뇌보호시스템(LPZ·구성요소·내부 보호대책)

왜 배우는가: 뇌보호시스템은 낙뢰의 직접·간접 영향으로부터 건축물과 인명, 내부 전기·전자설비를 함께 지키는 체계라서 실무 설계의 출발점이 된다. 피뢰구역(LPZ) 개념은 외부피뢰와 내부피뢰 대책을 하나의 틀로 묶는 기준이어서 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제139회 2교시 3번, 제132회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

뇌보호시스템(LPS)은 외부피뢰시스템과 내부피뢰시스템으로 구성되어 낙뢰의 직접·간접 영향으로부터 건축물, 인명, 내부 전기·전자설비를 보호하는 종합 시스템이다.

• 뇌보호시스템(LPS): 외부피뢰와 내부피뢰 대책을 합한 전체 체계
• 피뢰구역(LPZ): 낙뢰 전자기 환경의 세기에 따라 공간을 나눈 영역
• 외부피뢰시스템: 수뢰부·인하도선·접지극으로 뇌전류를 포착해 대지로 방류하는 설비
• 내부피뢰시스템: 등전위본딩과 서지보호장치(SPD)로 내부 위험 전위차와 유도 서지를 억제하는 설비
• LEMP 보호대책(LPMS): 뇌전자계 임펄스(LEMP)로부터 내부 설비를 지키는 보호 조치
• 등전위본딩: 도전성 부분을 서로 연결해 전위차를 없애는 조치
• 서지보호장치(SPD): 과도 과전압을 제한하고 서지 전류를 대지로 분流하는 장치
• 보호 레벨: 낙뢰 전류 파라미터의 최대·최소 값에 따라 정한 보호 등급(레벨 I~IV)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 건물에 떨어지는 번개를 막는 것만으로는 부족하다. 번개가 치면 건물 안의 배선, 배관, 통신선을 타고 들어오는 전기가 컴퓨터와 제어기를 망가뜨린다. 뇌보호시스템은 이 두 경로를 모두 다룬다.

정식으로는 뇌보호시스템을 외부피뢰시스템과 내부피뢰시스템의 결합으로 정의한다. 외부피뢰시스템은 건축물 외부에서 직격뢰를 받아 대지로 흘려보내는 설비다. 내부피뢰시스템은 외부피뢰시스템 또는 피보호 구조물의 도전성 부분을 흐르는 뇌격전류에 의해 내부에서 위험한 불꽃방전이 생기지 않도록 하는 설비이며, 뇌등전위본딩과 외부피뢰시스템의 전기적 절연으로 구성된다.

피뢰구역(LPZ)은 낙뢰 전자기 환경이 비슷한 공간끼리 묶은 개념이다. 외부에서 내부로 갈수록 직격뢰와 전자기장의 세기가 줄어든다. 구역 경계에서는 차폐, 등전위본딩, SPD를 설치해 서지를 단계적으로 낮춘다.

LEMP(Lightning Electromagnetic Impulse)는 뇌전자계 임펄스이고, LPMS는 LEMP 보호대책 시스템이다. 내부 전자설비의 오동작을 막는 것이 LPMS의 목표다. 본 절에서는 LPZ 개념과 내부피뢰 대책의 원리를 중심으로 설명한다.

LPZ 0A·0B·1·2·3 로 구분하고, 번호가 커질수록 전자기 환경이 약해진다.

3. 등장 배경과 필요성

반도체 기반 전자설비가 건물 곳곳에 설치되면서 낙뢰 피해의 성격이 바뀌었다. 과거에는 건축물의 화재와 붕괴가 주된 피해였다. 현재는 직격뢰가 없는 건물에서도 근처 낙뢰로 발생한 유도 서지가 통신·제어 설비를 고장 낸다. 이 때문에 건축물 보호만으로는 설비 보호가 어렵다는 인식이 생겼다.

뇌방전이 발생하면 구름과 지표면 사이에 전하가 쌓였다가 큰 방전 전류가 흐른다. 이 뇌격전류는 수십 kA 수준까지 이를 수 있으며, 도체를 타고 건물 내부로 침입한다. 그 결과 저항성·유도성 결합으로 과전압과 접촉·보폭전압이 생기고, 인명 상해와 내부 설비 고장이 함께 일어난다.

국제표준 IEC 62305 계열은 이 문제를 외부피뢰, 내부피뢰, 위험도 평가를 묶어 다룬다. 국내에서도 KS C IEC 62305 체계에 따라 내부피뢰 대책을 설계하는 흐름이 자리 잡았다.

건축물의 용도가 병원, 데이터센터, 공장처럼 중요도가 높을수록 피해 비용이 커진다. 그래서 위험도 평가에 따라 보호 레벨을 정하고 LPZ를 나누는 설계가 필요해졌다. 낙뢰 보호 레벨 I은 가장 높은 정격과 가장 큰 포착 확률에 해당하고, 레벨이 낮아질수록 기준값도 작아진다.

4. 구성요소·원리·절차

뇌보호시스템은 외부피뢰시스템과 내부피뢰시스템으로 나뉜다. 외부피뢰시스템은 낙뢰를 포착해 대지로 방류하는 역할을 하고, 내부피뢰시스템은 뇌전류와 유도 서지로 인한 내부 위험을 줄이는 역할을 한다. 두 시스템은 경계에서 연결되어야 하므로 구성요소를 함께 이해해야 한다.

외부피뢰시스템의 구성요소는 다음과 같다.

수뢰부는 건축물 상부에 배치해 낙뢰가 건물 표면 대신 수뢰부에 먼저 닿도록 한다. 인하도선은 수뢰부에서 접지극까지 직선에 가깝게 여러 경로로 나누어 배치하면 뇌전류가 분산되어 측면 방전 위험이 줄어든다. 접지극은 대지저항이 낮을수록 뇌전류 방류가 쉬우므로 접지저항을 낮추는 것이 핵심이다.

외부피뢰시스템의 수뢰부 배치 원리는 보호각법, 회전구체법, 메시법으로 설명한다. 회전구체법은 뇌격거리를 반지름으로 한 구를 굴렸을 때 구가 닿지 않는 영역을 보호 영역으로 본다. 보호 레벨에 따라 뇌격거리가 달라지므로 레벨에 맞는 반지름을 쓴다.

내부피뢰시스템의 보호 원리는 다음과 같다. 낙뢰 전류가 도전성 부분을 통해 흐르면 내부에 위험한 불꽃 방전과 접촉전압이 생긴다. 이를 막기 위해 등전위본딩으로 금속 부분 사이 전위차를 줄이고, 서지보호장치(SPD)로 전력·통신선의 과전압을 제한하며, 구역 경계에서 차폐를 강화한다.

내부피뢰시스템 시공 절차는 다음과 같다.

• 위험도 평가로 보호 레벨과 필요한 보호 수준을 정한다.
• 건물을 피뢰구역(LPZ)으로 구분하고 경계를 정한다.
• 외부피뢰시스템의 수뢰부·인하도선·접지극을 배치한다.
• 금속 배관·구조체·인입선을 등전위본딩한다.
• 전력·통신 인입선의 구역 경계에 SPD를 협조 설치한다.
• 시공 후 접속부와 접지 연속성을 측정하고 SPD 상태를 점검한다.

인하도선과 내부 금속체 사이에는 이격거리를 확보해야 한다. 이격거리가 부족하면 플래시오버가 발생해 내부로 뇌전류가 넘어올 수 있다. 이격거리는 IEC 62305-3의 계산식으로 구하며, 확보가 어려우면 고전압 절연 케이블을 인하도선으로 쓴다.

뇌보호 설계에서 접촉전압과 보폭전압도 함께 검토한다. 접지극이 가까이 있는 금속 부분과 보행 경로에서 위험 전압이 생기므로 접지 배치와 본딩으로 저감한다.

5. 관련 법령·기준·표준

뇌보호시스템의 설계 기준은 국내에서는 KS C IEC 62305(뇌보호 시리즈)를 근간으로 한다. 이 표준은 위험도 평가, 외부피뢰시스템, 내부피뢰시스템, 건축물 보호를 4개 부로 나누어 규정한다. 국내 법령에서는 「건축법」과 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」이 피뢰설비 설치를 규정하며, 상세 기준은 표준을 따른다.

보호 레벨은 I부터 IV까지로 나뉜다. 레벨 I이 가장 엄격하며 낙뢰 전류 파라미터의 최대·최소값이 가장 크다. 레벨이 낮아질수록 파라미터 값이 줄어든다.

표의 값 중 레벨별 전류 파라미터의 구체적 수치는 표준 원문의 표를 따른다. 설계 시 보호 레벨 I이 가장 엄격함을 기준으로 삼는다.

IEC 61000-4-5는 서지 내성 시험의 시험 방법과 시험 등급을 규정한다. 간접 뇌격에 의한 과도 서지가 전력선과 데이터선에 유도될 때의 내성을 평가한다. SPD와 설비의 내성 협조는 이 시험 결과를 근거로 한다.

접지극과 등전위본딩의 연속성은 표준이 요구하는 조건이다. 피뢰설비의 접지공사는 다른 접지와 충분히 이격하여 전위차가 생기지 않도록 하는 것이 원칙이다. 이격거리의 구체적 값은 표준 계산식을 따른다.

개정 연혁으로는 IEC 62305 개정판이 여러 차례 있었으며, 국내에서는 KS C IEC 62305 체계로 편입되어 적용된다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

뇌보호시스템은 외부피뢰시스템과 내부피뢰시스템으로 나누어 볼 수 있다. 외부피뢰시스템은 수뢰부 형식과 배치 방식에 따라, 내부피뢰시스템은 보호 수단에 따라 세부 유형이 갈린다. 시험에서는 두 축을 나누어 비교하는 답안이 많이 요구된다.