산화아연형 피뢰기 열폭주

왜 배우는가: 산화아연형 피뢰기의 열폭주는 피뢰기가 이상전압을 처리한 뒤 원상 복귀하지 못하고 스스로 과열되어 파괴에 이르는 현상으로, 전력설비 보호 기기의 안전 한계를 판단하는 핵심 개념이다. 기출에서 반복 출제된 만큼 열폭주의 발생 조건과 억제 대책을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제134회 1교시 5번, 제118회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

산화아연형 피뢰기의 열폭주는 누설전류에 의한 발열이 방열을 초과해 소자 온도가 계속 상승하고, 결국 절연 파괴에 이르는 양성 피드백 현상이다.

• 산화아연소자(ZnO varistor)
• 누설전류
• 양성 피드백
• 방열 한계
• 상용주파 전압
• 열 안정성

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 피뢰기가 평소에도 조금씩 전류를 흘리는데 그 전류가 열을 만들고, 그 열이 다시 전류를 키우는 악순환이 생기는 것이다. 이 악순환이 멈추지 않으면 소자가 타거나 파열된다.

열폭주(Thermal Runaway)는 온도 상승이 다시 온도 상승을 부르는 통제 불가능한 양성 피드백을 말한다. 시스템의 발열 속도가 방열 속도를 넘는 순간 시작되며, 한번 시작되면 스스로 가속된다. 열폭주라는 용어 자체는 화학공학, 전기화학 등 여러 분야에서 쓰이는 일반 개념이다.

산화아연형 피뢰기에서 누설전류는 산화아연 입자 경계(결정립계)에서 흐른다. 산화아연 소자는 입자 사이 접합이 비선형 저항처럼 작동하므로, 정상 상태 상용주파 전압에서도 아주 작은 전류가 흐른다. 이 전류의 대부분은 저항성 성분이며 전압과 같은 위상으로 열을 만든다. 온도가 오르면 접합의 저항 특성이 변해 누설전류가 늘고, 늘어난 전류가 다시 발열을 키운다.

피뢰기의 기본 기능은 이상전압이 들어오면 빠르게 방전하여 전압을 제한하고, 이상전압이 사라지면 방전을 멈추고 원래 상태로 복귀하는 것이다. 열폭주는 이 복귀 기능이 실패하는 상태다. 방전 뒤에도 소자가 충분히 식지 않고 계속 전류를 흘리면, 소자 온도가 한계를 넘어 파괴된다.

정리하면 열폭주는 세 가지 조건이 겹칠 때 일어난다. 첫째는 소자 온도 상승, 둘째는 온도에 따라 커지는 누설전류, 셋째는 발열을 식힐 방열 능력의 부족이다. 세 조건 중 하나라도 끊으면 열폭주는 억제된다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 피뢰기는 탄화규소(SiC) 소자에 직렬 갭을 둔 구조였다. 갭이 방전을 담당하고 소자는 속류를 제한하는 방식이었다. 산화아연 소자는 갭 없이 소자 자체가 비선형 저항 역할을 하므로, 구조가 간단하고 제한전압이 낮으며 속류 차단 성능이 좋다. 그래서 현재 전력용 피뢰기의 주류가 되었다.

갭이 없는 구조는 상용전압이 소자에 계속 걸린다는 뜻이다. 따라서 소자는 정상 운전 중에도 누설전류를 흘린다. 이 누설전류가 열폭주의 출발점이 된다. 산화아연 소자의 장점이 곧 열폭주 위험의 원인이라는 점이 이 개념을 시험에서 중요하게 만든다.

또한 전력계통의 전압 상승, 고조파 증가, 주변 온도 상승은 누설전류를 키우는 요인이다. 설비가 노후화되어 방열이 나빠진 경우에도 열폭주 위험이 커진다. 따라서 피뢰기의 열적 안정성을 설계 단계와 유지보수 단계에서 함께 확인해야 한다.

상용주파 전압 기준 누설전류 관리가 열폭주 억제의 기본이며, 그 근거는 소자 온도와 누설전류의 상호작용에 있다.

4. 구성요소·원리·절차

산화아연형 피뢰기는 산화아연 소자를 적층한 본체로 이루어진다. 소자 입자 사이의 입계층이 전압에 따라 저항을 바꾸는 비선형 특성을 만든다. 정상 전압에서는 저항이 크고, 이상전압이 들어오면 저항이 급격히 작아져 서지 전류를 흘려보낸다.

산화아연 소자는 온도가 오르면 저항이 줄어드는 부온도 특성을 가진다. 정상 운전전압에서 흐르는 누설전류 I_L은 저항성 성분 I_R과 용량성 성분 I_C로 나뉜다. 열 발생에 주로 기여하는 것은 전압과 동상인 저항성 성분이다.

소자의 발열과 방열은 다음 식으로 나타낸다.

$P(T) = V \times I_R(T)$

$Q(T) = h \cdot A \cdot (T - T_a)$

여기서 P는 소자 손실전력(W), V는 운전 전압(V), I_R은 저항성 누설전류(A), Q는 방열량(W), h는 열전달계수(W/(㎡·K)), A는 방열 표면적(㎡), T는 소자 온도(℃), T_a는 주위 온도(℃)이다.

발열 곡선의 기울기가 방열 곡선의 기울기보다 커지는 지점부터는 온도가 올라갈수록 발열이 더 빨리 늘어난다. 이때 평형점이 사라지고 열폭주가 시작된다. 평형점에서 방열 기울기가 발열 기울기보다 커야 열적으로 안정하다.

열폭주의 진행 절차는 다음과 같다.

• 연속 운전전압이 인가되면 소자에 저항성 누설전류가 흐른다.
• 소자 온도가 오르면 저항이 줄고 누설전류가 증가한다.
• 증가한 누설전류로 손실전력이 늘어 소자 온도가 더 오른다.
• 방열 능력이 발열을 따라가면 온도가 평형을 이루고 안정 상태가 된다.
• 방열이 부족하면 2~3 단계가 가중되며 반복되고, 결국 소자와 절연이 파괴된다.

열폭주를 촉발하는 원인은 다음과 같다. 첫째, 계통 최고전압보다 낮은 정격으로 선정해 연속 운전전압이 높은 경우다. 둘째, 뇌서지나 개폐서지가 반복되어 소자에 에너지가 누적되는 경우다. 셋째, 고조파가 포함된 전압이나 고온·다습·오손 환경에서 누설전류가 커지는 경우다.

온도 상승에 따른 저항 감소가 누설전류와 발열을 되먹임으로 키우는 것이 열폭주다

5. 관련 법령·기준·표준

산화아연형 피뢰기의 선정과 보호 여유는 제한전압과 서지 조건으로 정한다. 기준값은 다음 표와 같다.

제한전압은 뇌서지와 개폐서지에 대한 보호 여유를 함께 만족해야 한다. 상용주파 과전압(TOV)에는 피뢰기가 동작하지 않고 기기 절연으로 견뎌야 한다. 따라서 연속 운전전압을 계통 최고전압 기준으로 높게 잡는 것이 열폭주 예방의 출발점이다.

속류 차단 능력이 부족하면 방전이 끝난 뒤에도 상용주파 전류가 계속 흘러 열 누적이 생긴다. 이 점이 열폭주와 직접 연결된다.

열적 안정성은 동작책무(operating duty) 시험으로 확인한다. 이 시험 기준은 관련 국제 표준을 따른다. 국내 전기설비 기준은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용되며, 피뢰기 관련 요구는 이 체계 안에서 확인한다.

6. 유형과 비교

산화아연형 피뢰기는 소자 구조와 설치 목적에 따라 몇 가지로 나눠 볼 수 있다. 가장 기본이 되는 구분은 갭형(Gap형)과 갭리스형(Gapless형)이다. 갭형은 직렬 갭과 산화아연 소자를 함께 쓰고, 갭리스형은 갭 없이 산화아연 소자만으로 이상전압을 처리한다. 열폭주 문제는 갭리스형에서 특히 중요하다. 갭이 없으므로 상용전압이 소자에 계속 걸리기 때문이다.

표에서 보듯 갭형은 상시 전압이 소자에 걸리지 않아 열적 부담이 작다. 반면 갭리스형은 상시 누설전류를 감시하는 것이 핵심 관리 항목이다.