과전압보호

왜 배우는가: 과전압보호는 낙뢰와 개폐 서지로부터 전기·전자설비를 지키는 기본 대책이며, 접지·등전위본딩·SPD 설치와 함께 묶여 기술사 시험에서 반복해서 출제된다. 실무에서는 KEC와 IEC 60364 계열 기준을 적용해 SPD 설치 위치와 보호 수준을 정하는 능력이 요구된다.

출제 이력: 제138회 3교시 4번, 제123회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

과전압보호는 낙뢰·개폐 서지 등 과도 과전압을 SPD 등으로 제한하고 서지전류를 대지로 분류하여 전기설비와 기기를 보호하는 대책이다.

• 핵심 키워드: 과전압보호, 서지보호장치(SPD), 낙뢰 보호 구역(LPZ), 통합접지, 등전위본딩, 뇌방전 과전압, 개폐 과전압, 보호도체 단면적

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 번개나 설비의 스위칭으로 생기는 순간적인 높은 전압이 전선을 타고 들어올 때 이를 낮은 전압으로 눌러 주고 남는 전류는 땅으로 흘려보내는 것이다. 이 역할을 하는 기기가 서지보호장치(SPD)다.

정식 정의는 과도적인 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하는 것을 목적으로 하는 장치다. 전원용 SPD는 50/60Hz 교류 정격 1000V 이하 전원에 접속하는 기기를 보호하며, 서지전압을 제한하고 서지전류를 분류하기 위해 1개 이상의 비선형소자를 내장한다. 과거에는 피뢰기, 어레스터, 보안기 등으로도 불렸다.

과전압은 발생 원인에 따라 나뉜다. 외부 과전압은 뇌방전 과전압이 대표적이고, 전력계통의 개폐나 작동에서 생기는 과전압도 여기에 든다. 내부 과전압은 전력전자 장치의 스위칭에서 발생한다. KEC 해설과 IEC 60364 계열 기준은 외부 원인의 과전압에 대한 SPD 설치를 중심으로 규정한다.

과전압보호의 핵심 원리는 세 가지다. 첫째, 전압을 기기가 견딜 수 있는 수준으로 제한한다. 둘째, 서지전류를 대지나 등전위 도체로 방전한다. 셋째, 설비 내부에 보호 구역을 나누어 단계적으로 감쇠시킨다. 세 번째 원리는 낙뢰 보호 구역(LPZ) 개념으로 설명한다.

SPD 정격 1000V 이하 전원 계통에서 SPD는 저압 기기의 보호를 담당하고, 고압 이상에서는 피뢰기가 주로 쓰인다. 이 구분을 답안에서 명확히 해야 감점을 피한다.

3. 등장 배경과 필요성

전자기기와 통신·제어 설비가 늘면서 기기의 절연 수준이 낮아졌다. 건축물이 고층화되고 내부 설비가 밀집하면서 설비 간 영향도 커졌다. 도시화로 구조물 사이의 접지 간섭과 서지 유입 피해가 늘어난 것도 배경이다.

낙뢰는 직접 낙뢰보다 유도 서지로 인한 피해가 많은 편이다. 전력선과 신호선을 따라 들어온 서지는 설비 입구에서 막지 않으면 내부 기기의 절연을 파괴한다. 그래서 설비 내부에 단계별 보호를 설치하는 것이 필요해졌다.

국내에서는 전기설비기술기준 판단기준에서 낙뢰 등에 의한 과전압으로부터 전기설비를 보호하기 위해 SPD를 설치하도록 규정하고 있다. 통합접지를 적용할 때도 이 규정을 따라야 하며, 현행 기준은 KEC와 KS C IEC 60364 계열이다. 국제적으로는 IEC 62305가 낙뢰 보호 구역 개념을 제시하여 설치 위치의 기준이 되고 있다.

통합접지 접지저항 10Ω 이하 기준은 통합접지 설계의 대표 수치로, 과전압보호와 함께 묶여 출제된다.

4. 구성요소·원리·절차

과전압보호는 뇌방전·개폐서지 등으로 생기는 과도 과전압이 설비와 사람에게 닿기 전에 줄이거나 대지로 빼내는 체계다. 구성은 피뢰시스템, 서지보호장치(SPD), 등전위본딩, 통합접지의 네 요소로 나뉜다. 각 요소는 역할이 다르므로 답안에서 구분해 쓴다.

외부 피뢰시스템은 직격뢰 전류를 안전하게 대지로 보내는 것이 목적이다. 설비의 과전압은 주로 내부 시스템과 SPD에서 제한한다. 두 체계는 서로 보완하는 관계다. 피뢰기는 고압·특고압 전로의 낙뢰 과전압과 작동 과전압을 제한하는 데 쓰인다. SPD는 저압 기기 보호에 쓰인다. 전압 등급과 설치 목적이 달라서 혼동하지 않는다.

낙뢰보호구역(LPZ)을 나누고 구역 경계마다 SPD를 단계적으로 설치하는 것이 과전압보호의 원리다.

보호 원리는 세 단계다. 첫째, 외부에서 들어오는 에너지를 줄인다. 둘째, 구역 경계에서 서지를 단계적으로 제한한다. 셋째, 기기 가까이에서 잔류 전압을 낮춘다. 각 단계의 SPD는 앞 단계에서 줄어든 서지를 받아 더 낮은 전압으로 제한한다. 이 단계 구조가 LPZ 0에서 LPZ 3까지의 흐름과 일치한다. 낙뢰 전류는 SPD를 거쳐 접지로 흘러가고, 기기 측에는 제한된 전압만 남는다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 건물의 낙뢰보호구역(LPZ)을 외부에서 내부로 구분한다.
• 구역 경계마다 요구되는 SPD의 등급과 방전전류 용량을 정한다.
• 인입부 SPD를 설치하고 분전반에 2차 SPD를 설치한다.
• 등전위본딩으로 금속부와 SPD 접지단자를 하나의 기준전위에 묶는다.
• 통합접지 저항을 측정하고 SPD 접지선의 길이와 굵기를 확인한다.
• 준공 후 SPD 상태표시와 점검 주기를 관리한다.

과전압 제한 성능은 SPD의 보호전압 수준(Up)과 공칭방전전류(In)로 나타낸다. 잔류 전압은 다음 식으로 대략 본다.

$U_{res} \approx U_p + \Delta U$

여기서 U_{res}는 기기 단자의 잔류 전압(V), U_p는 SPD 보호전압 수준(V), \Delta U는 SPD 접지선과 연결도체의 유도 전압 강하(V)다. 접지선이 길면 \Delta U가 커져 보호 효과가 떨어진다. 그래서 접지선은 짧게 시설한다.

접지선 길이를 최소로

5. 관련 법령·기준·표준

과전압보호의 기준은 국내 법령과 KS C IEC 규격의 두 축으로 이루어진다. 국내 법령은 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)이다. 규격은 KS C IEC 60364 계열(저압 전기설비), KS C IEC 62305 계열(피뢰시스템)이다. 2021-01-01부터 KEC가 시행됐고, 옛 판단기준은 대체됐다. 소방 설비 분야의 SPD 기준과는 적용 범위가 다르므로 구분해 쓴다.

통합접지와 관련해서는 기준 수치를 함께 본다. 통합접지시스템의 접지저항은 10Ω 이하로 시설한다. 이 값은 특별고압측 1선 지락 사고 시 저압측 접촉전압을 허용값 이하로 낮추기 위한 요건이다. 보호도체 최소 단면적은 계산식 또는 KS C IEC 60364-5-54 표로 정하며, 둘 중 하나를 선택한다.

개정 연혁은 다음과 같다. 전기설비기술기준 판단기준 제18조 제7항이 통합접지와 SPD 설치를 규정하고 있었다. 2021-01-01부터 KEC가 이를 대신한다. 건축 피뢰설비는 KS C IEC 62305 체계로 이관됐다. 이 연혁을 답안에 쓸 때는 구 판단기준과 현행 KEC의 대응 관계를 한 문장으로 밝힌다.

6. 유형과 비교

과전압보호는 과전압의 원인과 보호 위치에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 먼저 과전압의 발생원인으로 나누면 외부 과전압(낙뢰 과전압, 작동 과전압)과 내부 과전압(턴 오프 과전압, 정류 과전압)이 있다. 전력 계통 측 과전압은 낙뢰와 개폐 서지가 주된 원인이고, 전력전자기기 내부 과전압은 스위칭 과정의 인덕턴스 에너지 방출에서 생긴다.