피뢰기

왜 배우는가: 피뢰기는 뇌서지와 개폐서지로부터 변압기·차단기 등 전력기기의 절연을 지키는 핵심 보호장치다. 정의, 제한전압, 속류, 정격전압, 설치 위치 등 기초 용어가 거의 모든 회차의 1·2·3·4교시 문항으로 반복 출제되므로 개념을 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제138회 3교시 2번, 제137회 4교시 3번, 제131회 2교시 4번, 제126회 1교시 8번, 제125회 3교시 3번, 제113회 3교시 1번, 제108회 2교시 3번, 제96회 1교시 4번, 제92회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

피뢰기는 계통의 이상전압을 대지로 방전하고, 방전 후 속류를 차단해 절연을 회복시키는 보호장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 피뢰기
• 뇌서지
• 개폐서지
• 제한전압
• 속류
• 정격전압
• 공칭방전전류
• 절연협조

2. 개념 풀이

쉬운 말로 설명하면, 번개나 차단기 개폐로 생긴 높은 전압이 기기로 들어오면 기기 절연이 깨진다. 피뢰기는 그 전압을 땅으로 빼 주는 통로이며, 전압이 가라앉으면 통로를 닫아 정상 송전을 되살리는 장치라고 보면 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 피뢰기는 전력계통에 발생하거나 유도된 이상전압의 파고값을 낮추기 위해 에너지의 일부 또는 전부를 방전시키고, 방전 후 도전로를 차단하여 선로의 절연을 회복시키는 장치다. 따라서 피뢰기에는 방전 기능과 복귀 기능이 함께 요구된다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 뇌서지: 낙뢰가 선로나 가까운 대지에 떨어질 때 선로에 유기되거나 직접 침입하는 과도 과전압이다. 파두가 매우 짧고 파고가 크다.
• 개폐서지: 차단기나 단로기의 개폐 동작, 사고 제거 시 발생하는 과도 과전압이다. 뇌서지보다 지속시간이 길다.
• 제한전압: 규정된 방전전류가 흐를 때 피뢰기 단자에 나타나는 전압이다. 잔류전압이라고도 하며, 값이 낮을수록 보호에 유리하다.
• 속류: 피뢰기가 방전한 뒤 이상전압이 사라져도 계통 전압에 의해 피뢰기를 통해 흐르는 후속 전류다. 피뢰기는 이 속류를 빠르게 끊어야 한다.
• 정격전압: 피뢰기가 속류를 차단하고 복귀할 수 있는 최고 교류 전압(실효값)이다. 계통의 최고 전압을 기준으로 선정한다.
• 공칭방전전류: 표준 파형 8/20 μs 방전전류의 파고값으로 나타내는 피뢰기 등급이다. 방전능력과 적용 등급을 고르는 기준이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 전압이 높아지고 송전거리가 길어지면서 낙뢰 노출이 늘었다. 차단기 개폐가 잦아지면서 개폐서지의 크기와 빈도도 함께 커졌다. 절연은 과전압의 크기와 지속시간에 따라 파괴되므로, 이상전압 자체를 낮추는 장치가 필요해졌다.

초기에는 직렬 갭을 이용한 갭형 피뢰기가 쓰였다. 갭형은 방전 후 속류를 끊기 위해 아크를 소호해야 하고, 속류가 남으면 계통 사고나 정전으로 이어질 수 있었다. 이 문제를 줄이기 위해 산화아연(ZnO) 소자를 쓰는 갭리스형이 도입됐다. 산화아연 소자는 전압이 낮을 때 큰 저항을 보이고 전압이 높아지면 저항이 급격히 낮아지는 비선형 특성을 가진다. 이 특성으로 정상 상태에서는 누설전류가 작고, 서지 시에는 전압을 제한하는 역할을 한다.