피뢰기 특성 용어

왜 배우는가: 피뢰기는 이상전압으로부터 변압기 등 기기의 절연을 보호하는 핵심 장치이며, 정격전압·제한전압·방전개시전압 등 특성 용어는 기기 선정과 절연협조의 기준이 되므로 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술에서 반복해 출제된다. 용어의 정의와 상호 관계를 정확히 알아야 답안을 정확히 쓸 수 있다.

출제 이력: 제113회 1교시 10번, 제90회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

피뢰기는 이상전압의 파고값을 낮추기 위해 에너지를 대지로 방전시키고, 방전 후 속류를 차단하여 절연을 회복시키는 보호장치이다.

• 피뢰기(Lightning Arrester)
• 정격전압(Rated Voltage)
• 제한전압(Discharge Voltage)
• 속류(Follow Current)
• 공칭방전전류(Nominal Discharge Current)
• 상용주파 방전개시전압(Power-frequency Spark-over Voltage)
• 충격 방전개시전압(Impulse Spark-over Voltage)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 피뢰기는 평상시에는 전류가 흐르지 않다가, 번개 등으로 전압이 높아지면 길을 열어 전기를 땅으로 빼내고, 전압이 정상으로 돌아오면 스스로 길을 닫는 스위치 같은 장치이다. 이 동작을 설명하는 특성 용어를 정확히 정의하는 것이 핵심이다.

정격전압은 피뢰기가 속류를 차단하고 그 상태로 견딜 수 있는 최고의 상용주파 전압(실효값)이다. 계통의 최고 전압을 기준으로 정하며, 피뢰기가 속류를 끊을 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 정격전압은 계통 전압과 접지 방식에 따라 결정되고, 그 값이 너무 낮으면 정상 운전 중 피뢰기가 계속 동작하여 파손될 수 있다.

제한전압은 피뢰기에 정격 방전전류가 흐를 때 피뢰기 단자 사이에 나타나는 최대 전압(파고값)이다. 이 전압이 보호 대상 기기의 충격절연강도보다 낮아야 기기가 보호된다. 즉 제한전압은 피뢰기가 기기에 걸리게 하는 최대 이상전압이다.

공칭방전전류는 피뢰기의 방전 성능을 구분하는 기준 전류의 크기로, 피뢰기가 견딜 수 있는 뇌서지 전류의 세기를 나타낸다. 피뢰기의 제한전압과 방전내량을 구분하는 데 쓰인다. 계통 중요도와 설치 위치에 따라 선정한다.

상용주파 방전개시전압은 상용주파 전압이 피뢰기 양단에 걸렸을 때 방전이 시작되는 전압(실효값)이다. 이 값은 정격전압보다 충분히 높아야 하며, 그렇지 않으면 정상 전압에서도 방전이 일어나 피뢰기가 열화된다.

충격 방전개시전압은 뇌임펄스와 같이 급준한 파형이 가해졌을 때 방전이 시작되는 전압(파고값)이다. 피뢰기가 번개 서지에 얼마나 빨리 응답하는지를 나타내며, 값이 낮을수록 기기 보호 성능이 좋다.

속류는 이상전압 방전이 끝난 뒤 계통 전압에 의해 방전 경로로 계속 흐르는 상용주파 전류이다. 피뢰기는 이 속류를 자연 소호시켜 차단해야 하며, 속류 차단이 되지 않으면 지락 사고로 발전한다.

3. 등장 배경과 필요성

송변전 설비는 넓은 지역에 걸쳐 있고 가공송전선로는 자연에 직접 노출되어, 낙뢰에 의한 이상전압과 개폐서지 등 다양한 과전압이 계통에 발생한다. 전력설비의 절연파괴와 섬락 사고 원인은 대부분 이러한 이상전압에 의한다. 이상전압은 발변전소 내부에서 생기기도 하지만 외부 선로를 따라 들어오는 경우가 많다.

초기 피뢰기는 직렬갭과 저항체를 조합한 밸브저항형이었으나, 속류 차단의 한계와 열화 문제로 개선이 필요했다. 이후 산화아연(ZnO) 특성요소를 사용한 갭레스형 피뢰기가 도입되어 직렬갭 없이도 비선형 저항 특성으로 속류를 억제하게 되었다. 이에 따라 정격전압, 제한전압, 방전개시전압 같은 용어의 의미가 명확히 정리되었다.

피뢰기 특성 용어를 이해하면 절연협조에서 기기의 충격절연강도와 피뢰기의 제한전압을 비교하여 보호 여유도를 판단할 수 있다. 이는 피뢰기 선정과 설치 위치 결정의 출발점이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

피뢰기(Lightning Arrester, LA)는 직렬갭과 특성요소를 기본 구성으로 한다. 이상전압이 들어오면 특성요소의 저항이 급격히 낮아져 방전전류를 대지로 흘리고, 전압이 정상으로 돌아오면 특성요소의 높은 저항으로 속류를 차단한다.

직렬갭의 목적은 평상시 상용전압에서 특성요소에 지속 전류가 흐르지 않도록 절연하는 데 있다. 이상전압이 갭의 충격방전개시전압을 넘으면 갭이 방전되고, 특성요소의 저항이 낮아져 서지 에너지를 대지로 흘린다. 이때 특성요소를 통과한 뒤의 단자 전압이 제한전압이다. 특성요소가 전류를 대지로 흘린 뒤 상용주파 전압이 다시 걸리면, 특성요소의 저항이 커지면서 갭이 소호하여 속류를 차단한다.

피뢰기는 방전 후 속류를 차단해 선로 절연을 회복시키는 장치다.

원리는 비선형 저항 특성에 있다. 저항값은 인가 전압과 전류에 따라 크게 달라진다. 큰 서지 전류에서는 저항이 낮아 제한전압이 낮아지고, 상용전압에서는 저항이 매우 높아 누설전류가 거의 흐르지 않는다.

동작 절차는 다음과 같다.

• 평상시: 직렬갭이 절연하여 특성요소에 상용전압이 가해지지 않는다.
• 이상전압 침입: 충격방전개시전압 초과 시 갭이 방전한다.
• 방전: 특성요소 저항이 낮아지고 서지 전류를 대지로 방류한다.
• 제한: 단자 전압이 제한전압 이하로 억제되어 기기를 보호한다.
• 속류 차단: 상용주파 전류가 영점을 지날 때 갭이 소호하여 회로가 복구된다.

전압-전류 관계는 다음 근사식으로 표현한다.

$I = \left(\frac{V}{C}\right)^{\alpha}$

여기서 I는 흐르는 전류(A), V는 특성요소 단자 전압(V), C는 특성요소 상수, \alpha는 비선형 지수다. 지수 \alpha가 클수록 전압 변화에 대해 전류가 급격히 변하므로 속류 억제 성능이 좋아진다.

여유도는 다음과 같이 정의한다.

$\text{여유도}(\%) = \frac{\text{충격절연강도} - \text{제한전압}}{\text{제한전압}} \times 100$

여기서 충격절연강도는 기기의 기준 충격 절연강도(kV), 제한전압은 피뢰기 제한전압(kV)이다. 여유도는 보호 여유를 나타내는 값으로, 기기의 절연을 피뢰기가 충분히 보호하는지 판단하는 기준이 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

피뢰기 관련 기준은 전기설비 기술기준과 한국전기설비규정(KEC)이 기본이다. 피뢰기의 시설 조건은 기술기준 제34조와 판단기준 제42조에 근거한다. 설치 조건은 기술기준 제10조와 판단기준 제35조에 있다. 뇌방전에 의한 과전압 대책은 기술기준 제6조의 2항에 규정되어 있다. 내부피뢰 시스템의 과전압 보호는 판단기준 제279조와 KS C IEC 60364-4-443을 인용한다.

피뢰기의 정격과 시험은 전력용 피뢰기 기준(KS C IEC 60099-4)을 따르는 것이 일반적이다. 직렬갭 없는 산화아연형 피뢰기는 특성요소만으로 구성되며, 시험 항목에 동작책무시험이 포함된다.

개정 연혁으로는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 전기설비 기술기준의 판단기준이 대체되었다. 피뢰기 시설 조항은 KEC 체계로 옮겨져 적용된다.

정격전압 계산식 정격전압 = αβ 을 기준으로 선정함

6. 유형과 비교

피뢰기는 구조와 소자에 따라 크게 갭형 피뢰기와 갭레스 피뢰기로 나눈다. 갭형은 직렬갭과 특성요소(저항체)를 함께 쓰고, 갭레스는 직렬갭 없이 산화아연(ZnO) 특성요소만 쓴다. 두 방식은 속류 차단 방법과 열화 특성에서 차이가 난다.