피뢰기 설치·정격전압

왜 배우는가: 피뢰기는 낙뢰와 개폐서지로부터 변압기·차단기 같은 전력기기의 절연을 지키는 핵심 보호장치다. 배전·변전 설계와 보수에서 설치 위치, 정격전압 선정이 매번 실무 판단으로 이어지므로 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제122회 3교시 6번, 제118회 1교시 6번, 제111회 2교시 6번, 제110회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 피뢰기는 이상전압을 대지로 방전시켜 기기 절연을 보호하고, 속류를 차단해 계통을 정상 상태로 되돌리는 장치이다.

핵심 키워드

• 피뢰기(避雷器, Lightning Arrester, LA)
• 이상전압(異常電壓, Abnormal Voltage)
• 제한전압(制限電壓, Discharge Voltage)
• 속류차단(續流遮斷, Follow Current Interruption)
• 정격전압(定格電壓, Rated Voltage)
• 방전내량(放電耐量, Discharge Capability)
• 산화아연형 피뢰기(Gapless Arrester, ZnO)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 피뢰기는 전선에 벼락이나 스위칭 서지가 들어왔을 때 열리는 대지로 가는 문이다. 평소에는 닫혀 있다가 이상전압이 오면 즉시 열려 전류를 땅으로 흘리고, 전압이 정상으로 돌아오면 다시 닫혀 선로에 계속 전기를 공급하지 않도록 막는다.

정식 정의는 이렇다. 피뢰기는 전력계통에 발생하거나 유도된 이상전압의 파고값을 낮추기 위해 에너지의 일부 또는 전부를 방전시키고, 방전 후에는 도전로를 차단하여 선로의 절연을 회복시키는 장치다.

핵심 용어는 세 가지다. 제한전압은 피뢰기가 방전 중일 때 기기 양단에 남는 최대 전압이다. 이 값이 낮을수록 보호 대상 기기의 절연 여유가 커진다. 속류는 이상전압이 지나간 뒤 계통 전압에 의해 피뢰기를 통해 계속 흐르는 전류다. 피뢰기는 이 속류를 빠르게 끊어야 한다. 방전개시전압은 피뢰기가 도통을 시작하는 전압이다. 상용주파수 전압에서는 방전하지 않아야 하므로 회로 전압보다 충분히 높게 정한다.

피뢰기에 요구되는 성능은 네 가지로 정리된다. 첫째, 제한전압 또는 충격방전개시전압이 충분히 낮아 보호능력이 있어야 한다. 둘째, 속류차단이 완전해서 동작책무 특성이 충분해야 한다. 셋째, 대전류 방전과 속류차단을 반복해도 장기간 견뎌야 한다. 넷째, 상용주파 방전개시전압이 회로 전압보다 충분히 높아 정상 상태에서 방전하지 않아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

송변전설비는 넓은 지역에 걸쳐 있고, 특히 가공송전선로는 기상 조건에 그대로 노출된다. 그 결과 낙뢰에 의한 이상전압, 염해·설해에 의한 섬락 같은 사고가 기기 절연을 위협한다. 전력설비 절연파괴와 섬락 사고의 상당수가 계통에서 생기는 이상전압에서 비롯된다는 점이 피뢰기가 필요해진 배경이다.

이상전압은 발생 원인에 따라 외부이상전압(외뢰)과 내부이상전압(내뢰)으로 나뉜다. 외부이상전압은 뇌운이 선로에 직접 방전하는 직격뢰가 압도적으로 많고, 주변 뇌운에 의한 유도뢰도 있다. 내부이상전압은 차단기 개폐, 고장, 사고 제거 과정에서 계통 자체가 만드는 과전압이다. 단시간 과전압은 1선 지락 시 건전상 대지전위 상승, 패란티 현상, 발전기 자기여자, 철공진 등으로 생기며 크기는 작지만 지속시간이 길다. 이 값은 피뢰기 정격전압 산정 시 반드시 고려해야 한다.