낙뢰 보호대책 KSC IEC 62305

왜 배우는가: 낙뢰는 건축물 직격뢰뿐 아니라 인입선·서지로 전기·전자설비를 손상시키므로 실무에서 피뢰설비와 내부피뢰 대책 설계의 기준이 된다. 기술사 시험에서는 KS C IEC 62305 4부(전기·전자시스템) 대책 문항이 반복 출제되어 보호영역 개념과 SPD·등전위 본딩 연계를 묻는다.

출제 이력: 제132회 3교시 1번, 제116회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 낙뢰 보호대책(KS C IEC 62305)은 건축물과 그 내부 전기·전자시스템을 뇌격의 직접·간접 영향으로부터 보호하기 위해 외부피뢰시스템(LPS)과 내부피뢰 대책(등전위 본딩, 차폐, 서지보호)을 확률적으로 설계하는 국제 기준 체계이다.

낙뢰 보호는 외부피뢰와 내부피뢰를 함께 설계하는 체계다

핵심 키워드: 뇌보호영역(LPZ), 등전위 본딩, 서지보호장치(SPD), LEMP, 보호등급(LPL), 외부피뢰시스템, 내부피뢰시스템, 뇌격 손상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 낙뢰가 떨어질 때 건물을 지키고, 건물 안의 컴퓨터·제어기기를 전기적 충격으로부터 지키는 대책의 묶음이다. 건물 밖 뇌격을 땅으로 안전하게 흘려보내는 것이 외부피뢰이고, 뇌격이 만드는 전자기 충격과 인입 서지를 내부에서 억제하는 것이 내부피뢰다.

정식 정의는 KS C IEC 62305 가 정한 대로 외부피뢰시스템(LPS)과 내부피뢰시스템으로 구분하는 것이다. 내부피뢰시스템은 뇌등전위 본딩과 외부피뢰시스템의 전기적 절연으로 구성되는 피뢰시스템의 일부이다. 내부피뢰시스템은 외부피뢰시스템 또는 피보호 구조물의 도전성 부분을 통해 흐르는 뇌격전류에 의해 구조물 내부에서 위험한 불꽃방전이 생기지 않도록 시설해야 한다.

뇌보호영역(LPZ) 은 Lightning Protection Zone 의 약자이며, 건물 내부를 전자기 환경 강도에 따라 경계로 나눈 영역이다. 외곽에서 내부로 갈수록 뇌전자계 세기를 낮추도록 차폐와 서지 대책을 단계적으로 적용한다. 경계마다 등전위 본딩을 해서 영역 사이 전위차를 줄인다.

LEMP(Lightning Electromagnetic Impulse, 뇌전자계 임펄스)는 뇌격이 만드는 급격한 전자기 펄스다. 전선·금속 배관을 따라 들어오는 전도성 서지와 달리 공간을 통해 유도되어 제어회로를 교란한다.

보호등급(LPL) 은 뇌보호 효과를 확률로 나타낸 등급이다. IEC 체계는 보호등급 Ⅰ~Ⅳ를 두며, 등급이 높을수록 보호 확률이 높다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물이 고층화되고 내부 설비가 밀집되면서 전기·전자설비의 뇌 피해가 늘었다. 통신·제어 시스템이 증가하여 주변 전자기 환경에 극히 민감해졌고, 도시화로 구조물 접지 사이 간섭과 서지 유입 영향도 커졌다. 기존의 경험적 피뢰침 설계만으로는 이런 내부 피해를 설명하기 어려워졌다.

국제표준은 낙뢰를 확률적으로 다루어 내부 침입을 제한하는 목적으로 구성되었다. 그래서 설계는 건축물 직격뢰 연간 빈도(Nd)와 허용 연간 빈도(Nc)를 비교하는 위험도 평가에서 출발한다. 국내에서는 KS C IEC 62305 를 인용하는 산업안전보건공단 기술자료(KOSHA 계열)와 전기설비 관련 기준이 이를 뒷받침한다.

건축물에 낙뢰가 침입하면 직접적인 기계적 손상, 고온 플라즈마 섬광, 도체 과열과 아크에 따른 화재와 폭발, 저항·유도 결합 과전압에 따른 화재, 접촉전압·보폭전압에 따른 인체 상해, LEMP에 따른 내부 시스템 오동작이 생긴다. 이 여러 피해 경로 때문에 외부피뢰만으로는 부족하고 내부 대책이 필요하다.

보호등급 Ⅰ은 보호 확률이 가장 높은 등급이다.

이 표는 피해 경로와 대책을 대응시킨 것이다. 실무에서는 세 경로가 동시에 존재하므로 한 가지 대책만으로 끝내지 않는다.

4. 구성요소·원리·절차

KS C IEC 62305는 피뢰시스템(LPS)을 외부 피뢰시스템과 내부 피뢰시스템으로 나눠 설계한다. 외부 피뢰시스템은 직격뢰를 포착해 대지로 보내고, 내부 피뢰시스템은 뇌전류와 뇌전자계 임펄스(Lightning Electromagnetic Impulse, LEMP)로부터 내부 전기·전자설비를 보호한다.

표의 구성요소는 외부와 내부가 같은 접지망으로 이어져야 기능한다. 인하도선과 접지극의 연속성이 끊기면 본딩 효과도 사라진다.

뇌격 시 뇌전류의 급격한 변화(di/dt)는 도체 루프에 유도전압을 만든다. 따라서 내부 피뢰의 핵심은 등전위 본딩과 보호영역 분할로 전위차와 유도 루프 면적을 줄이는 것이다. 내부 피뢰의 핵심은 등전위 본딩과 보호영역(LPZ) 분할이다. LPZ 0는 직격뢰와 전자계에 노출된 영역이고, LPZ 1 이상은 경계마다 SPD와 본딩을 적용해 전자계 세기를 낮춘 영역이다.

외부 피뢰시스템과 피보호 금속부 사이에 필요한 이격거리는 다음 식으로 구한다.

$s \ge k_i \dfrac{k_c}{k_m} \, l$

• s: 이격거리(m)
• k_i: 보호등급별 결합계수, 보호등급 I 0.08, II 0.06, III·IV 0.04 0.08
• k_c: 인하도선에 분담되는 뇌전류 계수
• k_m: 매질계수, 공기 1, 고체 0.5
• l: 수뢰부에서 가장 가까운 등전위 접속점까지 인하도선 길이(m)

내부 피뢰 설계는 다음 순서로 진행한다.

• 위험도 평가: IEC 62305-2에 따라 구조물과 설비의 손상 위험을 산정한다.
• 보호등급(LPL) 선정: 위험도 결과로 보호등급 I~IV를 정한다. 보호등급 I의 보호 확률은 가장 높은 수준이다.
• 외부 피뢰시스템 설계: 회전구체법 등으로 수뢰부 배치, 인하도선과 접지극을 시설한다.
• LPZ 구획: 건물 내부를 보호영역으로 나눈다.
• 등전위 본딩: 금속관·금속덕트·철골·설비 접지선을 경계마다 접속한다.
• SPD 설치: 전원선과 신호선의 경계에 시험 전류 등급에 맞는 SPD를 설치한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국제표준은 KS C IEC 62305 시리즈다. Part 1은 일반원칙, Part 2는 위험관리, Part 3은 구조물의 물리적 손상과 인명 위험, Part 4는 구조물 내부 전기·전자시스템을 다룬다. 산업안전보건공단의 KOSHA-E-107은 이 표준을 인용해 피뢰설비를 규정한다. 국내 법령은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)으로 대체됐으며, 구 기술기준 제6조의2는 뇌방전 과전압으로부터 전기설비의 손상·감전·화재를 막도록 피뢰설비를 시설하라고 규정했다.

위 표는 외부 피뢰의 기하학적 보호범위(회전구체·메시)와 뇌격 전류 설계값이다. 보호등급이 낮아질수록 보호범위는 넓어지고 설계 전류는 작아진다.