피뢰기 설치 및 유효거리

왜 배우는가: 피뢰기 설치 위치와 유효거리는 서지가 기기 절연을 위협하기 전에 전압을 낮추는 설계의 핵심이다. 설치 거리가 길어지면 기기에 걸리는 전압이 올라가 절연 협조가 깨지므로 실무 설계 검토에서 반드시 확인한다. 시험에서는 1교시 용어 문제와 3교시 논술 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제129회 1교시 4번, 제121회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 피뢰기는 이상전압을 대지로 방전시켜 기기 단자전압을 제한하고, 방전 후 속류를 차단하여 절연을 회복시키는 보호장치이다.

핵심 키워드

• 이상전압(뇌서지·개폐서지)
• 제한전압
• 충격방전개시전압
• 상용주파방전개시전압
• 속류차단
• 피보호기기
• 유효거리
• 절연협조

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 피뢰기는 높은 서지 전압이 들어왔을 때 기기가 견딜 수 있는 수준까지 전압을 낮춰 주는 문지기다. 번개나 개폐 동작으로 생긴 서지는 짧은 시간에 매우 높은 전압을 만들기 때문에, 피뢰기가 그 에너지를 대지로 흘려보내야 뒤쪽 기기가 살아남는다.

정식 정의는 다음과 같다. 피뢰기(Surge Arrester)는 전력계통에 발생하거나 유도된 이상전압의 파고값을 낮추기 위해 에너지의 일부 또는 전부를 방전시키고, 방전이 끝나면 도전로를 차단하여 선로의 절연을 회복시키는 장치다. 방전 후 계통 전압에 의해 흐르는 전류가 있어도 이를 끊어야 피뢰기가 정상 상태로 돌아간다.

핵심 용어를 정리한다.

제한전압은 피뢰기가 방전하는 동안 단자에 남는 최대 전압이다. 이 값이 낮을수록 뒤의 기기가 받는 서지 전압이 작아진다.

속류는 이상전압이 지나간 뒤 계통 전압에 의해 피뢰기를 통해 계속 흐르는 전류다. 속류가 남으면 피뢰기가 과열되므로 속류차단 능력이 필요하다.

충격방전개시전압은 번개와 같이 급준한 파형의 서지에 피뢰기가 방전을 시작하는 전압이다.

상용주파방전개시전압은 계통의 상용 주파수 전압에서 피뢰기가 방전하지 않도록 정해진 하한 전압이다. 이 값이 계통 전압보다 충분히 높아야 정상 운전 중 오동작하지 않는다.

피보호기기는 피뢰기가 보호하는 변압기, 차단기, 모선 같은 전력기기다. 이 기기의 충격절연강도(BIL)를 기준으로 피뢰기 제한전압을 정한다.

유효거리는 피뢰기와 피보호기기 사이에서 허용되는 최대 거리다. 서지파는 선로를 따라 진행하면서 전압 기울기를 유지하고, 기기 단자에서 피뢰기 제한전압보다 높은 전압이 나타날 수 있기 때문에 거리를 제한한다.

유효거리의 개략식은 다음과 같다. 서지 파두 기울기 α[kV/μs]가 선로를 따라 진행하면, 피뢰기와 기기 사이 거리 L[m]만큼 떨어진 곳에서 기기 단자 전압이 피뢰기 제한전압보다 높아진다. 이때 기기의 허용 전압 여유를 BIL과 제한전압의 차로 본다.

$L = v(V_{BIL} - V_p)/(2\alpha)$

여기서 L은 유효거리[m], v는 파속[m/μs], V_BIL은 기기 충격절연강도[kV], V_p는 피뢰기 제한전압[kV], α는 서지 파두 기울기[kV/μs]다. 분모의 2는 반사파가 더해져 전압이 상승하는 효과를 반영한다.

계산 예를 들어 본다(가상의 값). 기기 BIL 150kV, 제한전압 100kV, 파두 기울기 1000kV/μs, 파속 300m/μs이면 L = 300×(150−100)/(2×1000) = 7.5m이다. 결과가 수 m 수준으로 나오므로 피뢰기를 기기 가까이 붙여 설치해야 한다는 결론이 상식 범위와 맞는다.

3. 등장 배경과 필요성

송배전 계통은 가공선로가 자연에 노출되어 있어 직격뢰와 유도뢰가 자주 들어온다. 또한 차단기 개폐 시 발생하는 개폐서지도 있다. 이런 서지가 기기 절연을 넘으면 절연파괴와 정전이 발생하므로 기기 절연을 보호할 수단이 필요하게 되었다.

기기 절연만 높이면 비용과 크기가 커진다. 그래서 피뢰기로 서지 전압을 낮추고, 그 낮아진 전압에 기기 절연을 맞추는 방식인 절연협조가 도입되었다. 이 방식에서 피뢰기 제한전압은 기기 충격절연강도보다 낮아야 하며, 설치 위치가 멀면 전압 상승으로 보호 여유가 줄어든다. 여기서 유효거리라는 개념이 필요하게 되었다.

초기에는 갭형 피뢰기가 쓰였다. 갭형은 방전 간극이 속류를 완전히 끊지 못하는 한계가 있었다. 이 한계를 해결하기 위해 산화아연(ZnO) 소자를 사용하는 갭레스형 피뢰기가 보급되었다. 산화아연 소자는 정상 전압에서 전류를 거의 흘리지 않고 서지 전압에서 전류를 크게 흘리므로 속류 차단과 제한전압 측면에서 성능이 개선되었다. 다만 소자가 반복 방전으로 열화되면 열폭주가 생길 수 있어 상용주파 전압과 에너지 내량을 함께 고려해야 한다.

이런 배경 때문에 피뢰기 설계는 기기 BIL, 제한전압, 상용주파 전압, 설치 거리를 한 세트로 검토한다. 설치 위치와 유효거리는 이 구조를 실제 설비에 적용하는 마지막 단계다.

4. 구성요소·원리·절차

피뢰기는 직렬갭과 특성요소(산화아연 소자)로 구성된다. 평상시에는 갭이 절연을 유지하고, 이상전압이 충격방전개시전압을 넘으면 갭이 도통해 서지 에너지를 대지로 흘린다. 방전 후에는 상용전압에서 흐르는 속류를 차단해 선로 절연을 회복시킨다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

산화아연 소자는 전압이 높아지면 저항이 급격히 낮아지는 비선형 특성을 가진다. 그래서 정상전압에서는 미세한 누설전류만 흐르고, 서지가 오면 큰 전류를 흘려 전압을 제한한다.

피뢰기 동작 원리는 다음 순서로 설명한다.

• 이상전압이 침입해 피뢰기 단자전압이 방전개시전압 이상으로 상승한다.
• 갭이 도통하고 서지 전류가 특성요소를 거쳐 접지로 흐른다.
• 특성요소가 전압을 제한전압 이하로 억제해 기기 절연을 보호한다.
• 서지가 소멸하면 상용전압에 의한 속류가 남는다.
• 속류를 차단해 정상 송전 상태로 복귀시킨다.

피뢰기가 기기 가까이 있어야 하는 이유는 서지 파의 전압 상승에 있다. 피뢰기 단자에서 기기까지 거리 l 만큼 떨어지면, 진행파가 기기 단자에서 반사되어 전압이 최대 약 2배로 중첩된다. 기기 단자 전압은 다음과 같이 나타낸다.

$V_{t}=V_{LA}+\frac{2S\,l}{v}$

여기서 V_{t}는 기기 단자 최대전압(kV), V_{LA}는 피뢰기 제한전압(kV), S는 서지 전압 상승률(kV/μs), l은 피뢰기-기기 사이 거리(m), v는 서지 전파속도(약 300m/μs)다. V_{t}가 기기 충격내력전압 V_{BIL} 이하가 되어야 하므로 최대 유효거리는 다음과 같다.

$l\le\frac{(V_{BIL}-V_{LA})\,v}{2S}$

계산 예: V_{BIL}=150kV, V_{LA}=60kV, S=1kV/μs, v=300m/μs이면 l\le\frac{(150-60)\times300}{2\times1}=13{,}500m가 된다. 이 값은 이론상 한계일 뿐이다. 실제로는 서지 기울기가 크므로 S를 크게 잡으면 거리가 짧아진다. 결과가 수십 km가 아니라 수십 m 이내로 나오도록 S와 V_{LA}를 현실적으로 잡아야 한다.

피뢰기 설치 절차는 다음과 같다.

• 계통 공칭전압과 최고전압으로 정격전압을 정한다.
• 설치 장소의 서지 크기로 공칭방전전류를 정한다.
• 피보호기기의 BIL로 보호여유를 확인한다.
• 최대 유효거리 이내에 피뢰기를 설치한다.
• 접지선을 최단 거리로 매설 접지극에 연결하고 접지저항을 측정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

피뢰기 설치는 「전기설비기술기준」 계열 규정을 따른다. 2021-01-01부터는 한국전기설비규정(KEC)이 적용되며, 옛 「전기설비기술기준의 판단기준」은 대체됐다. 피뢰기 관련 세부 규정은 KEC 해당 조항과 기술 기준 해설서에서 함께 확인해야 하는 내용을 포함한다.

기준값은 다음 표로 정리한다.