피뢰기 설치거리

왜 배우는가: 피뢰기 설치거리는 뇌서지와 개폐서지가 기기 절연을 넘지 않도록 하는 기본 설계 기준이다. 기술사 시험에서 피뢰기를 기기에 근접 설치해야 하는 이유를 식과 함께 묻는 문제가 반복해서 출제되므로 원리와 계산을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제133회 1교시 11번, 제108회 3교시 1번, 제101회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

피뢰기 설치거리는 보호 기기 단자에 걸리는 서지 전압이 기기 절연 여유 안에 들도록 정한 피뢰기와 기기 사이의 최대 거리다.

• 피뢰기
• 제한전압
• 서지 기울기
• 진행파
• 보호여유
• 이격거리
• 절연협조

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 피뢰기는 들어온 서지를 대지로 흘려 전압을 일정 값 이하로 묶는 장치다. 번개나 개폐 서지는 선로를 따라 진행파로 들어온다. 피뢰기 단자에서 낮아진 전압은 그대로 기기까지 전달되지 않는다. 피뢰기와 기기 사이에 연결 도체가 있으면 그 구간을 달리는 동안 전압이 다시 올라간다.

정식으로는 설치거리를 피뢰기 단자 전압과 보호 대상 기기 단자 전압의 차이가 기기 보호여유 안에 들도록 정한 최대 이격 거리라고 한다. 제한전압은 피뢰기가 방전 중일 때 단자에 남는 최대 전압이다. 보호여유는 기기의 충격내전압과 제한전압의 차이로 정한다.

원리는 다음 식으로 정리한다. 피뢰기와 기기가 거리 L만큼 떨어져 있으면 서지는 기기 끝에서 반사되어 왕복 구간만큼 전압이 더해진다. 기기 단자 전압은 다음과 같다.

$V_t \approx V_p + \frac{2L}{v}\cdot\frac{dV}{dt}$

여기서 V_t는 기기 단자 전압(kV), V_p는 피뢰기 제한전압(kV), L은 피뢰기와 기기 사이 거리(m), v는 서지의 전파속도(약 300m/μs), dV/dt는 서지 전압 기울기(kV/μs)다. 식에서 L이 작을수록 V_t가 V_p에 가까워진다. 서지 기울기가 완만할수록 추가 상승분도 작아진다. 따라서 피뢰기는 보호 기기에 가능한 한 가깝게 설치한다.

선로의 파동 임피던스가 바뀌는 접속점에서는 투과파 전압이 달라진다. 투과파 전압은 입사파 전압에 투과계수를 곱해 구하며, 피뢰기를 접속점에 두면 전압 억제 효과가 나타난다. 이 내용은 진행파 반사·투과 계산에서 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

가공송전선로는 옥외에 노출되어 직격뢰와 유도뢰를 받는다. 송배전 계통에서는 차단기 개폐 때도 서지가 발생한다. 이런 서지는 수 μs 안에 수백 kV에 이를 수 있다. 서지가 변전소 내부 기기까지 도달하면 변압기나 차단기의 절연이 파괴될 수 있다.

초기 피뢰기는 갭 방식이었으나 이후 산화아연 소자를 쓴 갭레스 피뢰기가 보급되었다. 갭레스 피뢰기는 제한전압이 낮고 응답이 빠르다. 그러나 제한전압은 피뢰기 자체의 특성이므로 기기까지의 거리에서 생기는 상승분은 설치 위치로 줄여야 한다. 이 때문에 설치거리 기준이 별도로 필요하다.

절연 설계 측면에서는 피뢰기 제한전압을 기준으로 기기 절연 수준을 정한다. 이것이 절연협조의 기본 개념이다. 설치거리가 길어지면 보호여유가 줄어 절연협조가 깨진다. 따라서 설치거리는 계통의 절연 레벨과 함께 결정되는 설계 요소다.

전자설비처럼 내압이 낮은 기기가 늘면서 서지 보호의 중요성도 커졌다. 피뢰기는 회로의 시작 지점에서 큰 서지를 처리하고, 말단의 세밀한 보호는 별도 서지보호장치가 맡는 방식으로 구성한다. 설치거리 기준은 이런 다단 보호 구성에서도 출발점이 된다.

정리하면 설치거리는 서지 기울기, 제한전압, 기기 절연 수준의 세 값이 맞물려 정해진다. 시험 답안에서는 이 세 값과 식을 함께 제시하면 근접 설치의 이유를 가장 명확하게 설명할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

피뢰기는 전력용 피뢰기(Surge Arrester, LA)로서 전선과 대지 사이에 연결되어 뇌서지나 개폐서지가 들어오면 이를 대지로 빼내고, 동작 후에는 계속 전류가 흐르지 않도록 차단하는 장치다. 핵심 구성은 직렬갭과 특성요소(산화아연 소자)다.

원리는 다음과 같다. 정상 운전전압에서는 소자의 저항이 매우 커서 전류가 거의 흐르지 않는다. 과전압이 걸리면 소자 저항이 급감하여 서지전류를 대지로 흘리고, 단자 전압을 제한전압 이하로 낮춘다. 서지가 지나간 뒤에는 저항이 다시 커져 속류(Follow current)를 차단한다. 따라서 피뢰기의 핵심 성능은 제한전압과 속류 차단 능력이다.

피뢰기 설치거리는 피뢰기 제한전압에 서지 상승률과 선로 도달 시간에 의한 전압 상승분을 더한 값이 피보호기기의 절연내력 이하가 되도록 정한다.

피뢰기 동작 절차는 다음과 같다.

• 뇌서지 또는 개폐서지가 선로에 침입하여 전압이 상승한다.
• 전압이 피뢰기 방전개시전압에 도달하면 직렬갭이 방전하거나 소자가 도통한다.
• 서지전류가 접지극을 통해 대지로 방출되고, 단자 전압은 제한전압 이하로 억제된다.
• 서지 종료 후 소자 저항이 커지며 속류를 차단하고 원래 상태로 복귀한다.

설치거리 계산의 기본식은 다음과 같다.

$E_{d} = V_{p} + 2L\frac{dv}{dt}$

여기서 E_{d}는 피보호기기 단자에 걸리는 전압(kV), V_{p}는 피뢰기 제한전압(kV), L은 피뢰기와 피보호기기 사이 리드선 길이(m), dv/dt는 서지 전압 상승률(kV/μs)이다. 리드선에 의한 전압 상승분은 왕복 전파를 고려하여 2L\frac{dv}{dt}로 본다. 한 설치거리는 이 값이 기기 기준충격절연강도(BIL) 이하가 되도록 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

피뢰기의 설치와 기준은 전기설비기술기준 계열의 한국전기설비규정(KEC)과 한국전력 설계기준, 그리고 IEC 60099 계열 피뢰기 규격을 따른다. 설치거리 계산에 쓰는 기준값은 다음과 같다. 법령 조문 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

개정 연혁으로는 전기설비기술기준의 판단기준이 한국전기설비규정(KEC)으로 대체되어 2021-01-01부터 적용된다. 설치거리 계산식과 판정 원칙 자체는 기존 기준과 같다.