굴뚝 피뢰대책

왜 배우는가: 굴뚝은 높이 솟아 벼락을 맞기 쉽고, 맞았을 때 내부 계측·제어 설비까지 피해가 번진다. 실무에서는 외부피뢰와 내부피뢰를 함께 설계해야 하므로 이 개념을 정확히 알아야 한다. 시험에서는 외부피뢰 설계 기준과 내부 보호대책을 묶어 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제99회 3교시 6번, 제98회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

굴뚝 피뢰대책은 직격뢰를 수뢰부로 포착해 대지로 방전시키고, 내부 과전압과 불꽃방전을 막는 피뢰시스템 시설이다.

• 외부피뢰시스템
• 내부피뢰시스템
• 회전구체법
• 뇌등전위본딩
• LEMP
• LPZ
• 인하도선

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 굴뚝은 주변 구조물보다 높아서 벼락이 먼저 닿는 곳이다. 벼락이 떨어지면 굴뚝 본체의 손상보다 전류가 금속 부재와 배관을 타고 계측·제어 설비까지 흘러 고장을 내는 피해가 더 크다. 피뢰대책은 이 두 경로를 모두 막는 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 외부피뢰시스템은 수뢰부, 인하도선, 접지극으로 구성되어 뇌격전류를 구조물 밖의 대지로 안전하게 흘리는 설비다. 내부피뢰시스템은 뇌등전위본딩과 외부피뢰시스템의 전기적 절연으로 구성된 피뢰시스템의 일부다. 도전성 부분을 흐르는 뇌격전류로 내부에 위험한 불꽃방전이 생기지 않도록 한다.

수뢰부 위치는 회전구체법으로 정한다. 가상의 구가 굴뚝 주변을 굴러갈 때 닿는 부분은 벼락을 맞을 수 있고, 닿지 않는 부분은 보호 범위에 든다고 본다. 구의 반경은 보호레벨에 따라 달라진다. 보호레벨 I은 20m, II는 30m, III는 45m, IV는 60m이다. 굴뚝 상단이 구의 반경을 넘으면 상단 자체가 수뢰부 역할을 하므로 상단 부위에 수뢰도체를 우선 배치한다.

뇌격전류 크기도 보호레벨과 연결된다. 보호레벨 I의 첫 뇌격 최대 전류는 200kA로 보고, 레벨이 낮아질수록 설계 전류가 작아진다. 인하도선과 접지극은 이 전류를 분담해 대지로 흘려야 한다.

내부 보호는 LEMP와 LPZ로 설명한다. LEMP는 뇌전자계 임펄스로, 뇌방전 때 생기는 전자계가 전기·전자 설비에 유도 과전압을 만드는 현상이다. LPZ(뇌보호영역)는 전자기 환경의 세기에 따라 구조물 안을 구분한 영역이다. 외곽에서 내부로 갈수록 영역 번호가 커지고, 경계마다 서지보호장치와 등전위본딩을 둔다.

수뢰부는 회전구체법으로 정하고, 내부는 등전위본딩과 LPZ 경계 보호로 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

굴뚝은 공장과 발전소의 배출 설비로 점점 높아지고 있다. 배출가스를 처리하는 계측·제어 설비가 함께 늘면서 낙뢰에 민감한 전자 장비가 굴뚝 주변에 밀집하게 되었다. 과거에는 기계식 제어가 많아 벼락 피해가 설비 고장으로 그쳤다. 지금은 PLC와 통신 장치가 많아 서지에 의한 오동작이 운전 중단으로 이어진다.

벼락의 직접 영향도 여러 가지다. 기계적 손상, 고온의 플라즈마와 아크, 도체 과열에 따른 화재와 폭발이 생긴다. 저항성·유도성 결합으로 생기는 과전압과 접촉전압·보폭전압은 인체 상해를 일으킨다. 가연성 가스나 분진이 있는 환경에서는 불꽃방전 하나가 폭발로 이어질 수 있다. 이 때문에 굴뚝 피뢰는 수뢰부 설치만으로 끝나지 않는다.

도시화도 배경이다. 구조물 접지 사이의 간섭이 커지고 서지가 여러 경로로 들어온다. 굴뚝 하나의 접지만으로는 인근 설비를 보호하기 어렵다. 국제표준 KS C IEC 62305는 낙뢰를 확률적으로 보고, 내부 침입을 제한하는 것을 목적으로 구성되었다. 따라서 굴뚝 피뢰는 직격뢰 차단뿐 아니라 내부 침입을 제한하는 전체 체계로 접근해야 한다.

이상의 이유로 굴뚝 피뢰대책은 외부 수뢰·인하·접지와 내부 등전위·서지 보호를 한 설계로 묶어 시설하는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

굴뚝 피뢰대책은 외부피뢰시스템(수뢰부·인하도선·접지극)과 내부피뢰시스템(등전위본딩·서지보호)을 함께 설계하는 체계다. 외부피뢰시스템은 직격뢰 전류를 대지로 안전하게 흘리고, 내부피뢰시스템은 뇌전류와 LEMP로 인한 내부 불꽃방전과 과전압을 막는다.

외부피뢰시스템은 회전구체법으로 보호 범위를 정한다. 구체 반경은 보호등급에 따라 정하며, 굴뚝 높이와 피뢰 위험도를 함께 고려한다. 수뢰부 선정 방법은 KS C IEC 62305-3(외부피뢰시스템)의 기준을 따른다.

절차는 다음과 같다.

• 굴뚝의 높이·재질·주변 구조물과 보호등급을 정한다.
• 회전구체법으로 수뢰부의 위치와 높이를 정한다.
• 인하도선 수와 간격을 정하고 외벽 경로를 배치한다.
• 접지극 형식과 접지저항을 정하고 등전위본딩을 구성한다.
• 계측·제어 회로에 SPD를 선정하고 설치한다.
• 설치 후 접지저항과 본딩 연속성을 측정하고 기록한다.

인하도선과 접지극의 전류 분담은 다음 관계로 이해한다.

$I_{\text{접지}} = I_{\text{뇌}} \times \frac{1}{n}$

여기서 I_{\text{접지}}는 인하도선 한 가닥의 분담 전류(A), I_{\text{뇌}}는 뇌격전류(A), n은 병렬 인하도선 수다. 인하도선을 늘리면 각 도선의 전류가 줄어 측면 불꽃 위험이 낮아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

굴뚝 피뢰설비는 여러 기준이 함께 적용된다. 외부·내부 피뢰시스템은 KS C IEC 62305 시리즈를 따르고, 전기설비 관련 조항은 전기설비기술기준과 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 산업현장에서는 KOSHA-E-107이 피뢰설비의 일반 규정을 정리하고 있으며, 이 문서도 KS C IEC 62305를 인용한다.

굴뚝 피뢰는 KS C IEC 62305 Part3(외부피뢰시스템)과 Part4(내부피뢰·LEMP 보호)를 함께 적용한다.

기준 수치 요약은 다음과 같다.

Lightning Protection Level(LPL)은 보호등급을 뜻하며, 등급이 높을수록 회전구체 반경이 작아진다. 개정 연혁으로는 2022-12-01부터 화재안전기준이 NFPC·NFTC로 나뉘었고, 전기 분야는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되었다.