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[차세대 낙뢰 보호 시스템의 개발 ⑤] 일반 공장, 주택에서의 뇌해 대책
2013년 7월 3일 (수) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2013년 7월호 - 전체 보기 )

차세대 낙뢰 보호 시스템의 개발 ⑤
일반 공장, 주택에서의 뇌해 대책


낙뢰의 피해가 빈번해지는 시점이 다가오면서 이에 관한 피해 방지의 예방 및 극복 방안도 폭넓게 논의되고 있다. 특히, 일본에서는 낙뢰의 피해 중에서도 공장 및 주택의 낙뢰 피해가 전체 피해액의 80%를 차지할 정도로 높은 비중을 차지하고 있다. 이 장에서는 공장 및 가정의 전기기기 등을 보호할 수 있는 다양한 방안과 SPD의 효과적 설치 방법 등에 관해 설명한다.
 
번역·정리 전화영 객원기자
글 ㈜산코샤 이소카와 치아키(磯川千秋)  참조 ≪電氣評論≫ 제95권 7호

최근에는 공장이나 사무소뿐만 아니라 일반 주택에서도 통신선으로 연계된 전자기기를 다량 사용한다. 이러한 전자기기는 낙뢰로 말미암은 과전압에 약해 낙뢰 피해를 입기 쉬울 뿐만 아니라 전자기기가 파손됐을 때 미치는 영향도 상당히 크다. 이에 여기서는 낙뢰 발생 메커니즘, 인체 보호를 포함한 전자기기의 뇌해 대책을 설명한다.
 
낙뢰 메커니즘
습기를 포함한 강한 상승 기류 속에는 물방울이나 우박, 싸락눈 등과 같은 입자가 충돌해 전하가 분리된다. 이때 작은 입자에는 플러스 전하가, 큰 입자에는 마이너스 전하가 부착한다. 작은 입자는 상승 기류를 타고 올라가기에 구름 위쪽에 플러스 전하가 쌓이고, 큰 입자는 중력에 의해 낙하하기에 아래 쪽에 마이너스 전하가 쌓인다. 이렇게 되면 뇌운 아래 지표에는 정전 유도에 따라 플러스 전하가 모인다. 뇌운이 발달하면 덩달아 전하도 증가하는데, 어느 한계에 이르면 공기 절연이 파괴돼 방전이 발생한다. 뇌운과 지표 사이에서 방전이 발생하는 것을 ‘낙뢰’라고 하며, 구름 속에서 플러스 전하 덩어리와 마이너스 전하 덩어리가 방전하는 것을‘구름방전’이라고 한다. 낙뢰는 높은 물체에 잘 떨어지는데, 뇌운 바닥에서 지표의 높은 물체를 향해 직접 방전을 개시하는 것은 아니다. 흔히 뇌운 바닥은 상공 수㎞ 정도에 있으며, 뇌운이 충분히 발달하면 뇌운 바닥에서 공기 절연을 일부 파괴해 50μ초(1μ초는 100만 분의 1초) 정도의 시간 간격으로 리더(부분 방전)가 뻗어나가고는 정지한다. 다음 리더는 직전 리더의 정지점보다 수십m~수백m 더 먼 점에서 정지한다. 이 리더를 계단형 선도(Stepped Leader)라고 한다. 뇌운에서 나온 리더가 지표로 접근하면 지표에서도 부분 방전이 여러 차례 발생하는데, 그중 하나가 뇌운에서 나온 리더와 결합하면 뇌 방전 경로가 결정돼 그 순간 강렬한 빛과 소리를 내면서 지표에서 뇌운을 향해 대전류가 흐른다. 이를 귀환 뇌격(Return Stroke)이라고 하며, 이 모두를 총칭해‘뇌격’이라고 한다. 뇌격은 1초 이내에 여러 회 반복하는 경우가 있으며, 이를‘다중뢰’라고 한다. 1회 뇌격이나 여러 회 뇌격에서 1군을‘낙뢰’라고 한다. 뇌운에서 나온 리더가 지표로 접근해 올 때, 지표로부터 높은 물체일수록 빠르고 강한 부분 방전이 발생해 뇌운에서 나온 리더와 잘 결합하기에 높은 물체일수록 낙뢰점이 되기 쉬운 것이다. 동해 쪽에서 겨울에 발생하는 이른바 겨울철 낙뢰의 경우 뇌운 바닥은 상공 수백m 정도이며, 지표의 높은 물체에서 먼저 리더가 발생해 뇌운을 향해 가는 경우가 있어 특히 높은 물체에 집중해 낙뢰하는 경향이 있다. 또한, 겨울철 낙뢰는 방전 시간이 상당히 길고 방전 전하량도 극단적으로 많은 것이 있어 심각한 낙뢰 피해로 뇌해 대책에 고심하고 있다. 뇌격은 보통 1/1000초 이하의 짧은 시간에 최대 200㎄나 되는 전류가 흐른다. 이 때문에 낙뢰점에서는 열적·전자적으로 큰 힘을 받아 콘크리트나 타일 등이 파손돼 떨어지는 경우가 있다. 또한, 뇌 전류는 전류가 잘 흐르는 부분을 통해 대지에 흐르는데, 저압 배전선이나 통신선 등에도 스파크에 의해 직접 혹은 유도 현상으로 뇌 전류가 침입해 전기기기나 통신 기기를 파괴하는 경우가 있다. 낙뢰로부터 건물을 보호하는 대책으로 피뢰침 시스템이 있으며, 자세한 기술적 내용은 JIS A 4201:2003 <건축물 등의 뇌해 대책> 및 일본뇌보호시스템공업회 홈페이지를 참조하길 바란다.
 
낙뢰가 인체에 미치는 영향
일본에서는 낙뢰로 목숨을 잃는 사람들이 매년 나온다. 교통 사고와 비교하면 그 수는 극히 작지만, 낙뢰에 맞는 비극만은 피해야 한다. 뇌운이 접근해 올 때 낙뢰로부터 자신의 몸을 지키는 데 필요한 지식에 대해 일상생활에서 구체적으로 도움이 되는 사례를 적어 본다.

● 높이 뾰족하게 솟은 물체에는 낙뢰하기 쉽다. 따라서 주위에 높은 물체가 없는 곳에서 낚싯대, 골프채, 우산 등을 높이 들어 올리는 행위는 위험하다.
● 높은 물체의 끝을 45도 올려다보는 범위 안은 보통 안전하다.
● 단, 주위 나무보다 높은 나무 곁이나 가옥의 처마 끝에서 비를 피하는 행위는 위험하다. <그림1>에서 보듯이 나무의 줄기·가지·잎이나 처마 끝으로부터 최저 2m 이상 떨어져야 한다.



● 옥내라도 벽이나 기둥 쪽은 위험이 있다. 흔히 간단히 비를 피하려고 처마 끝이나 높은 나무 곁으로 가기 쉽다. 또한, 상식적으로 옥내는 안전하다고 생각한다. 그러나 인체는 나무기둥이나 수목보다 전류가 잘 흐르기에 건물이나 수목에 낙뢰했을 때, 낙뢰가 인체에 달려들 경우가 있다.
● 자동차나 전차 안은 안전하다. 뇌 전류는 차체를 통해 대지로 흐르기에 자동차나 전차 안은 안전하나, 자동차를 운전하고 있다면 섬광과 큰 소리로 운전을 실수할 가능성이 있어 반드시 정차해 낙뢰가 지나가기를 기다려야 한다.
● 몸에 금속을 지니고 있어도 낙뢰 위험성은 증가하지 않는다.
● 장화나 고무 우비처럼 절연적으로 인체를 덮고 있다고 해도 낙뢰와는 관계가 없다.
● 주위에 높은 물체가 없을 때는 보폭을 작게 해 몸을 숙이는 것이 좋다.
● 바다에도 낙뢰하기에 해수욕이나 서핑을 즐기고 있을 때 뇌운이 접근해 오면 바로 대피해야 한다.

전기·전자 기기의 뇌해 대책
낙뢰 피해액
일본뇌보호시스템공업회 홈페이지에는 월간지《안전과 관리》2006년 6월호에 게재된 기상청 발표 ‘낙뢰 피해액’을 살펴볼 수 있다. 이에 따르면 총 피해액은 539억 엔이며, 그중 공장이 343억 엔으로 62%, 일반 주택이 126억 엔으로 20%다. 이 둘을 합치면 전체의 80%가 넘는다. 단, 이 조사 조건에서 업종은 전력·통신·철도 등과 같은 사업 회사를 대상으로 했으며, 이와 함께 여름철 낙뢰가 많은 도치키( 木)·군마(群馬)·사이타마(埼玉)현, 겨울철 낙뢰가 많은 도야마(富山)·이시카와(石川)현에서는 지자체·경찰·학교·병원·공장·은행·보험 회사 등도 대상으로 해 총 780개 앙케트 샘플을 기초 데이터로 했다. 또한, 이때 금액은 물적 피해와 보수 비용만을 계산한 것으로, 조업 정지 등으로 인한 2차 피해액은 포함하지 않았다.
 
전기·전자 기기의 기본 뇌해 대책
이전만 하더라도 전기·전자기기의 뇌해 대책에 관한 JIS가 없었으나, 2000년대 들어서 다양한 JIS를 제정하고 있다. 전기·전자기기의 뇌해 대책으로는 JIS Z 9290-4:2009 <낙뢰 보호 - 제4부 : 건축물 내 전기 및 전자 시스템>이 있다. 전기·전자기기를 낙뢰로부터 보호하는 기본은 ‘등전위화’다. 등전위화란 문자 그대로 같은 전위로 해 낙뢰가 있는 경우, 대상이 되는 전기·전자기기에 외부에서 끌어 들여오는 저압 배전선, 통신선, 접지선, 금속 케이스 및 금속 케이스가 접촉하거나 접촉할 우려가 있는 건물의 금속 구조체(기둥, 바닥, 벽 등의 철근이나 철골)를 서로 접속해 달성할 수있다.‘ 등전위화’하는것을‘등전위본딩’이라고 한다. 한편, 저압 배전선이나 통신선의 심선과 같이 직접 접속할 수 없는 것은 SPD(서지 방호 디바이스(Surge Protective Device); 기존 보안기, 피뢰기, 서지 앱소버Surge Absorber, 어레스터Arrester 등으로 불린 피뢰 장치의 총칭으로, 향후 SPD라는 이름으로 통합되리라 생각한다)를 사이에 놓고 접속한다. SPD는 평상시에는 절연 상태로 신호나 공급 전압에 영향을 주지 않다가 뇌 과전압이 인가되면 기기의 내전압보다 낮은 전압에서 동작해 기기의 내전압 파괴를 방지하고, 예측되는 뇌 전류를 안전하게 흘려보낸다. 뇌 전류 통과 후에는 다시 절연 상태로 돌아가도록 선정해 사용한다. 저압 배전용이나 통신·신호 회선용 SPD의 소용 성능, 시험 방법, 선정, 적용 기준에 대해 JIS C 5381 시리즈를 2004년 이후부터 제정하고 있다.

공장에서 뇌해 대책
공장에도 종류가 여러 가지이나, 여기서는 다음 조건의 공장에서 할 수 있는 뇌해 대책을 기술한다.

● 여러 건물이 있으며, 건물과 건물은 저압 배전선, 통신·제어·계측·감시선 등으로 연계돼 있다.
● 비교적 높은 건물이 있어 낙뢰가 떨어질 수 있다. 한편, 사무소 빌딩의 낙뢰 대책도 기본적으로는 동일하다.
 
전기·전자 기기의 뇌해 원인 | 공장이나 고층 건축물에 낙뢰가 치거나 아주 가까이에서 낙뢰가 치면 전기·전자기기가 낙뢰 피해를 입는 경우가 있다. 뇌해가 많은 기기는 저압 배전선이나 통신선이 건물 외부로 뻗어 있는 통신·제어·계측·감시 장치, 정류 전원 장치나 무정전 전원 장치, 수전반 내 차단기 등이다. 공장 건물 등의 피뢰침에 낙뢰가 치는 경우, 뇌 전류의 경로는 <그림 2>와 같다. 건물 피뢰침에 낙뢰가 치면 뇌 전류는 인하 도선을 통해, 피뢰침 접지 EL 및 피뢰침은 일반적으로 건물에서 적극적으로 절연하지 않아 건물의 철근·철골에서 건물 기초(보통 상당히 낮은 접지 저항의 접지 상태로 돼 있다)로 흐른다. 이때 인하 도선이나 건물의 철근·철골 임피던스, 주로 인덕턴스에 의해 건물 상하 간에 고전압이 발생한다. 건물 상하 간에 저압 배전선이나 통신선 등으로 접속하는 기기에서는 이 고전압에 의해 상층 기기의 금속 케이스와 내부 회로 사이에 스파크(절연 파괴)가 발생해 뇌 전류가 내부 회로로 침입한다. 이 뇌 전류는 저압 배전선이나 통신선을 통해 하층 기기에 이르며, 하층 기기의 내부 회로와 금속 케이스 사이에 스파크가 발생해 접지로 뇌 전류가 흘러 양쪽 기기가 다 파손하는 경우가 있다(<그림2>의 ① 참조). 또한, 건물 기초는 [기초 접지 저항]×[기초에 흐른 뇌 전류]의 곱인 접지 전위 상승이 발생하고, 건물 전체의 전위도 상승한다. 이때 전원의 B종 접지 EB나 전자 기기의 D종 접지 ED가 건물 기초와 접속돼 있지 않은 상태라면 건물 내에 설치해 둔, 예를 들어 자동 제어되는 기기 등에서는 건물에 접속 상태로 있는 기기의 금속 부분에서 내부 회로에 스파크가 발생해 전자 기기의 D종 접지 ED나 전원의 B종 접지 EB에 뇌 전류가 흘러 그 결과 기기가 파손하는 경우가 있다(<그림 2>의 ② 참조). 게다가 저압 배전선이나 통신선 등을 통해 다른 건물의 전기·전자기기와 접속한 경우에는 낙뢰가 치고 접지 전위가 상승한 건물의 기기 금속 부분에서 내부 회로에 스파크가 발생해 침입한 뇌 전류가 저압 배전선이나 통신선을 경유해 다른 건물의 기기 내부 회로에 도달해 다른 건물의 D종 접지 ED에 흘러 그 결과 양쪽 기기가 다 파손하는 경우가 있다(<그림 2>의 ③ 참조).


 
뇌해 대책 방법 | 뇌해 대책 방법은 <그림 3>과 같다. <그림 3>의 동그라미 속 번호는 아래 항목 번호와 일치한다.
① 각종 접지를 연접한다. 건물 내 저압 배전 설비용 D종 접지, 통신·제어·계측·감시 장치 등의 각종 D종 접지 등은 서로 접속해 건물 기초나 기둥, 대들보 등과 연접한다. 결과적으로 피뢰침용 접지 EL과도 접속 상태가 되지만 문제는 없다. 자세히는 뒤에 나올 <접지 방법>을 참조한다.
② B종 접지 등 평상시 단독으로 해 두려는 접지는 방전관 타입의 SPD를 사이에 놓고 접속한다.
③ 건물 상하 간 기기를 접속하는 저압 배전선, 통신선의 심선에 SPD를 접속하고, 그 접지 단자는 피보호 기기의 접지 단자와 접속한다.
④ 같은 층에 있는 기기 상호 간이라도 접지를 연접하지 않은 경우에는 저압 배전선이나 통신선 등의 기기 인입구에 SPD를 설치한다. 한편, 접지를 연접한 경우에는 기기 상호 간 거리가 10m 이하일 때 SPD를 생략해도 된다.
⑤ 건물이 커 같은 층의 저압 배전선이나 통신선 등으로 접속하는 기기 상호 간 거리가 10m 이상 떨어져 있다면 접지를 연접해도 저압 배전선이나 통신선 등의 기기 인입구에 SPD를 설치하는 것이 바람직하다.
⑥ 저압 배전선이나 통신선 등으로 접속하는 기기가 있는 건물의 접지 상호 간도 연접한다.
⑦ 외부에서 인입하는 저압 배전선이나 통신선 등으로 접속하는 기기가 있는 건물이라면 저압 배전선이나 통신선 등의 건물 인입구에 SPD를 설치하고, 그 접지 단자는 접지 상호를 접속한 기준 접지선에 접속한다. 한편, JIS에서는 기기 상호 간 거리가 10m 이상 떨어져 있지 않은 경우 건물 인입구에 SPD를 설치하고 기기 측은 SPD를 생략해도 좋다고 돼 있으나, 기기의 뇌해 대책을 위해서는 건물 인입구의 SPD를 생략하고 기기 인입구에 SPD를 설치하는 편이 효과적이다.

접지 방법 | 기존 일반 공장에서는 인체 보호용으로 전기 설비 기술 기준과 그 해석에서 규정하는 A종, B종, C종, D종 접지 외에 피뢰침용, 컴퓨터용, 시험기용, 통신 기기용, 직류 전원 장치용, 무정전 전원 장치용 등 각종 접지가 많이 있으며, 이러한 접지는 단독 접지극에 접속하는 경우가 많다. 그러나 뇌해 대책의 기본인 등전위 본딩에서는 건물로 낙뢰 발생 시 각 접지 상호 간에 기기의 내전압을 위협하는 전위차가 나오지 않게 이러한 접지를 모두 접속토록 하고 있다. 뇌해 대책을 위해서는 연접해야 하지만, 노이즈 대책을 위해 단독 접지로 해 두려는 경우에 해결책 중 하나로 <그림 3>의 ②와 <그림 4>에서 보듯이, 접속해도 좋은 접지 상호를 접속한 기준 접지와 단독으로 해 두려는 접지 사이를 방전관 타입의 SPD(피뢰관이라고 한다)로 상호 접속해 평상시에는 단독 접지로 있다가 낙뢰가 발생했을 때 SPD가 방전 동작해 연접 상태가 되고 낙뢰가 소멸하면 방전이 정지해 다시 단독 접지가 되게 하는 방법이 있다.
 


SPD 선정
|
•건물 간 저압 배전용, 통신용 SPD - 다른 건물에서 급전을 받거나 다른 건물에 급전하는 저압 배전선의 건물 인입구에 사용하는 SPD는 낙뢰 전류의 일부(부분 뇌 전류라고 한다)가 갈라져 흐르기에 JIS C 5381-1에서 규정하는 낙뢰 전류 대응용인 클래스 Ⅰ 시험 대응용을 사용한다(<그림 4>의 전원용 SPD의 Ⅰ 참조). 또한, 외부에서 인입하거나 다른 건물 등의 기기 상호를 접속하는 통신·제어·감시·계측선용 SPD는 JIS C 5381-21에서 규정하는 낙뢰 전류 대응용인 카테고리 D1용을 사용한다(<그림 4>의 통신용 SPD의 D1 참조). 이러한 낙뢰 대응용 SPD의 대상 뇌 전류 파형은 낙뢰 전류를 상정한 10/350㎲(상승 시간이 약 10㎲, 절반 값까지 감쇠하는 시간이 350㎲)다.

•건물 내 저압 배전선, 통신선용 SPD - 외부로 뻗어 있지 않고 건물 내에서 끝나는 저압 배전선이나, 건물 인입구에 클래스 Ⅰ 시험 대응용 SPD를 넣은 외부에서 인입한 저압 배전선의 분전반 등에 사용하는 SPD는 JIS C 5381-1에서 규정하는 유도뢰 대응용인 클래스 Ⅱ 시험 대응용을 사용한다(<그림 4>의 전력용 SPD의 Ⅱ 참조). 또한, 건물 인입구에 카테고리 D1용 SPD를 설치한 통신선 및 건물 내에서 끝나는 통신선 등의 IDF(중간 단자반)나 기기 인입구에 설치하는 SPD는 JIS C 5381-21에서 규정하는 유도뢰 대응용인 카테고리 C2용을 사용한다(<그림 4>의 통신용 SPD의 C2 참조). 이러한 유도뢰 대응용 SPD의 대상 뇌 전류 파형은 유도뢰를 상정한 8/20㎲(상승 시간이 약 8㎲, 절반 값까지 감쇠하는 시간이 20㎲)다.
 
일반 주택에서 뇌해 대책
일반 주택에서는 직접 낙뢰가 치는 경우가 거의 없으나, 가까이에서 낙뢰가 치는 경우 저압 배전선이나 통신선을 통해 뇌 서지가 침입해 올 수 있다. 또한, 바로 근처에서 낙뢰가 치는 경우에는 접지로부터 뇌 서지가 침입해 올 수도 있다. 그동안은 일반 주택에서 뇌해 대책이랄 것이 없었으나, 다기능 전화기와 인터넷의 보급 등으로 낙뢰에 약한 전자기기를 외부 통신선과 접속해 사용하게 되면서 앞서 <낙뢰 피해액>에서 본 것처럼 낙뢰 피해가 커지고 있다. 여기서는 주로 2005년에 내선 규정 1361절에 추가된‘뇌 보호 장치’를 소개한다. 한편, 일반 주택의 뇌해 대책에 관해서는 (사)전기설비학회가 발행한《낙뢰와 고도 정보화 사회》에 자세히 나와 있다.
 
저압 배전용 SPD의 설치 개소 | 내선 규정 JEAC 8001-2005의 1361-1 <뇌 보호 장치 설치>에는 주택용 분전반 내에 뇌 보호 장치를 시설할 경우로 다음 사항을 적고 있다.
 
● 설치 개소는 인입구 장치의 부하 측
● 인입구 장치는 과전류 보호 기능이 있는 누전 차단기일 것
● 주택용 분전반 내에 집중 접지 단자를 갖출 것

내선 규정에서 뇌 보호 장치의 시설(1361-1 그림)은 <그림 5>와 같다.

 
전기·전자기기의 기본 뇌해 대책을 정한 JIS Z 9290-4:2009에서는 인입선·관 종류는 되도록 같은 개소에서 인입하고, 인입구 부근에서 금속 관로나 통신선의 메탈 시스, SPD의 접지 단자를 같은 접지 단자에 접속할 것을 권장한다(각기 다른 장소에서 인입하는 방법도 있긴 하다). 따라서 일반 주택에서도 뇌해 대책을 위해 저압 배전선과 같은 곳에서 전화선, CATV나 텔레비전 안테나의 동축 케이블 등을 인입하며, 분전반 내 또는 그 가까이에 저압 배전용, 전화선용, 동축 케이블용 등의 SPD를 설치하고, 그 접지 단자는 서로 접속해 접지극에 접속한다. 또한, 이 접지선을 포함해 3선식으로 옥내를 배선하고, 접지 단자가 달린 콘센트를 경유해 접지가 필요한 기기의 접지 단자에 접속하는 것이 바람직하다.
 
저압 배전용 SPD 규격 | 내선 규정 1361-2 <뇌 보호 장치 규격>에는‘주택용 분전반 내에 시설하는 뇌 보호 장치는 (사)일본배선기구공업회 규격 JWDS0007-첨부 3 <피뢰 기능이 있는 주택용 분전반>에서 정하는 뇌 보호 장치의 성능을 만족할 것’이라고 적고 있으며, 부록에 그 성능에 관한 내용이 있다. 주요 내용은 <표 1>과 같다.



*
낙뢰 발생, 낙뢰로부터 몸을 보호하는 방법, 전기·전자기기의 뇌해 원인과 뇌해 대책을 기술했다. 하지만 구체적인 전기·전자기기의 뇌해 대책은 상당히 어렵다. 그렇기에 뇌해 대책 전문가와의 상담이 필요하다. 낙뢰 발생이 빈번한 시기를 맞아 본고가 조금이라도 여러분의 뇌해 대책에 참고가 됐으면 하는 바람이다.

<Energy News>

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태그 : 차세대 낙뢰 보호 시스템 개발 일반 공장 주택뇌해 대책
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