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[알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술 ⑦]
알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술
자가용 전기설비의 뇌해 대책 1.자가용 전기설비의 위협이 되는 뇌의 종류 자가용 전기설비에 위협이 되는 것은 주로 직격뢰와 유도뢰이다.
(1)직격뢰 <그림 1>은 자가용 전기설비에 발생한 직격뢰를 관측한 결과를 나타낸 것이다. 뇌격전류 누적빈도의 50%값은 26㎄, 95%값은 100㎄이다. 일본의 경우에는 200㎄의 뇌격전류가 관측된 경우도 있다.
 이처럼 직격뢰는 유입전류와 발생전압 모두 극도로 크기 때문에, 뇌격을 직접 받으면 피뢰기마저도 소손되는 경우가 있다. 따라서 직격뢰의 피해를 방지하는 것은 매우 어렵다. 그래서 피뢰침 등을 설치하여 전기설비에 대한 직접 뇌격을 피하는 대책이 취해지고 있다. 평지의 낙뢰횟수는 ILK=30일의 지역에서 3~4회(회/㎢)를 기준으로 하여 (1)의 식으로 계산한다.
 2)유도뢰 배전선 근방의 나무 및 건조물 등에 낙뢰가 발생하였을 때, 뇌방전 경로를 통해 흐르는 전류로 인해 전로 근방의 전자계가 급변하여 나타나는 과전압이다. TV나 라디오 방송에 비유하여 보면 뇌방전 경로는 전파를 발생시키는 안테나, 배전선은 수신 안테나로 생각할 수 있다. <그림 2>는 배전선 도체의 지상고가 10m인 경우에 대하여 낙뢰지점, 배전선 도체와의 거리 그리고 배전선에 발생하는 유도뢰 전압간의 관계를 나타낸 것이다. 50㎄인 뇌격전류가 대략 300m 이내에 낙뢰된 경우, 자가용 전기설비의 절연강도 60㎸를 초과한 유도뢰 전압이 발생하는 것을 예상할 수 있다.
2. 뇌해 사고의 발생 상황
<그림 3>은 1995~2004년에 자가용 설비 파급사고(고압 자가용설비의 고장이 원인이 되어 배전선의 정전으로 파급되는 사고) 및 파급사고의 점유율 추이를 나타낸 것이다. <그림 4>는 자가용 설비 파급사고의 원인별 분류와 뇌피해 개소별 분류를 나타낸 것이다. <그림 3>에서 볼 수 있듯이 파급사고 건수는 2000년 이후 감소해 가는 추세이다. 이에 맞추어 파급사고율도 감소해 가다가 2003년도에 크게 증가했다. <그림 4>의 사고 원인별 분류를 보면 2004년도에는 자연열화가 38건으로 가장 많았다. 그 다음 뇌로 인한 것이 37건으로 전체의 23%를 차지하고 있다. 뇌피해 개소별 분류에서는 가공인입선의 개폐기(PAS)가 약 30건으로 81%를 차지하고 있다. 전력회사와의 책임분기점(구내 제1호 전주)에 설치되어 있는 개폐기가 뇌에 대하여 취약함을 알 수 있다. 최근에는 배전선과 자가용 전기설비의 책임분기점인 개폐기에 과전류·지락보호장치를 설치하여 자가용 전기설비사고로 인한 배전선으로의 파급사고를 방지하고 있다. 이 같은 보호장치의 보급으로 뇌 발생시에 오히려 보호장치 자체가 피해를 당하는 경우가 늘어난 것이 원인이라고 생각된다. 파급사고는 자가용 전기설비 사고가 원인이 되어 전력 공급측의 배전선까지도 정전되어버리는 사고를 말한다. 일단 파급사고가 발생하면 다른 곳에도 큰 영향을 주기 때문에 이러한 사고가 발생하지 않도록 미연에 방지하는 것이 중요하다.  3. 피뢰기 (1)피뢰기의 설치 큐비클 인입용 케이블의 전원측에 피뢰기를 설치하는 경우 또는 지중배전선로로부터 인입하는 경우를 제외하고는 수전용량에 상관없이 큐비클에 고압피뢰기를 설치하는 것이 일반적이다. 그러나 구내제1호 전주에 피뢰기가 설치되어 있음에도 불구하고 큐비를 안의 변압기가 파손되는 경우도 있다. 고압변압기에 관한 것은 아니지만, 최근 KS C IEC 62305(2007)b ‘피뢰설비기준’을 중심으로 전기분야의 국제규격인 IEC와 일치화를 통하여 각종 KS 규격이 개정되었다. KS C IEC 62305(2007) '피뢰설비기준' 및 KS C IEC 61312-1(2011) '뇌전자임펄스보호'에는 모든 접지를 통합 접지시켜 등전위 접속한 경우, 피뢰침으로부터 침입한 직격뢰로 인해 접지극의 전위가 상승하여 변압기나 고압기기가 파손될 우려가 있기 때문에 변압기의 1차측에는 고압피뢰기를 설치하는 것이 바람직하다고 기술되어 있다.
(2)피뢰기의 역할과 기능 자가용 전기설비의 보호가 목적인 고압용피뢰기는 개폐기나 변압기 등 피보호기기의 절연강도 보다 높은 과전압이 침입하였을때, 서지전류를 대지로 분류시켜 과전압을 피뢰기의 제한전압 이하로 낮추어 주기 때문에 피보호기기의 절연이 파괴되는 것을 막아준다. 서지전류를 대지로 분류시킨 후, 계통전압으로 인한 속류도 단시간에 차단시켜 계통을 원상복구하는 기능도 갖추고 있다. (3)피뢰기의 종류 피뢰기에 사용된 산화아연소자(이하 ZnO소자)는 고순도 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하여 비직선저항특성을 발현시키는 산화프라세오디미움(Pr2O3) 및 산화비스무스(Bi2O3) 등의 금속산화물을 미량 첨가한 혼합물을 조립(造粒), 성형시킨 후, 1000℃이상의 고온에서 소결시킨 금속산화물을 말한다. ZnO소자는 내량 성능 즉, 뇌에 대한 에너지처리능력이 이전에 사용되어 왔던 Si소자에 비해 탁월하다는 점 때문에1975년부터피뢰기에널리사용되어왔다. 고압용피뢰기는KS C IEC 60099-4‘ 서지피뢰기-제 4부:산화 금속형 갭리스 서지 피뢰기’에 규격화되어 있다. 자가용 전기설비 보호용 피뢰기는 일반적으로 공칭방전전류 5000A급의 피뢰기가 널리 사용되고 있다. 그러나 뇌격빈도가 높은 지역이나 중요설비를 보호하는 경우에는 뇌서지 처리에너지가 높은 10000A급 피뢰기가사용되고있다. 설치장소에 따라 옥외용과 옥내용, 그리고 시설환경에 따라 일반용과 내염용으로 구별되어 있으므로 설치장소·환경에 맞는 피뢰기를 선정하는 것이 중요하다.  (4)피뢰기의 접지 피뢰기의 보호효과를 충분히 발휘시키려면 10Ω 이하의 아주 낮은 접지저항이 되도록 시공하는 것이 바람직하다. <그림 5>(b) 또는 (c)와 같이 피뢰기 접지단자와 기기의 접지단자를 연접 또는 공용으로 시공하면 절연협조 효과는 보다 향상된다. 피뢰기의 접지점과 개폐기의 제어장치 등 저압기기류의 접지점이 근방에 있는 경우, 피뢰기 접지점의 전위가 상승하여 저압기기류와의 절연협조가 이루어지지 않을 수도 있다. 따라서 피뢰기의 접지는 고압기기의 외함 뿐 아니라 저압기기의 외함도 포함시켜 접지하는 것이 바람직하다. 피뢰기의 접지저항 외에 접지선의 서지 임피던스에 의한 전위 상승도 고려해야 할 사항이다. 피뢰기의 접지저항이 낮으면 낮을수록 피뢰기의 보호 효과는 높아진다. 피뢰기의 설치장소에서 멀리 떨어진 곳에 양호한 접지가 있더라도 접지선 자체에 서지임피던스가 존재하므로 접지선이 길어지면 보호효과는 줄어든다. <그림 6>은 접지저항이 피뢰기 바로 옆 30Ω 일 때와 접지선을 70m 연장하여 10Ω일 때의 대지전위를 계산한 것이다. 배전선의 서지임피던스를 550Ω, 케이블의 서지임피던스를 25.5Ω, 접지선의 서지임피던스를 400Ω 그리고 연장접지선의 서지임피던스를 240Ω으로 했다. 피뢰기는 갭형이며 방전개시전압은 30㎸이다. <그림 6>과 같이 멀리 떨어진 양호한 접지인 경우는 대지전위가 전기설비의 절연강도를 초과하는 70㎸에 도달하는 반면, 피뢰기 바로 옆에 접지한 경우에는 대지전위가 40㎸로 억제됨을 알 수 있다.
<Energy News>
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