피뢰시스템 자연적 구성부재

왜 배우는가: 피뢰시스템에서 건축물의 철근콘크리트, 금속 구조물 등 자연적 구성부재를 수뢰부·인하도선·접지극으로 활용할 수 있는지는 설계와 시공 비용, 안전 성능을 함께 좌우한다. 기술사 시험에서도 KS C IEC 62305 기준의 사용 조건을 묻는 문제가 반복해서 출제되므로 개념과 조건을 정확히 정리해야 한다.

출제 이력: 제130회 2교시 4번, 제112회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자연적 구성부재는 건축물에 원래 설치된 금속·철근 등을 별도 피뢰 부품 없이 피뢰시스템의 수뢰부, 인하도선, 접지극으로 사용하는 것이다.

• 자연적 구성부재(natural components)
• 수뢰부(air-termination system)
• 인하도선(down-conductor system)
• 접지극(earth-termination system)
• 철근콘크리트(reinforced concrete)
• 전기적 연속성(electrical continuity)
• KS C IEC 62305
• 내부 피뢰시스템(internal lightning protection system)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 건물을 지을 때 이미 들어가 있는 철골, 철근, 금속 지붕, 금속 외벽 같은 것을 피뢰설비의 일부로 함께 쓰는 방법이다. 별도의 돌침이나 인하선을 덜 설치해도 되므로 경제적이다.

정식 정의는 KS C IEC 62305 계열 표준에서 외부 피뢰시스템의 구성요소 중 구조물에 본래 존재하는 도전성 부분을 피뢰시스템의 구성 부재로 사용하는 것을 말한다. 이때 자연적 구성부재는 뇌격전류를 안전하게 운반하고 대지로 방류할 수 있어야 하며, 기계적·열적 손상이 없어야 한다.

자연적 수뢰부는 지붕 금속판, 금속 난간, 환기 설비 같이 건물 상부에 있는 금속 부분이다. 자연적 인하도선은 철골 기둥, 철근 기둥, 금속 외벽 패널처럼 지상과 상부를 연결하는 도체이다. 자연적 접지극은 기초 철근, 기초 매입 금속, 지중에 묻힌 금속체처럼 대지와 접촉하는 도체이다.

핵심 원리는 뇌격전류가 흐를 때 경로의 저항과 임피던스가 작고, 전류 흐름에 따른 과열과 기계적 힘에 견딜 수 있어야 한다는 점이다. 따라서 단면적, 재질, 연속성, 접속 방법을 함께 검토해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

고층 건축물과 철골·철근콘크리트 구조물이 많아지면서 건물 자체가 도전성 경로를 많이 가지게 되었다. 이를 피뢰에 활용하면 별도의 외부 인하도선과 접지극을 줄일 수 있어 공사비와 미관 문제를 함께 해결할 수 있다.

한편 자연적 구성부재는 건축 공정에서 만들어지므로 설계자가 임의로 쓸 수 있는 것이 아니다. 구조체의 연속성이 확보되지 않거나 철근 접속이 불량하면 뇌격전류가 집중되어 콘크리트 균열, 박리, 화재 위험이 생길 수 있다. 그래서 표준은 사용 조건을 엄격히 정하고 있다.

또 건물 내부 전기·통신 설비가 증가하면서 등전위본딩과 내부 피뢰시스템의 중요성이 커졌다. 자연적 구성부재를 활용하면 건축 구조체와 설비 접지가 하나의 등전위 계통으로 묶여 서지 영향을 줄이는 데 도움이 된다.

철근콘크리트 구조물의 철근은 KS C IEC 62305 조건을 만족할 때 피뢰 부재로 사용

4. 구성요소·원리·절차

자연적 구성부재(Natural Components)는 피뢰 목적으로 따로 설치하지 않았지만 건축물의 금속 부재가 피뢰시스템의 수뢰부, 인하도선, 접지극 기능을 대신하는 것을 말한다. 구성요소는 세 가지다. 금속 지붕·옥상 금속 구조물 같은 자연적 수뢰부, 철골 기둥과 연결된 철근 같은 자연적 인하도선, 기초 콘크리트 속 철근과 기초접지극 같은 자연적 접지극이다.

수뢰부 표는 부재의 재질과 두께가 낙뢰전류로 인한 관통이나 과열을 견디는지 판단하는 기준이다. 인하도선 표는 낙뢰전류가 흐르는 경로가 끊기지 않고 여러 갈래로 확보되는지를 본다. 접지극 표는 낙뢰전류를 대지로 분산시키는 면적과 접촉 상태를 본다.

원리는 낙뢰전류를 저임피던스 경로로 대지에 흘려보내는 데 있다. 자연 부재가 연속으로 연결되어 있으면 전류가 구조체 전체로 분산되어 측면 섬락과 접촉·보폭 전압이 줄어든다. 따라서 자연 부재는 부재 하나의 크기보다 연속성과 다중 경로가 채택의 핵심이다. 접합부는 용접, 클램프, 본딩 도체로 저저항 접속을 확보해야 한다.

자연 부재를 피뢰시스템에 사용하는 절차는 다음과 같다.

• 건축물의 금속 지붕, 외벽, 철골, 철근의 배치를 도면과 현장에서 조사한다.
• 수뢰부 후보 부재의 재질과 두께가 관통·과열 조건을 만족하는지 판정한다.
• 인하도선 경로를 복수로 확보하고 접합부를 본딩하여 전기적 연속성을 확인한다.
• 기초 철근의 연결 상태와 대지 접촉을 확인해 자연접지극으로 인정한다.
• 자연 부재만으로 기준을 만족하지 않으면 인공 부재를 추가로 설치한다.

자연 부재는 전기적 연속성과 대지 접촉이 확보되면 피뢰시스템 부재로 쓸 수 있다.

가장 흔한 실수는 철근이 콘크리트 속에 있다는 이유로 연속성을 확인하지 않는 것이다. 철근 이음이 결속선으로만 되어 있으면 접촉저항이 커져 인하 기능이 떨어진다.

5. 관련 법령·기준·표준

자연적 구성부재의 사용 조건은 KS C IEC 62305 시리즈 중 외부 피뢰시스템 부분에 규정되어 있다. 국내에서는 산업안전보건공단의 KOSHA-E-107이 이 표준을 인용해 피뢰설비를 설명한다. 법령 측면에서는 「전기설비 기술기준」 제6조의2가 뇌방전으로 인한 과전압에 대비해 피뢰설비를 시설하도록 정하고 있다. 기준값은 아래 표로 정리한다.

표의 값은 자연 부재를 피뢰 부재로 인정하는 최소 조건이다. 두께 기준은 재질과 방식 조건에 따라 달라지므로 적용 조건을 함께 기억해야 한다. 기준 표준 번호는 시리즈 중 외부 피뢰시스템 부분을 가리킨다.

개정 연혁: KS C IEC 62305는 국제표준 IEC 62305 시리즈를 국내에 도입한 것이다. 기존 국내 규정은 국제표준을 인용하는 방식으로 연결되어 있으며, 내부 피뢰시스템 부분은 판단기준의 과전압 보호 규정과 함께 적용된다.

6. 유형과 비교

자연적 구성부재는 건축구조물 안에 원래 있던 금속 부재를 피뢰시스템의 일부로 쓰는 방식이다. 철근콘크리트 구조물에서는 구조체 철근, 금속 지붕·외벽 패널, 금속 난간, 금속 덕트, 금속 파이프 등이 대상이 된다. 이 부재들을 별도 설치 없이 수뢰부·인하도선·접지극으로 쓰면 시공비와 외관 영향을 줄일 수 있다.

자연적 구성부재는 기능별로 세 가지로 나눠 본다. 수뢰부로 쓰는 것, 인하도선으로 쓰는 것, 접지극으로 쓰는 것이다. 같은 부재라도 기능마다 요건이 다르므로 표로 구분해 정리한다.