저압 SPD 선정

왜 배우는가: 저압 SPD는 건축물 전원 설비를 낙뢰와 개폐 서지로부터 보호하는 핵심 장치이며, 선정이 잘못되면 장치가 먼저 손상되거나 보호가 부족해 전기·전자 설비가 오동작한다. 두 회차 모두 선정과 설치 기준을 묻는 문제로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제118회 4교시 5번, 제93회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

저압 SPD는 과도 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하여 저압 전원 설비와 기기를 보호하는 장치로, 최대 지속 운전전압·보호 수준·방전 능력을 기준으로 건축물 계통에 선정한다.

• 서지보호장치(SPD)
• 최대 지속 운전전압(Uc)
• 전압 보호 수준(Up)
• 명목 방전전류(In)
• 보호 구역(LPZ)
• 통합접지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 SPD는 번개나 스위칭으로 생긴 순간적인 높은 전압을 잘라 내고, 그 에너지를 접지로 빼 주는 안전밸브다. 평소에는 전류가 거의 흐르지 않다가 과전압이 오면 짧은 시간에 저항이 크게 낮아진다.

정식 정의는 다음과 같다. 서지보호장치는 과도적인 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하는 것을 목적으로 하는 장치이며, 적어도 하나의 비선형 소자를 내장한다. 전원용 SPD는 50/60Hz 교류에서 정격 1000V 이하 전원에 접속하는 기기를 보호하기 위해 시설한다.

비선형 소자는 전압이 낮을 때 고저항, 높을 때 저저항이 되는 소자로, 금속산화물 배리스터(MOV)와 가스방전관(GDT)이 대표적이다. 배리스터 방식은 응답이 빠르고 구조가 간단하며, 반복 서지에 따라 열화될 수 있어 열화 감시가 필요하다.

보호 수준(Up)은 SPD가 동작할 때 단자 사이에 나타나는 최대 전압이다. 이 값은 보호 대상 기기의 과전압 내성보다 낮아야 한다. 즉 Up가 기기의 내전압 이하로 유지되어야 기기가 보호된다.

최대 지속 운전전압(Uc)은 SPD가 동작을 시작하지 않고 계속 견딜 수 있는 교류 또는 직류 전압이다. 계통 정격전압과 접지방식에 따라 선택하며, Uc가 낮으면 평상 운전 중에도 SPD가 열화되거나 파손된다.

명목 방전전류(In)는 8/20μs 파형으로 SPD가 여러 번 방전할 수 있는 전류 피크값이다. 충격전류(Iimp)는 직격뢰 성분을 견디는 능력으로, 직격뢰 영향을 받는 위치에 쓰는 SPD(Type 1)의 핵심 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물에는 전자식 제어기기, 통신기기, 인버터 등 과전압에 약한 설비가 많아졌다. 외부 피뢰설비가 낙뢰를 막아도 도체를 따라 들어오는 뇌격전류와 유도된 서지는 전원선을 통해 내부로 들어온다.

뇌격전류는 피뢰 도체와 접지극을 따라 흐르면서 전위를 올리고, 인입 전원선·통신선에 과전압을 만든다. 이 과전압이 기기 절연을 넘으면 기기가 오동작하거나 파손되고, 심하면 화재로 이어진다.

제도적으로는 KS C IEC 60364-5-53 과 한국전기기술기준위원회 기술지침 KECG 9102 에 따라 낙뢰 등에 의한 과전압으로부터 전기설비를 보호하기 위해 SPD를 설치하도록 되어 있다. 전기설비기술기준 판단기준의 통합접지 조항도 이 설치를 요구한다.

국제 기준은 IEC 61643-11 이 저압 전원 계통에 연결되는 SPD의 요구사항과 시험 방법을 정하고 있다. 이 기준은 기존 IEC 61643-1 을 대체한다. 번개보호 구역(LPZ) 개념은 IEC 62305-4 에서 나오며, 구역 경계마다 단계적으로 SPD를 두어 서지 에너지를 줄이는 것이 원리다.

따라서 저압 SPD 선정은 단순히 장치를 고르는 일이 아니라, 계통 조건과 보호 구역, 기기 내성을 함께 맞추는 설계 행위로 보아야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

저압 SPD는 비선형 소자를 내장한 장치다. 평상시에는 고저항 상태로 있다가 과도 과전압이 걸리면 저저항으로 전환되어 서지 전류를 접지 쪽으로 분류한다. 서지가 사라지면 다시 고저항 상태로 돌아온다. 이 동작으로 부하 측 전압을 설비가 견딜 수 있는 수준으로 낮춘다.

주요 구성요소는 아래 표와 같다.

소자는 전압과 전류 파형에 따라 동작 특성이 달라진다. 이 때문에 SPD는 설치 위치에서 받을 수 있는 서지의 크기를 기준으로 Type 1, Type 2, Type 3으로 나눠 선정한다. 직격뢰가 인입되는 구간에는 충격 전류를 견디는 Type 1이 필요하다. 간접 뇌서지가 주로 들어오는 분전반 구간에는 8/20 μs 파형의 방전 능력을 기준으로 하는 Type 2가 쓰인다. 기기 근처에서는 Type 3를 보조로 쓴다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 계통 접지방식(TN, TT, IT)과 공칭 상전압 U_0를 확인한다.
• 최대 지속 작동전압 U_c를 정한다. TN 계통에서는 U_c \ge 1.1\,U_0 이상으로 잡는다. 이 값은 SPD가 연속으로 견뎌야 하는 전압이다.
• 전압 보호수준 U_p를 정한다. U_p는 보호 대상 기기의 임펄스 내전압보다 낮아야 한다.
• 설치 위치의 LPZ 경계와 뇌 영향에 따라 Type 1, Type 2, Type 3를 정하고 방전 전류 값을 정한다.
• 백업 차단기와 협조를 검토한다. 설치점의 예상 단락전류보다 SPD 차단 능력이 커야 한다.
• 설치 후 상태 표시와 정기 점검 계획을 세운다.

SPD 선정은 계통 전압, 보호수준, 방전 능력, 백업 보호의 네 조건을 모두 맞추는 것이다. 위 절차를 흐름으로 나타내면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

저압 SPD의 설치 근거는 전기설비 기준이다. 구 「전기설비기술기준의 판단기준」 제18조 제7항은 통합접지 공사를 할 때 낙뢰 등에 의한 과전압으로부터 전기설비를 보호하기 위해 SPD를 설치하도록 규정했다. 이 판단기준은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)으로 대체되었다. 현행 설치 기준은 KS C IEC 60364-5-53의 534 및 한국전기기술기준위원회 기술지침 KECG 9102-2011을 따른다.

제품 시험과 성능 기준은 IEC 61643-11이 정한다. 이 표준은 IEC 61643-1을 대체하며, 저압 전력계통에 연결되는 SPD의 요구사항과 시험 방법을 규정한다. 태양광 직류 측 SPD는 IEC 61643-31이 별도로 다루므로 교류 저압 계통에는 적용되지 않는다. 뇌 영역 구분은 IEC 62305-4의 LPZ 개념을 따른다. 기준 값은 다음 표와 같다.

표의 값은 설치 조건에 따라 달라진다. 설계자는 계통 조건과 보호 대상을 먼저 정한 뒤 표의 값을 대입한다. 핵심 기준은 U_c와 U_p의 관계, 그리고 백업 차단 능력이다. 방전 전류 값은 뇌 위험도와 LPZ 구분에 따라 정한다.

주의: 정리된 본문은 위 소제목 4와 5만 포含한다

6. 유형과 비교

저압 SPD는 설치 위치와 시험 파형에 따라 Type 1, Type 2, Type 3으로 나눈다. 이 구분은 시험 파형과 방전 능력을 기준으로 한다. 답안에는 세 유형의 파형과 대표 전류값을 함께 적는다.