서지보호장치(SPD)

정의와 등장 배경

SPD는 낙뢰·개폐 등으로 생긴 과도 서지 전압·전류를 대지로 분류하여 기기를 보호하는 장치다.

서지는 짧은 시간에 급격히 변하는 과도 전압·전류다. 전자기기는 수 kV 수준에도 손상되기 쉽다.

평소에는 고임피던스로 회로에 영향을 주지 않다가, 과전압이 들어오면 순간적으로 도통한다.

동작 원리

SPD는 비선형 소자를 써서 고임피던스와 저임피던스 상태 사이를 전환한다.

서지가 오면 저임피던스로 바뀌어 서지 전류를 접지로 흘리고, 전압을 Up 이하로 제한한다.

서지가 끝나면 자동으로 고임피던스 상태로 돌아간다. 전압을 설정값 이하로 제한하는 동작을 클램핑이라 한다.

Type 1·2·3 구분

SPD는 시험 파형과 설치 위치에 따라 Type 1, Type 2, Type 3으로 나뉜다.

Type 1은 10/350μs 충격전류로 시험하며 인입부에 설치한다. 직격뢰 에너지를 견뎌야 하므로 가장 앞에 둔다.

Type 2는 8/20μs 방전전류로 분전반에, Type 3는 1.2/50μs·8/20μs 조합파로 기기 근처에 설치한다.

보호 수준 계산

SPD의 보호 수준 Up은 잔류전압과 유도 전압 강하의 합 이상으로 본다.

Ures는 공칭방전전류를 통과할 때의 잔류전압이고, ΔU는 접속 도체 길이에 따른 유도 전압 강하다.

예로 잔류전압 1.2 kV, 도체 1.0 m, ΔU 1.0 kV/m이면 ΔU는 1.0 kV가 된다.

직접 구해 보자.

실효 보호 전압은 2.2 kV다. 이 값이 기기 내전압보다 낮아야 하므로 도체를 짧게 한다.

헷갈리는 점

연결 도체가 길면 인덕턴스 때문에 실제 보호 전압이 상승한다.

SPD는 과전압을 흡수하는 장치가 아니다. 서지 전류를 접지로 분류하여 전압을 제한한다.

Up은 기기의 과전압 내력보다 낮게 골라야 한다. 직류 SPD는 교류와 달리 전류 영점이 없어 아크 소호가 어렵다.

핵심 정리

정리하면 SPD는 평상시 고임피던스, 서지 때 저임피던스로 바뀌어 서지 전류를 접지로 분류한다.

설치는 인입부 Type 1, 분전반 Type 2, 기기 근처 Type 3의 계층 구조로 한다.

연결 도체는 짧게 하고 Up은 기기 과전압 내력보다 낮게 선정한다. 이 두 가지는 감점이 잦은 항목이다.