뇌전압·뇌전류 표준파형

왜 배우는가: 뇌전압과 뇌전류의 표준 충격파형은 절연설계, 피뢰기 협조, 기기 시험의 공통 기준이다. 실무에서 기기 절연내력과 보호장치 성능을 같은 조건으로 비교하기 위해 쓰이며, 시험 문제에서 파형을 그리고 파두장·파미장·파두준도를 설명하는 형태로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제120회 1교시 4번, 제102회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

표준 충격파형은 파두장과 파미장으로 정한 뇌전압·뇌전류의 기준 파형이다. 답안 첫 줄과 함께 다음 키워드를 익힌다.

• 표준 충격파형: 시험에 쓰도록 모양과 시간 값을 정해 둔 충격 파형
• 뇌전압: 뇌격이나 유도에 의해 선로와 기기에 나타나는 과도 전압
• 뇌전류: 낙뢰 채널을 흐르는 충격 전류
• 파두장: 파형이 파고값에 도달할 때까지 걸리는 시간
• 파미장: 파고값의 절반으로 떨어질 때까지 걸리는 시간
• 파두준도: 파두부에서 전압이 상승하는 빠르기
• 1.2/50μs: 전압 표준 충격파의 파두장과 파미장 표기
• 10/350μs: 직격뢰 전류 표준 파형의 표기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 번개가 치면 전압이 아주 짧은 시간에 치솟았다가 천천히 줄어든다. 이 모양이 매번 달라지면 장비끼리 비교할 수 없으므로 같은 기준 파형으로 재현해 시험한다.

정식 정의는 다음과 같다. 표준 충격파형은 IEC 60060-1 등 고전압 시험 규격이 정한 기준 파형으로, 최대값인 파고값과 파두장·파미장의 두 시간으로 모양을 나타낸다. 전압 충격파는 두 시간을 조합해 표기하며, 앞 숫자가 파두장, 뒤 숫자가 파미장이다.

핵심 용어는 다음과 같이 푼다.

• 파두장(Front time, T1): 파형의 30%점과 90%점 사이 시간차를 구해 1.67을 곱한 값이며, 가상 원점 O를 기준으로 한다. 이 값이 파형이 파고값에 도달하는 데 걸리는 시간이다.
• 파미장(Tail time, T2): 가상 원점 O에서 파미가 파고값의 50%로 떨어질 때까지 걸리는 시간이다.
• 가상 원점(O): 파두부 30%점과 90%점을 잇는 직선을 기준선(0)까지 연장해 만나는 점이다.
• 파두준도(Front steepness, S): 파고값을 파두장으로 나눈 값이며, 절연에 가해지는 시간당 전압 상승률을 뜻한다.

$S = V_{peak} / T_1$

여기서 V_{peak}는 파고값[kV], T_1은 파두장[μs]이며, 단위는 kV/μs이다. 예를 들어 1.2/50μs 전압파의 파고값이 100kV이면 S = 100\,kV / 1.2\,μs ≈ 83\,kV/μs이다. 같은 파고값이라도 파두장이 짧을수록 파두준도가 커져 절연과 피뢰기 동작에 불리해진다.

표준 파형의 허용차는 다음과 같다. 전압 파형은 파두장 1.2μs ±30%, 파미장 50μs ±20%이고, 파고값의 허용차는 ±3%이다. 전류 파형은 유도뢰용 8/20μs와 직격뢰용 10/350μs로 나뉘며, 각각 서지 보호기 시험과 직격뢰 에너지 시험에 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

낙뢰 전압은 발생 조건마다 크기와 모양이 달라 그대로 비교할 수 없다. 많은 측정 자료를 모은 뒤 대표 파형을 정했고, 그 결과가 고전압 시험의 표준 파형으로 굳어졌다. 1.2/50μs 파형은 오랜 시험 이력이 있어 IEC 61000-4-5 같은 전자기 적합성 시험 규격에도 그대로 쓰인다.

기준 파형이 필요한 이유는 절연협조 때문이다. 기기의 절연내력이 피뢰기의 제한전압보다 높아야 사고를 막을 수 있는데, 이 비교는 같은 파형에서만 의미가 있다. 기준 파형이 있어야 기기 절연과 보호장치의 협조를 정량으로 검증할 수 있다.

직격뢰와 유도뢰는 에너지 성격이 다르므로 파형도 다르게 정했다. 직격뢰 전류는 크기와 전하량이 커서 열적·기계적 충격을 주므로 10/350μs 파형으로 나타낸다. 유도뢰 전류는 주로 피뢰기와 서지 보호기의 동작을 확인하므로 8/20μs 파형을 쓴다. 두 파형 모두 IEC와 IEEE가 함께 표준으로 정했다.

전압 파형의 파두준도는 기기 절연의 부담을 판단하는 기준이 된다. 파두장이 짧은 파형은 같은 파고값에서도 절연 설계에 더 가혹하므로, 시험 파형을 정확히 재현해야 설계 여유를 올바로 평가할 수 있다. 이것이 표준 충격파형을 파두장·파미장·파두준도로 정의하는 배경이다.

4. 구성요소·원리·절차

뇌전압 표준 충격파는 충격전압 발생기, 파형 조정 회로, 시험품으로 구성된다. 발생기는 마르크스 회로(Marx generator) 방식이 널리 쓰인다. 여러 개의 커패시터를 병렬로 충전한 뒤 스위치로 직렬 연결해 방전시키면 수백 kV 이상의 충격 전압을 얻을 수 있다.

파형은 발생기 내부의 저항과 커패시터 값으로 결정된다. 전압 상승은 방전 회로의 인덕턴스와 커패시턴스가 정하고, 전압 감쇠는 저항이 정한다. 따라서 파두 저항을 키우면 파두장이 길어지고, 파미 저항을 키우면 파미장이 길어진다. 실제 파형은 두 지수함수의 차로 근사하여 설명한다.

$V(t)=V_0\,(e^{-t/\tau_2}-e^{-t/\tau_1})$

V_0는 파고값(V), \tau_1은 파두 시정수(μs), \tau_2는 파미 시정수(μs)다. 파두장은 파고값의 30%와 90%를 지나는 두 점 사이 시간 T로 정하고, 이를 이용해 T_1 = 1.67 \times T로 구한다. 파미장은 파고값의 50%로 떨어지는 시간으로 정한다.

파두장은 30%와 90% 점 사이 시간의 1.67배로 정한다

구성요소별 역할은 다음과 같다.

파두저항과 파미저항은 서로 영향을 주므로 한쪽을 바꾸면 다른 쪽도 다시 맞춰야 한다. 부하 커패시터는 시험품의 정전 용량에 따라 달라지므로 시험 전 실제 부하 기준으로 파형을 재확인한다.

파형 조정 절차는 다음과 같다.

• 충전 전압을 설정하고 커패시터 열을 병렬로 충전한다.
• 스위치를 닫아 커패시터를 직렬로 연결하고 방전시킨다.
• 파두저항과 파미저항을 조절해 파두장과 파미장을 맞춘다.
• 시험품에 충격 전압을 인가한다.
• 오실로그램으로 파형을 판독하고, 허용 오차를 벗어나면 3번으로 돌아가 재조정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

뇌전압 표준 충격파의 정의는 IEC 60060-1(고전압 시험 기법)에 있다. 뇌임펄스 전압은 1.2/50 μs 파형을 쓰며, 파두장은 1.2 μs ±30%, 파미장은 50 μs ±20%, 파고 허용 오차는 ±3% 이다. 개폐임펄스 전압은 250/2500 μs 파형을 쓴다. 이 파형은 전력 설비 절연 성능을 평가하는 목적으로 쓰이며, 통전 중인 기기의 내성을 평가하는 시험이 아니다.

서지 내성 시험에서 쓰는 조합파는 IEC 61000-4-5가 정의한다. 이 규격의 전압 파형은 원래 IEC 60060-1을 바탕으로 만들어졌다. 전압은 1.2/50 μs, 전류는 8/20 μs이며, 두 파형을 합친 것을 조합파라 한다. 유도뢰에 의한 서지 전류는 8/20 μs로 모의한다.

직격뢰 전류 파형은 10/350 μs이며, 피뢰 시스템 설계 규격인 IEC 62305 계열에서 다룬다. 이 파형은 낙뢰 전류의 열적·기계적 스트레스를 나타내기 위한 것이다. 실제 낙뢰 전류는 정해진 파형이 없으므로 측정 통계를 바탕으로 한 근사 파형이다.

표에서 뇌임펄스 전압과 직격뢰 전류는 목적이 다르다. 전자는 절연 내력을 보고, 후자는 피뢰 설비와 도체가 받는 에너지를 본다. 두 파형을 혼동하면 설계 기준이 달라지므로 적용 대상을 먼저 구분해야 한다.

국내 기기 시험은 IEC 규격을 기반으로 한 KS 규격을 따른다. 전력 설비 설계에서는 한국전기설비규정(KEC)의 절연 협조와 피뢰 관련 규정을 함께 본다. 파형 규격은 IEC 쪽에서 먼저 정해졌고, 국내 규격은 이를 준용하는 구조다.