피뢰기 정격전압·공칭방전전류

왜 배우는가: 피뢰기 정격전압은 계통의 최고 운전전압과 단시간 과전압을 견디도록 정해야 하며, 이를 잘못 고르면 피뢰기가 상시 방전하거나 보호 여유가 부족해진다. 공칭방전전류는 피뢰기의 방전내량과 선정 등급을 결정하며, 기술사 시험에서 정의와 선정 원리를 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제111회 1교시 4번, 제94회 1교시 6번, 제91회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

피뢰기 정격전압은 속류를 차단하고 원상 복귀할 수 있는 최고의 상용주파 교류전압이며, 공칭방전전류는 피뢰기가 이상전압을 방전할 때 표준 뇌임펄스(8/20μs)로 시험한 방전전류의 크기다.

핵심 키워드

• 정격전압
• 공칭방전전류
• 속류 차단
• 단시간 과전압(TOV)
• 제한전압
• 방전내량
• 8/20μs 뇌임펄스

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 피뢰기가 "언제까지 전류를 끊고 정상 상태로 돌아올 수 있는가"가 정격전압이고, "얼마나 센 벼락 전류를 한 번 흘려보내도 견디는가"가 공칭방전전류다. 두 값 모두 피뢰기의 등급을 정하는 기준이다.

정격전압은 피뢰기가 방전 동작을 마친 뒤 속류를 스스로 차단하고 정상 상태로 복귀할 수 있는 최고의 상용주파 교류 실효값이다. 피뢰기 단자에 계속 걸리는 전압 중 가장 높은 값을 기준으로 하며, 계통의 최고 운전전압과 1선 지락 같은 단시간 과전압을 함께 고려해 정한다. 정격전압이 너무 낮으면 정상 운전 중에도 피뢰기가 방전 상태에 머물러 열화가 빨라지고, 너무 높으면 제한전압이 올라가 보호 여유가 줄어든다.

공칭방전전류는 피뢰기 시험에서 표준 뇌임펄스 전류 파형 8/20μs를 가했을 때 피뢰기가 견디는 방전전류의 크기다. 피뢰기의 방전내량과 직결되며, 설치 위치의 뇌 노출 정도와 선로 중요도에 따라 등급을 고른다. 공칭방전전류가 클수록 방전 시 피뢰기 소자 온도 상승과 제한전압 변동에 대한 여유가 커진다.

속류는 방전이 끝난 뒤 계통 전압에 의해 피뢰기로 계속 흐르는 상용주파 전류다. 속류를 빨리 끊지 못하면 사고로 번지므로 속류 차단 능력은 정격전압 결정의 전제 조건이다.

제한전압은 피뢰기가 방전 중 단자에 남기는 최대 전압이다. 정격전압과 공칭방전전류로 정해진 피뢰기 등급이 이 값을 결정하며, 기기의 절연강도에 대한 여유로 확인한다.

3. 등장 배경과 필요성

송전선로와 변전설비는 직격뢰, 유도뢰 및 개폐 서지로 과전압을 받는다. 이 과전압이 기기의 절연 내력을 넘으면 절연파괴와 섬락 사고가 발생한다. 이를 막기 위해 피뢰기를 설치해 이상전압을 방전시키고 기기 절연을 보호한다. 피뢰기가 이 역할을 하려면 계통 전압 조건을 견디면서 방전 후에는 스스로 전류를 끊어야 한다.

이 요구를 만족시키는 것이 정격전압과 공칭방전전류의 선정이다. 정격전압은 계통의 운전 조건에 맞춰 피뢰기가 상시 전압과 단시간 과전압을 견디도록 정하고, 공칭방전전류는 예상되는 뇌 방전 에너지에 맞춰 방전내량을 정한다. 두 값이 맞지 않으면 피뢰기는 자동 복귀에 실패하거나 방전 중 소자가 열폭주에 이르러 파손된다.

따라서 피뢰기 선정의 첫 단계는 계통의 최고 운전전압, 중성점 접지 방식, 단시간 과전압의 크기와 지속시간을 파악하는 것이다. 이 조건이 정해져야 정격전압이 결정되고, 그 뒤에 뇌 노출 조건으로 공칭방전전류를 고른다. 이 순서가 피뢰기 선정의 기본 흐름이다.

4. 구성요소·원리·절차

피뢰기는 직렬 갭과 산화아연 소자(ZnO 소자)를 기본 구성으로 한다. 이상전압이 들어오면 갭이 먼저 도통하여 뇌서지 전류를 대지로 흘리고, 소자는 전압을 제한한다. 전류가 0을 지나면 갭이 다시 절연을 회복하여 속류를 차단한다.

피뢰기의 핵심 기능은 이상전압을 대지로 방전해 제한전압 이하로 억제한 뒤, 속류를 차단하고 원래 상태로 복귀하는 것이다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

표 해설: 직렬 갭은 정상 운전 중 누설전류를 차단하고, 소자는 방전 중 전압 상승을 억제한다. 두 요소의 역할이 분리되어 있어 설계와 점검이 쉽다.

원리는 산화아연 소자의 비선형 전압-전류 특성이다. 소자 전압이 일정 값을 넘으면 전류가 급격히 증가하고, 그 결과 소자 양단 전압은 거의 일정한 값으로 머문다. 이 값이 제한전압이며, 정격전압과 공칭방전전류에 따라 정해진다.

정격전압은 속류를 차단할 수 있는 최고 전압이다. 정격전압을 넘는 상용 주파수 전압이 계속 걸리면 소자가 열폭주할 수 있다. 따라서 정격전압은 계통의 최고 전압과 단시간 과전압을 고려해 정한다.

공칭방전전류는 피뢰기가 방전할 수 있는 뇌서지 전류의 크기를 나타내는 값이다. 8/20μs 파형의 피크 전류로 시험하며, 설치 장소의 뇌격 위험도와 보호 대상의 중요도로 선정한다.

피뢰기 동작 절차는 다음과 같다.

• 이상전압이 피뢰기 단자에 인가된다.
• 단자전압이 충격방전개시전압에 도달하면 갭이 방전하여 도통한다.
• 소자가 방전전류를 흘리면서 단자전압을 제한전압 이하로 억제한다.
• 이상전압이 소멸하면 방전전류가 줄고, 상용전압에 의한 속류가 전류 영점에서 차단된다.
• 갭이 절연을 회복하여 피뢰기가 원래 상태로 복귀한다.

동작 과정은 다음 흐름도로 그린다.

정격전압과 공칭방전전류의 결정 절차는 다음과 같다.

• 계통의 최고 허용 전압(공칭전압의 1.1배 등)을 확인한다.
• 단시간 과전압과 1선 지락 시 건전상 전위 상승을 반영한다.
• 접지 방식에 따른 계수를 곱하여 정격전압 후보를 구한다.
• 규격 정격전압 중 후보보다 큰 값을 선정한다.
• 설치 장소의 뇌격 위험도와 보호 대상 중요도로 공칭방전전류를 선정한다.

계산 예 (가상의 예): 계통 최고전압 V_m, 유효접지 계통, 계수 \alpha 일 때 V_r \ge \alpha V_m 이므로 계산값 이상의 규격 정격전압을 선정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

피뢰기의 정격전압과 공칭방전전류는 한국전기설비규정(KEC)과 전기설비기술기준 체계에서 다룬다. 고압·특고압 피뢰기는 IEC 60099 계열 시험 규격과 국내 제조 규격을 따른다. 아래 표는 선정에 쓰이는 핵심 기준값이다.

표 해설: 정격전압은 계통 최고전압과 접지 방식에 따른 상승률로 정하고, 공칭방전전류는 시험 파형과 설치 장소 조건으로 정한다. 제한전압 여유는 절연협조의 기준이다.

정격전압은 법령에서 직접 수치로 정하기보다 계통 조건에 따라 산정한다. 산정식의 기본은 계통 최고전압과 단시간 과전압을 함께 고려하는 것이다.