피뢰기 역할·구비조건·정격·특성·종류

왜 배우는가: 피뢰기는 송배전 계통과 변전소 기기의 절연을 이상전압으로부터 지키는 핵심 보호장치다. 전기기술사 시험에서 1교시 용어 문제와 3~4교시 논술 문제에 걸쳐 반복 출제되므로, 제한전압·속류 같은 개념을 정확히 구분해야 점수를 얻을 수 있다.

출제 이력: 제134회 3교시 4번, 제122회 1교시 2번, 제120회 2교시 6번, 제119회 1교시 13번, 제116회 4교시 3번, 제111회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

피뢰기는 뇌서지·개폐서지 같은 이상전압을 대지로 방전시켜 기기 절연을 보호하고, 방전 후 속류를 차단해 정상 상태로 복귀시키는 보호장치이다.

핵심 키워드

• 이상전압
• 뇌서지
• 개폐서지
• 제한전압
• 방전개시전압
• 속류
• 산화아연(ZnO) 소자
• 절연협조

2. 개념 풀이

쉬운 말로 보면 피뢰기는 전선과 대지 사이에 놓인 배출구다. 평소에는 전류가 거의 흐르지 않다가, 번개나 스위칭으로 전압이 급격히 올라가면 그 전류를 땅으로 빼 준다. 전압이 가라앉으면 다시 막혀서 계통이 정상 운전으로 돌아간다.

정식으로 정의하면, 피뢰기는 전력계통에 병렬로 접속되어 단자전압이 일정 값 이상으로 올라가면 방전하여 전압 상승을 억제하고, 이상전압이 소멸하면 원래 상태로 복귀하는 장치다. 고압 단자(선로 측)와 접지 단자(대지 측)를 가진다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 이상전압: 정상 운전전압을 크게 넘는 순간적인 과전압이다. 낙뢰에 의한 뇌서지와 차단기 개폐에 의한 개폐서지로 나뉜다.
• 제한전압: 방전전류가 흐를 때 피뢰기 단자 사이에 남는 전압이다. 이 값이 기기 절연 내력보다 낮아야 기기가 보호된다.
• 방전개시전압: 피뢰기가 도통을 시작하는 단자전압이다. 충격파에 대한 충격방전개시전압과 상용주파에 대한 상용주파 방전개시전압으로 구분한다.
• 속류: 이상전압 방전 후 계통 전원에 의해 피뢰기로 계속 흐르는 상용주파 전류다. 피뢰기는 이 전류를 스스로 끊어야 한다.
• 산화아연(ZnO) 소자: 전압에 따라 저항이 급격히 변하는 비선형 저항체다. 정상 전압에서는 고저항이라 전류가 거의 흐르지 않고, 과전압에서는 저저항이 되어 서지를 흡수한다. 현재 피뢰기의 핵심 부품이다.

과거에는 직렬갭(spark gap)과 탄화규소(SiC) 특성요소를 조합한 피뢰기를 썼다. 직렬갭은 아크를 이용하므로 속류 차단과 방전 후 복귀 특성이 불리했다. 그래서 직렬갭을 제거한 산화아연 소자형이 주류가 되었다.

3. 등장 배경과 필요성

송배전 계통에서 번개는 가장 큰 이상전압 원인이다. 낙뢰가 선로에 직접 떨어지거나 근처에서 유도되면 매우 높은 전압의 파동이 선로를 따라 진행한다. 이 파동이 변압기 같은 기기에 그대로 도달하면 절연이 파괴된다.

차단기 개폐나 변압기 여자 같은 스위칭 서지는 크기는 번개보다 작을 수 있지만 반복적으로 발생한다. 그래서 기기 절연을 누적으로 열화시키는 원인이 된다.

피뢰침은 직격뢰를 받아 대지로 보내는 역할은 하지만, 선로를 타고 들어오는 서지파를 막지는 못한다. 따라서 기기 단자 바로 앞에서 서지를 억제하는 장치가 필요하다. 이것이 피뢰기가 전력설비에 설치되는 이유다.

기기의 절연은 기준 충격절연강도(BIL, Basic Impulse Insulation Level)로 정해진다. 피뢰기의 제한전압은 이 값보다 충분히 낮아야 기기를 보호할 수 있다. 여기에 제한전압 ≤ 0.8×BIL 정도의 여유를 두는 것이 절연협조의 기본이다.