피뢰기

왜 배우는가: 피뢰기는 전철 계통에서 낙뢰와 개폐 서지로부터 전차선로와 기기의 절연을 지키는 핵심 보호장치이다. 절연협조의 출발점이 되는 장치라서 정의, 동작책무, 설치위치를 함께 묻는 문항이 많다. 최근 4개 회차에 걸쳐 출제되었으므로 정의와 원리를 정확히 알면 설치위치 문항도 같은 논리로 답할 수 있다.

출제 이력: 제139회 2교시 5번, 제128회 2교시 2번, 제118회 4교시 3번, 제95회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

피뢰기(LA)는 이상전압을 대지로 방전시켜 기기의 절연을 보호하는 과전압 보호장치이다.

피뢰기는 낙뢰나 개폐 조작으로 생긴 서지가 전선을 따라 들어올 때 이를 대지로 흘려보내, 전차선로와 AT, 변압기 등 기기의 절연이 파괴되지 않도록 막는다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 이상전압: 낙뢰와 개폐 조작으로 계통에 생기는 정상 전압을 넘는 과전압이다.
• 제한전압: 충격전류가 흐를 때 피뢰기 단자 사이에 남는 충격전압의 파고치이다.
• 속류: 방전이 끝난 뒤에도 계통 전압에 의해 피뢰기를 통해 이어 흐르는 전류이다.
• 정격전압: 속류를 차단하고 동작책무를 반복할 수 있는 상용주파 전압 실효치의 최고 한도이다.
• 공칭방전전류: 피뢰기의 방전 능력과 등급을 나타내는 기준 충격전류이다.
• 절연협조: 기기의 절연내력과 보호장치 특성의 관계를 맞추는 일이다.
• 산화아연 소자: 비선형 저항 특성으로 속류를 억제하는 피뢰기의 핵심 부품이다.

2. 개념 풀이

정식 정의에 따르면 피뢰기는 회로의 도체와 대지 사이에 연결되어 전기기기를 과전압으로부터 보호하는 장치이다. 정상 전압에서는 고저항 상태를 유지하여 전류를 거의 흘리지 않고, 단자전압이 일정 값 이상으로 오르면 저저항으로 바뀌어 서지전류를 대지로 분류한다. 서지가 지나가 전압이 낮아지면 방전을 멈추고 원래의 송전 상태로 돌아간다.

원리는 세 단계로 나뉜다. 첫째, 이상전압이 들어와 단자전압이 방전 개시 수준을 넘는다. 둘째, 피뢰기가 서지전류를 대지로 흘려 전압 상승을 제한한다. 셋째, 서지가 소멸하면 속류를 차단하여 계통이 정상 상태를 회복한다. 셋째 단계가 피뢰기의 가장 중요한 특징이며, 이를 자복 기능이라고 한다.

피뢰기의 핵심은 방전 후 속류를 차단하여 정상 상태로 복귀하는 자복 기능이다.

속류는 방전이 끝난 뒤에도 계통 전압에 의해 피뢰기를 통해 이어 흐르는 전류이다. 속류가 완전히 차단되지 않으면 피뢰기가 계속 도통하여 사고로 이어지므로, 속류 차단 능력은 피뢰기의 기본 성능이다. 제한전압은 충격전류가 흐를 때 단자 사이에 남는 충격전압의 파고치이며, 보호하려는 기기의 절연 강도보다 낮아야 기기를 보호할 수 있다. 뇌서지에 대해서는 제한전압 0.8×BIL 미만으로 두어 20% 이상의 여유를 확보하고, 개폐서지에 대해서는 0.85×개폐서지 미만으로 두어 15% 이상의 여유를 확보한다.

피뢰기의 구비조건은 네 가지이다. 충격방전 개시전압이 낮아야 하고, 상용주파 방전개시전압은 높아야 한다. 방전내량이 크면서 제한전압이 낮아야 하며, 속류차단 능력이 커야 한다. 상용주파 방전개시전압은 회로전압 초과가 되도록 두어 정상 운전 중에는 방전하지 않도록 한다. 임시과전압(TOV)에 대해서는 피뢰기가 동작하지 않고 기기의 절연으로 견디게 하는 것이 원칙이다. 피뢰기 정격은 계통의 과전압, 시설물의 차폐 여부, 기상조건, 피보호기기의 절연내력을 종합하여 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통에서는 자연현상과 기기의 운전 조작 때문에 과전압이 수시로 발생한다. 직격뢰가 송전선로에 직접 방전하는 경우가 고장의 대부분을 차지하며, 그 밖에 유도뢰와 개폐 서지도 기기 절연을 위협한다. 이러한 과전압에 대한 대책이 없으면 전기기기의 절연이 파괴되어 그 기기를 사용할 수 없게 된다.

기기를 과전압으로부터 지키려면 기기의 절연내력과 보호장치 특성 사이에 일정한 관계가 성립해야 하며, 이 관계를 수립하는 일을 절연협조라고 한다. 피뢰기는 보호장치 중 가장 널리 쓰이고 절연협조에서 중요한 역할을 맡는다. 따라서 피뢰기는 단순한 방전 장치가 아니라 절연 체계 전체의 기준점이 된다.