서지보호장치(SPD) 분류 및 접지방식

왜 배우는가: 서지보호장치(SPD)는 저압 설비에서 낙뢰·개폐서지로부터 전자기기를 보호하는 기본 설비다. 동작 기능(전압제한형·전압스위칭형)에 따른 분류와 접지방식(개별·1점)은 설계와 감전·노이즈 대책의 기초이므로 실무와 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제138회 4교시 4번, 제133회 3교시 1번, 제125회 2교시 1번, 제113회 4교시 6번, 제94회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

서지보호장치(SPD)는 과도 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하기 위해 비선형소자를 내장한 장치다.

• 서지보호장치(SPD)
• 전압제한형 SPD
• 전압스위칭형 SPD
• 외부분리기
• 1점 접지
• 개별 접지
• 임펄스 전류
• 공칭방전전류

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 SPD는 평소에는 전기를 거의 통과시키지 않다가, 과전압이 걸리는 순간만 전류를 대지로 빼 주는 안전밸브다. 낙뢰나 전력계통의 개폐 작업으로 생긴 짧고 큰 전압 상승(서지)을 기기 입구에서 잘라 준다.

정식 정의는 다음과 같다. SPD는 과도적인 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하는 것을 목적으로 하는 장치이다. 전원용 SPD는 50/60Hz 교류 정격 1000V 이하 전원에 접속하는 기기를 보호하기 위해 시설하며, 1개 이상의 비선형소자를 내장한다.

전압제한형 소자는 전압이 올라가면 임피던스가 변해 과도전압을 클램핑하는 소자다. 금속산화물 바리스터(MOV)가 대표적이다. 전압스위칭형 소자는 임계전압을 넘으면 '켜져서' 임피던스가 갑자기 낮아지는 소자다. 방전갭(스파크갭)이 대표적이다. 최근 제품은 두 방식을 함께 써서 각각의 약점을 줄인다.

동작 기능에 따른 분류는 이 두 소자의 조합으로 이해하면 된다. 전압제한형은 연속적으로 전압을 깎아 내고, 전압스위칭형은 큰 서지 에너지를 한 번에 대지로 보낸다. 구체 등급(Type 1·2·3)은 시험 파형과 방전능력으로 나뉜다.

외부분리기는 SPD 내부 소자가 수명을 다하거나 고장나 단락 상태가 되었을 때 SPD를 전원에서 분리하는 장치다. 전원 측 과전류 차단기와 달리 SPD 자체의 열 손상과 화재를 막는 것이 목적이다.

3. 등장 배경과 필요성

저압 설비에 SPD가 필요해진 이유는 전자기기의 반도체화다. 반도체 회로는 수 kV 이하의 짧은 과전압에도 쉽게 손상된다. 낙뢰가 직접 또는 유도로 배전선에 들어오면 서지 에너지는 건물 내부 배선을 따라 기기까지 전파된다.

과거에는 피뢰기, 어레스터, 보안기 등 여러 이름으로 불렸다. 현재는 서지보호장치(SPD)로 통일해 부른다. 규격 체계도 정비되었다. 저압 배전계통용 SPD의 특성과 시험방법은 IEC 61643-1에서 정의된다. 국내에서는 KS C IEC 61643 계열 표준과 전기설비 관련 기준(KS C IEC 60364-5-53, KECG 9102)이 함께 적용된다.

1000V 이하 전원에 쓰는 전원용 SPD는 기기 보호 목적이 명확하다. 반면 통신용 SPD는 신호선의 전압·대역 특성에 맞춰 별도로 선정된다. 따라서 저압 전원계통 SPD와 통신용 SPD는 목적과 시험 기준이 다르므로 구분해서 설명해야 한다.

이와 함께 SPD는 건물 낙뢰보호 체계(LPZ 개념)와 연결된다. 외부에서 내부로 갈수록 서지 에너지를 단계적으로 줄이는 구조이며, SPD 설치 위치도 이 단계에 따라 정한다. 따라서 SPD는 단독 기기가 아니라 접지·등전위본딩과 함께 하나의 보호 체계로 설계된다.