서지보호장치(SPD)

왜 배우는가: 서지보호장치(SPD)는 낙뢰·개폐 서지로부터 전기·전자 설비를 보호하는 기본 수단이며, 건축물 전기설비 설계와 태양광 발전소 같은 신설 설비에서 설치 위치와 계통별 적용 방식을 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 개념을 정확히 알아야 설치 장소와 계통 구성에 따른 문제점을 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제114회 3교시 4번, 제98회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

서지보호장치(SPD)는 과도적인 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하는 장치로, 내부 비선형소자로 서지를 대지로 흘려보내는 장치이다.

• 서지보호장치(SPD)
• 과전압 제한
• 서지전류 분류
• 비선형소자
• 통합접지
• SPD 설치 위치
• TT계통
• 누전차단기(ELCB)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 SPD는 번개나 스위칭 때문에 갑자기 생기는 높은 전압(서지)을 짧은 시간에 땅으로 빼 주는 안전밸브 역할을 하는 장치다. 전압이 정상 범위를 넘으면 내부 소자가 순간적으로 전류 경로를 만들어 과전압을 낮추고, 서지가 지나가면 다시 절연 상태로 돌아간다.

정식으로는 과도적인 과전압을 제한하고 서지전류를 분류하는 것을 목적으로 하는 장치를 말한다. 전원용 SPD는 50/60Hz 교류 정격 1000V 이하 전원에 접속하는 기기를 보호하며, 1개 이상의 비선형소자를 내장한다. 비선형소자는 정상 전압에서는 매우 큰 저항을 갖고 과전압에서는 저항이 급격히 낮아지는 소자다.

서지전압 제한은 SPD가 기기 단자에 남기는 전압을 허용값 이하로 낮추는 기능이다. 서지전류 분류는 서지 에너지가 SPD 쪽으로 흐르고 기기 쪽으로는 적게 흐르도록 나누는 기능이다. 두 기능이 함께 작동해야 기기를 보호할 수 있다.

통합접지는 전기설비 접지극과 건축물 피뢰설비·통신설비의 접지극을 공용하는 접지 방식이다. 국부 접지계통이 서로 연결되어 등가 접지계통을 이루며, 낙뢰 과전압을 막으려면 SPD를 함께 설치해야 한다. 통합접지에서 SPD는 접지 연결 구조와 함께 설계해야 하는 핵심 요소다.

비선형 저항 특성은 SPD 설계의 기본 원리다. 정상 운전 중에는 누설전류가 거의 흐르지 않아야 하고, 과전압이 걸리면 짧은 시간에 전류를 대지로 흘려야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력·통신 설비가 전자화되면서 마이크로프로세서와 반도체 기기는 짧은 과전압에도 쉽게 손상된다. 낙뢰 직격뢰와 유도뢰, 대용량 부하의 개폐에서 생기는 과도 서지는 건물 내부 배선을 통해 기기 단자까지 전달된다. 과거에는 피뢰기·어레스터·보안기 등 여러 이름으로 불렸지만, 현재는 서지보호장치(SPD)로 통일되어 쓰인다.

통합접지 방식이 도입되면서 낙뢰 전류가 접지극을 따라 건물 전기설비로 유입될 가능성이 커졌다. 이에 따라 건축물 내부 저압 전기설비를 과전압으로부터 보호하는 SPD 설치 기준이 필요해졌다. 전기설비기술기준 판단기준 제18조 제7항은 통합접지 공사 시 낙뢰 등에 의한 과전압으로부터 전기설비를 보호하기 위해 SPD를 설치하도록 규정하고 있으며, 설치 기준은 KS C IEC 60364-5-53 또는 KECG 9102 기술지침을 따른다.

태양광 발전설비처럼 직류 회로가 길고 옥외에 노출된 설비는 낙뢰 유도 서지에 특히 취약하다. SPD와 보호 대상 기기 사이의 연결선이 길면 서지가 진동을 일으켜 보호 성능이 떨어질 수 있으므로, 설치 위치와 배선 길이를 설계 단계에서 함께 고려해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

SPD는 전원 측 과전압을 짧은 시간 안에 낮추는 장치다. 평상시에는 절연 상태로 있다가, 과도 과전압이 걸리면 비선형소자가 저저항으로 바뀌어 서지전류를 대지로 분류(분류)하고 전압을 제한전압 이하로 묶는다. 전원용 SPD는 50/60Hz 교류 정격 1000V 이하 전원에 접속하는 기기를 보호하며, 1개 이상의 비선형소자를 내장한다.

배선 구성 요소로는 SPD 본체, 전원 측 과전류보호장치, 접지선(보호도체), 등전위본딩 도체가 있다. 보호 성능은 소자 자체보다 연결 도체 길이에 크게 좌우된다. 연결선이 길면 인덕턴스로 인해 전압강하가 더해져 보호 레벨이 높아지고, 전파 과정에서 진동(oscillation)이 생겨 보호 실패로 이어질 수 있다.

• 보호 대상과 설치 위치를 정하고 낙뢰·개폐서지 발생 조건을 확인한다.
• 전원 인입부 SPD(클래스 I 또는 II)를 분전반 최상위에 설치한다.
• 하위 분전반에는 필요 시 클래스 II SPD를 추가로 설치하여 단계적으로 제한한다.
• SPD 연결 도체를 최대한 짧게 하고, 접지 도체를 등전위본딩 시스템에 접속한다.
• 상태 표시기와 차단기(과전류보호장치)를 설치 후 동작을 확인한다.

원리 면에서 SPD의 보호 레벨(Up)은 소자의 제한전압과 연결선 인덕턴스 전압강하의 합으로 본다.

$U_{p,\,총} = U_{p} + 2L\frac{di}{dt}$

여기서 U_{p}는 SPD 제한전압(V), L은 연결 도체 인덕턴스(µH), \frac{di}{dt}는 서지전류 상승률(kA/µs)이다. 도체 길이 1m당 인덕턴스는 약 1µH로 보는 것이 일반적이다. 따라서 연결선이 길어질수록 2L\frac{di}{dt} 항이 커져 보호 레벨이 올라간다.

5. 관련 법령·기준·표준

SPD 시설 기준은 「전기설비기술기준의 판단기준」 제18조 제7항(통합접지)에서 출발한다. 이 조항은 낙뢰 등에 의한 과전압으로부터 전기설비를 보호하기 위해 KS C IEC 60364-5-53-534 또는 한국전기기술기준위원회 기술지침 KECG 9102-2011에 따라 SPD를 설치하도록 정한다. 2021-01-01부터는 한국전기설비규정(KEC)이 이 판단기준을 대체한다. 따라서 현행 설계에서는 KEC의 해당 조항과 KECG 기술지침을 함께 적용한다.

국내 전기설비 SPD 기준값은 다음과 같다.

위 표의 방전 전류 수치는 시험 등급과 설계 조건에 따라 달라지므로 본문 수치는 기준 명칭 중심으로 적었다. 통신선용 SPD는 전원용과 기준이 달라 별도 적용한다. 국제표준 IEC 61643 계열은 SPD의 시험 클래스와 성능을 정하며, 국내 KS 규격과 대응한다. 최근에는 태양광 직류 측 SPD와 전기차 충전기용 SPD에 대한 용량 산정 연구가 늘고 있다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

서지보호장치는 설치 위치와 보호 대상에 따라 여러 가지로 나뉜다. 전원용과 통신용으로 먼저 나뉘고, 전원용은 다시 시험 등급과 설치 위치에 따라 구분된다. 실무에서는 등급(Class)과 설치 위치를 함께 적어야 답안이 완성된다.

전원용과 통신용의 차이는 보호 대상 회로의 전압과 신호 특성에 있다. 통신용은 신호 전압을 방해하지 않도록 낮은 전압에서 동작하는 소자를 쓴다.