 전원측 손상을 방지하기 위하여 서지용 퓨즈가 내장되어 있다. 서지 보호장치에 필터링 기능을 요구하는 경우에는 전원에 직렬로 설치하기도 하지만, 대부분은 병렬방식으로 서지 보호장치를 설치하게 된다(<그림 12> 참조).
전원용 서지 보호장치의 선정 시는 다음 사항들을 신중히 고려해야 한다. 첫째, 침입 가능한 뇌서지의 빈도나 세기, 피보호기기의 중요도에 따라 서지 보호장치가 처리 가능한 최대 서지 전류 내량을 고려하여 선정한다. 둘째, 이상 시 전원회로와 분리돼야 한다. 정상 상태에서 전원 시스템 또는 부하측에 영향을 주지 않아야 하며, 소자 열화에 의한 보호 기능 소멸 시, 서지 전류 내량초과 시 등 이상 시에도 전원회로와 분리되어 전원이 정상 상태를 계속 유지하거나 즉시 전원의 재투입이 가능해야 한다. 셋째, 상태 표시 기능을 가져야 한다. 서지 보호장치의 교체시기를 표시해주는 LED 점등 회로나 원격 감시 접점이 있어야 하며, 피보호기기의 중요도에 따라 부저 등의 경고 기능도 포함돼야 한다. 넷째, 제한전압이 낮아야 한다. 제한전압은 IEEE 규격에 의한 시험파형(8/20㎲)에 의해 정해지며, 피보호기기가 감당할 수 있는 서지 전압 이하로 선정해야 하지만, 너무 낮게 선정하면 서지 보호장치의 수명을 단축시킬 수 있다. 다섯째, 서지 보호장치는 공통모드(Common-mode), 차동모드(Differential-mode)에 대해 모두 보호 성능을 유지해야 한다.

⑵ 통신용 서지 보호장치
통신용 서지 보호장치는 데이터 선로 같은 평형 선로용과 동축케이블 선로에 설치되는 불평형 선로용으로 다시 나눌 수가 있다. 그러나 그 종류는 전화용, 모뎀용, 제어선용, 안테나용, RS232/422/485 선로용 등 용도에 따라 다양하다. 통신용 서지 보호장치는 전원용과 달리 각 용도에 맞는 주파수 특성을 특히 고려해야 하며, 방전관 등의 바이패스 소자를 주로 사용하게 되므로 속류에 대한 차단 성능도 가져야 한다(<그림 13, 14> 참조).

마무리

전력신기술 제28호인 이 트라이앵글 신기술 공법을 적용함으로써 얻을 수 있는 사회적˙경제적 장점을 요약하면 다음과 같다.

① 각종 유도뢰 및 직격뢰의 완벽한 차단으로 낙뢰에 의한 피해가 감소된다. 쌍극자 피뢰침으로 직격뢰를 차단하고 서지 프로텍터로는 각종 유도뢰를 차단하며, 등전위 접지에 의한 전위 상승을 억제함으로써 각종 뇌를 완벽하게 차단해 낙뢰로 발생하는 각종 재산상의 손실이나 피해로부터 자유로워질 수 있다.
② 트라이앵글 공법을 시공함으로써 전위 상승을 억제하고 전위를 감소시켜 인해 장비의 중단 없는 운용과 인명의 안전을 최대한 확보할 수 있다.
③ 환경 친화적 상품을 이용해 오염 억제 역할을 한다.
이와 같은 트라이앵글 신기술 공법의 적용 대상으로는 각 군의 통신 레이더 사이트, 군 탄약고, 군 관련 화약 제조 공장, 폭발 위험물 저장 장소, 도심에 위치한 전산센터 빌딩, 초고층 인텔리전트 빌딩, 전자 장비로 가동하는 대규모 공장설비, 한국전력 송 · 변전 설비 등과 낙뢰의 유입으로 피해가 예상되는 대상 건축물 등에 적용함으로써 완벽한 뇌 보호 대책을 수립할 수 있다.