산화아연형 피뢰기 열폭주

열폭주의 정의

산화아연형 피뢰기의 열폭주는 피뢰기가 스스로 과열되어 파괴에 이르는 현상이다.

열 발생 속도가 방열 속도를 넘으면 온도가 계속 올라간다.

전력설비 보호 기기의 안전 한계를 판단하는 핵심 개념이다.

발생 원리

산화아연 소자는 정상 전압에서도 누설전류를 흘린다. 그 전류는 주로 저항성 성분이다.

온도가 오르면 저항이 줄고 누설전류가 늘며, 늘어난 전류가 다시 온도를 올린다.

발열은 P = V × I_R로 나타낸다. 발열이 방열을 넘으면 온도가 계속 오른다.

평형을 이루려면 방열 기울기가 발열 기울기보다 커야 한다. 그렇지 않으면 열폭주다.

계산 예제

누설전류 증가가 발열을 어떻게 키우는지 가상의 예로 본다.

상시 전압 4,000 V에서 누설전류가 1 mA면 발열은 4 W다.

누설전류가 2 mA로 늘면 발열은 8 W가 된다. 두 배가 된 것이다.

발열이 방열을 넘어서면 온도가 더 올라 열폭주가 시작된다.

정답은 16 W다. 누설전류에 비례해 발열이 4배가 된다.

갭형과 갭리스형

산화아연형은 직렬 갭의 유무에 따라 갭형과 갭리스형으로 나뉜다.

갭형은 갭이 상시 전압을 절연해 열 부담이 작다. 갭리스형은 상시 누설전류가 흐른다.

그래서 갭리스형은 누설전류와 소자 온도를 감시하는 것이 핵심이다.

원인과 대책

열폭주를 촉발하는 원인은 크게 세 가지다.

첫째는 정격을 계통 최고전압보다 낮게 골라 연속 운전전압이 높은 경우다.

둘째는 뇌서지나 개폐서지가 반복되어 소자에 에너지가 쌓이는 경우다.

셋째는 고온, 고조파, 오손 환경에서 누설전류가 커지는 경우다.

방열이 부족하면 열폭주로 소자와 절연이 파괴된다.

흔한 실수와 채점

가장 흔한 실수는 열폭주를 단락 사고로 설명하는 것이다.

열폭주의 본질은 양성 피드백이다. 온도 상승이 누설전류를 키운다.

정격 이하에서는 열폭주가 없다고 단정하면 안 된다. 방열이 나쁘면 생길 수 있다.

정답은 양성 피드백이다. 온도와 누설전류가 서로를 키운다.

정리

열폭주는 누설전류와 발열이 서로를 키우는 양성 피드백 현상이다.

판정은 누설전류 추세와 제3고조파 성분을 함께 본다.

대책은 연속 운전전압 여유, 방열 설계, 열안정성 시험이다.