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Surge Protection
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1.1 Surge의 개요

Surge란 line 또는 회로를 따라서 전달되며, 급속히 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지닌 전기적 전류, 전압 또는 전력의 과도파형이다. (IEC IEV 161-02-01)
비가 오고, 번개가 치는 날이면 전기가 끊어지거나, 전화가 불통이 되는 경우를 많이 겪게 되고, 전등이나 전기기기의 스위치를 켜는 경우 오디오의 음이 찌그러들거나, TV의 화면이 떨리는 것도 많이 경험하게 된다. 이러한 원인의 대부분은 Surge에 의한 것이다.
첨단과학이 우리의 주위를 점하며 우리 주변에는 첨단 반도체가 전기, 전자 분야에 광범위 하게 사용되고, 그에 따라 Surge에 의한 피해가 급속도로 커지고 있다.
반도체의 집적도가 커질수록 반도체 내부의 회로 선폭이 좁아지고, 저전압으로 동작시키기 위해 전도성이 우수한 소재를 사용하므로 인하여 단락(短絡. Short circuit)현상의 최고치가 낮아져, 반도체를 많이 내장한 system은 내압에 약해지고, 그에 비례하여 Surge에 취약해지고 있다.

Surge 란 우리 주변에서 흔히 발생하는 현상이다. 예를 들어 벼락이 떨어질 경우, 뇌(雷. Lightning) Surge는 ground를 통하여 역류해 전자기기를 파괴 시키며, switch. relay. 용접 등의 Arc와 단락에 의한 개폐 Surge, Moter, 엘리베이터 등의 구동 Surge 등 우리 주변에서 끊임없이 Surge가 발생한다.

Surge가 system에 미치는 영향은 인체에 생기는 병과 같아서, 작은 Surge의 반복은 소자를 열화시켜 만성적으로 파괴시키며, 강한 Surge는 일거에 희생불능 상태로 파괴시켜 버린다. 특히 근래의 system은 기기와 기기의 결합에서, system과 system이 결합되는 total system을 구축하는 것이 일반화 되어 가고 있다. 이는 한 지점에서의 피해가 전 system의 마비를 가져오며, 극한적인 경우 전 system이 연쇄적으로 파손되는 경우도 초래할 수 있다. 따라서 Surge의 피해가 발생한 지점에서 타지역으로 Surge의 피해가 전이되는 것을 차단할 Surge Protection System을 구축하는 것이 필요하다.


1.2 Surge의 피해 현황

국내의 경우 아직 Surge로 인한 피해에 관하여 정확한 연구가 없지만, 미국의 경우 고압과 과전류로 인하여 전자화한 자동화 system의 장애가 발생하여 시간과 경비의 피해 규모가 산업계에서만 매년 260억 달러에 이르는 것으로 추정하고 있다.
다음 표에서 보는 바와 같이 전자장비의 경우 원인불명의 고장 중 88.3%는 Surge에 의한 것이다.

Power Disturbance

월 평균 발생 횟수

백분율(%)

Oscillatory Transients

62.2

48.8

Voltage Spike

50.7

39.5

Undervoltage

14.4

11.2

Overvoltage

00.0

00.0

Blackout

00.6

00.5

Total

127.9

100

* Transactions on "Power Apparatus and Systems"
July-August,1974 issue 1974 IEEE
(IEEE : 전기전자기술자협회)


1.3. Surge의 종류

1.3.1 발생 원인에 의한 분류

1) 자연현상에 의한 Surge

1.1) 직격뢰(Direct Strike) : 낙뢰가 구조물이나 장비, 또는 전력선에 직접 뇌격하는 것으로, 보통 20KV 이상의 고압에 수KA~300KA의 과전류가 발생하여 접지를 통하여 절반 정도는 대지로 흡수되지만, 나머지는 전력선를 통하여 인입선으로 들어 온다.
1.2) 간접뢰 : 송전선로 또는 통신선로에 뇌격하여 선로를 통하여 Surge가 전도되는 것으로 발생 빈도가 가장 많으며, 6,000V 이상의 매우 큰 에너지를 갖고 있어 이에 의한 피해가 가장 많고 크다.
1.3) 유도뢰(Indirect Lightning) : 낙뢰 지점에 근접한 대지에 매설된 전원선, 통신선, 접지, 수도 파이프 등 도체를 통하여 유도된 고압의 전류로 인하여 접지 전위의 급상승으로 Surge가 발생한다.
1.4) 방전(Bound Change) : 지상과 구름, 구름내, 구름과 구름 사이의 방전으로 유도된 전하가 전력선, 금속체 또는 지표로 흘러 장비를 손상 시킨다.

2) 개폐및기동에 의한 Surge: InductiveSwitching 내부적으로 발생하는
Surge로 75~90%가 여기에 속한다.

2.1) 개패 Surge : Inductive load의 On/Off시 발생하는데, 계통전력 공급선의 개폐나 사고등으로 인한 전위 차이나, Inductivemotor, Compressors(Turn Off/6,000V), Pump, Welding Machines(용접기), Furnace igniter(점화기) 등의 switch On/Off시 발생하는 Spike로 인하여 250~1,000V의 Surge가 발생한다.

3) 정전기 의한 Surge : ESD(Electro-Shortic Discharge)

4) 핵에 의한 Surge : NEMP(Nuclear Eletro-Magnetic Pulse)

1.3.2 전이 과정에 의한 분류

1) 전도성 Surge : 송전선로, 금속배관, 전원 및 신호, 접지, 회로 등과 같은 도체를 통하여 유입되는 Surge를 말한다.
2) 유도성 Surge : 갑작스런 전류의 변화로 인하여 인접회로에 유도되는 Surge로 대표적인 것으로 낙뢰시 전원 cable과 인접한 signal cable 사이에 발생하는 것이다.
3) 전파성 Surge : 공중파의 형태로 회로에 유입되며 대표적인 것이 RFI(Radio Frequence Interferance)다.
4) 복합성 Surge : 상기 3가지가 복합적으로 전이되는 것으로 대부분의 Surge가 이러한 형태를 취하고 있다.

1.3.3 Surge 형태에 의한 분류

1) 전류성 Surge : 다량의 전류가 일시에 유입됨으로 인하여 열이 발생하고, 이로 인하여 IC impedance 회로에 많은 영향을 미친다.
2) 전압형 Surge : 반도체소자의 절연내압보다 큰 Surge 전압이 침투하게 되면 절연파괴에 의해 기능을 상실하게 되며, MOS 소자가 손상을 입기 쉽다.
전압형 Surge는 high impedance 회로에 많은 영향을 미친다.

1.3.4 전원선에 의한 분류

1) Normal Mode : Surge가 Line과 Line 사이, 또는 Line(Hot)과 Neutral 사이에 발생하는 것으로 control system이나, 전자기기의 전자회로에 사용된느 반도체 소자를 파손시킨다.
2) Command Mode : Surge가 Line과 Ground 사이, 또는 Neutral 과 Ground 사이에 발생 하는 것으로 Processor의 Memory Logic을 파손시킬 수도 있다.
㎲processor or Digital Logic Control System에서는 Neutral과 Ground 사이를 이론상의 Zero Voltage로 설정하기 때문에 Neutral과 Ground 사이에서 발생하는 Surge는 많은 문제를 일으킨다. Command Mode Surge는 Software 문제, 즉 Memory Loss 를 발생 시켜, 각종 Data의 출력에 이상을 초래할 수있다.
Command Mode Surge는 부적절한 접지에 의해서도 발생한다.


1.4 Surge의 특성과 크기

Surge는 뇌운의 활동으로 일어나는 것으로 직접적으로 피해를 보는 것과 간접적으로 피해를 입을 수 있는 경우 두 종류로 분류할 수 있다. 직접적으로 피해를 주는 경우는 보호대책에서 설명하기로 하고 이고셍서는 간접적인 유도뇌에 대하여 알아보기로 한다.

1.4.1 Surge의 특성

순시 과전압(Transient)와 써지(Surge)는 국제기구(IEEE,UL,NEC 등) 에서는 구분하지 않으며, 일반적으로 같은 의미로 사용하고 있지만, General Semicondeuctor Industries에서는 Transient와 Surge의 특성을 다음과 같이 구분하고 있다.

Transient

1. 지속시간이 8. 4usec보다 짧다.
2. 정현파(sine wave)와 지수함수적인 파형이다.
3. 일반적으로 high impedance source와 관계가 있다.
4. 과도전압 level은 표준작업환경하에서 수 nV에서 18,000V까지의 범위다.

Surge

1. 지속시간이 8. 4usec보다 길다.
2. 구형파와 지수함수적인 파형이 있다.
3. 일반적으로 low impedance source와 관계가 있다.
4. Surge 크기의 90%가 표준동작준위의 2배 보다 작다.
5. Surge 크기의 99%가 표준동작준위의 3배 보다 작다.

1) Transient의 구분
1.1) Impulse Transient

상승 시간이 매우 짧고, 급속히 하강하며, 높은 에너지를 함유하고 있다.
단극성(Unipolar)으로 수백V 에서 수천V까지 전위가 올라간다.
지속시간은 수 msec 부터 200msec까지다. Impulse Transient의 크기는 0V에서 부터가 아니라 sine-wave상에서 부터 측정된 수치다.
Positive Impulse Transient는 "Spike"라 부르기도 하며, Negative Impulse Transient는 "Notch"라 부르기도 한다.

1.2) Oscillatory Transient or Ringwave Transient

상승 시간이 빠르고 수백Hz ~ 수십MHz의 주파수로 oscillation을 하며, 지수 함수적으로 감쇄한다. Impulse Transient 보다 낮은 energy를 함유(250~2500V)하며, 보통 lcycle 이상의 지속 시간(16.7msec)을 가진다.

1.4.2 유도뢰로 인해 발생하는 Impulse

낙뢰에 있어서 중욯나 것은 뇌전류며 그 파형은 8x20㎲라는 것이 밝혀져 1957년경부터 유럽에서 Surge Protector의 Test Waveform으로 사용하기 시작하여 오늘날에는 각 국제 규격(IEC, IEEE, UL, NAME 등)에서도 표준 시험파형으로 사용하고 있다.
유도뢰로 유입될 수 있는 Surge의 크기는 적게는 수십 Voltage에서 수천 Voltage까지 되기 때문에 상승시간이나 지속시간이 매우 빠르고, 높은 에너지를 함유하고 있어서 전력선, 신호선에 침투했을 경우에는 그 피해가 막대하다.
국제적 기구인 IEC(60-1), IEEE, UL, NEC등에서 다음과 같이 impulse를 규정하고 있다.

1) 전압파형(Open-Circuit Voltage)


전압파형의 경우 유도된 impulse가 상승하기 시작 부터 그 당시 유도된 최고치의 10% 에서 90%까지 올라가는데 1.2 ㎲(IEC 60-1), 하강할 때 50%(IEC 469-1) 까지 도달되는 시간 50㎲가 소요된다. 전압파형은 전류파형에 비해 상승시간은 짧은 편이나 지속되는 시간은 전류에 비해 두배 이상 지속된다.

2) 전류파형(Short-Circuit Current)


전반시간 : T1=1.25 X T = 8 ㎲ 30%
절반치에 대한 시간 : T2 = 20 ㎲ 20%

전류파형은 상승곡선 10% 에서 최대전류치(1pk)의 90%까지 소요시간은 8 ㎲, 하강 곡선의 50%까지 떠어지기 까지는 20 ㎲가 소요된다.

3) Ring Wave (0.5 ㎲ - 100KHz)

1.2 x 50 ㎲ 와 8 x 20㎲ 의 파현이 외부적인 Surge(예 : 낙뢰, 전기사고, 대용량 설비의 Off 등) 에 의한 것이라면 0,5 ㎲ - 100KHz는 내부발생 Surge에 관한 것이다.


전반시간 : T1=1.25 X T = 8 ㎲ 30%
절반치에 대한 시간 : T2 = 20 ㎲ 20%

전류파형은 상승곡선 10% 에서 최대전류치(1pk)의 90%까지 소요시간은 8 ㎲, 하강 곡선의 50%까지 떠어지기 까지는 20 ㎲가 소요된다.

3.1) Transient Sources

Transient Sources

Voltage

Current

Rise Time

Duration

1. Lightning

a) 25KV/M
b) 6KV

20KA
1KA

1.5㎲ 이하
10㎲ 이하

40㎲
1ns

2. Swtching

a) 2500V이하
b) 600V이하

200A
500A 이하

10 ㎲
50 ㎲ 이하

1ns 이상
10ns 이상

3. EMP

a) 100KV/M
b) 1KV

100KA
1KA이상

10ns
20ns

150ns
1㎲

4. ESD

a) 40KV
b) 5-1KV

80A
10A 이상

1-5 ns
10 ns

100ns 이상
100ns 이하


1.4.3 전자부품에 미치는 영향

Surge 전압은 부품을 태울 정도의 큰 열에너지를 발산하는데 반해, 반도체의 집적도가 높아지고, 소도가 높아지면서 입력 impulse의 rise time 이 높아지게 되고, 이는 반도체의 energy 수용 능력이 급속히 떨어지게 되어, Surge에 대한 대처 능력이 현격히 떨어지게 되었다. 따라서 반도체 소자를 내장한 장비들은 과도전합에 매우 약해 수십 ㎲ 짧은 과전압 유입시에도 소자를 파괴 시키거나 열화시켜 수명 단축, 기능 저하 등을 초래한다.
특히 접합점이 많은 반도체소자는 접합점 파괴를 야기하여 소자의 과잉 누설전류를 흐르게 하므로 low impedance 회로를 형성하게 된다.
절연체인 경우 일시적인 과전압은 절연체에 따라 정도의 차이는 있지만 대부분의 순간적인 절연파괴로 장비의 고장을 초래하는 절연 항복을 가져온다.

반도체의 파손한계(Failure Threshold)

Semiconductor Device Type

disruption(Joules)

Destruction Energy
(Joules)

Digital Integrated Circuits

10 -9

10 -6

Analog Integrated Circuits

10 -8

10 -6

Lower Noise Transistor & Diodes

10 -7

10 -6

High Speed Transistor

10 -6

10 -5

Lower Power Transistor & Single Diodes

10 -5

10 -4

Midium Power Transistors

10 -4

10 -3

Zeners & Rectifiers

10 -3

10 -2

High PowerTransistors

10 -2

10 -1

Power SCRs ans Power Diods

10 -1

10 -0

* Disruption Energy : 소자의 전기적 허용범위 내에서 기능적인 성능이 점차로 떨어지는 energy 내량을 말하며, 소자의 열화 및 memory error, 오동작 등이 일어나며, 지속될 경우 소자의 절연파괴를 초래한다.
* Destruction Energy : 소자가 절연 파괴되는 energy 내량을 말하며, system의 hard-ware 을 직접적으로 손상 시킨다


2.1 뇌운의 발생

번개가 전기현상에 의한 것이라는 것은 240여년전 벤자민. 프랭크린에 의하여 밝혀졌으나 본격적인 해명이 시작된 것은 1928년 Boys Camera에 의하여 번개가 사진으로 찍히기 시작하고 부터다. 이떄부터 진보된 관측 기술에 의하여 그 전모가 상당부분 밝혀졌지만 아직도 많은 부분은 알지 못하고 있는 상태다.
번개를 발생 시키는 뇌운은 주로 적란운(積亂雲)이며, 상층과 하층의 대기가 불안정할 때 발생하게 된다.
뇌운의 발생은 여러가지 설이 있지만 크게 3종류로 분류 해보면 C.TR Wilson의 선택 접촉설 , Schal fer의 빙정 대전설 , G.C Simpson의 수적분열설이 있다.

2.1.1 C.T.R Wilson의 선택 접촉설

물방울이 무거워 낙하 하면서 분극 현상이 일어난다.

『 + 』이온을 만나면 밀어내고 『 - 』 이온만 당겨 흡입하므로 물방울은 아래에서 『 - 』 이온을 가지고 있다.


2.1.2 G.C. Simpson의 수적 분열설

물방울이 낙하하면서 고익와 마찰하고 물방울은 (수적) → 『 + 』이온 → 『 - 』이온으로 대전된다. 공기는 가벼우므로 위로, 물방울은 아래로 모이게 된다.

2.1.3 Schal fer의 빙정 대전설

빙정의 밖 온도가 내부온도 보다 낮아지면 빙정이 팽창되어 파괴가 일어난다.

 

갈라지면서 소빙편 (『 + 』이온) 과 중심부( OH- )로 분리된다.


(a) 빙정핵 활성화의 형태

(b) 빙정아의 2차적 생성 MODEL

 


2.2 뇌의 종류

2.2.1 열뢰 : 한여름의 벼락 상승기류 → 마찰 → 전하분리(마른벼락)

2.2.2 계뢰 :
한냉전선뢰 : 찬공기가 밑으로, 더운 공기는 위로
온냉전선뢰 : 더운 공기는 밑으로

2.2.3 와뢰 : 태풍 저기압

2.3 뇌방전의 매커니즘

뇌는 한줄기 빛으로 보이지만 미크론저긍로 보면 뇌가 실린 구름에서 공기절연이 파괴되어 선행방전(先行放電 : Step Leader)이 구름을 출발하여 진전과 휴지를 반복하게 된다. 대지나 지상의 물체에 접근할 떄 대지나
물체에서 상향의 스트리머가 생기고 이 양자가 결합할 때 뇌운에서 대지 또는 물체에 이르는 방전로가 형성된다. 이러한 방전로에 대지측에서 많은 전하가 유입되어 주방전로가 생기고 뇌운 안의 전하가 중화 되지만 눈으로 볼 수 있는 휘도는 주방전(Return Stroke) 때 생긴다.
최초 낙뢰후 75% 이상에서 30~200ms 후에 재낙뢰가 발생하고 있다.
연속 나고리은 평균 3회이며, 20회까지 연속 낙뢰가 발생한 기록(AS1768-1992 Table A1.)도 있다.


※ 뇌격의 전기적 특성 및 발생 빈도

50%

10%

1%

뇌격전류의 최고치(KA)

30

80

200

최대전류의 상승률(KA/㎲)

20

90

100

방전전하(AS)

10

80

400

(전류)²x(시간)[A²S]

105

106

107


2.4 환경조건에 따른 낙뢰의 빈도 및 강도

낙뢰의 경우 유난히 많이 떨어지는 지역이 있다. 필자의 경우도 실제로 그런 말을 많이 들었다. 한에로 두 목장이 나란히 있는데 옆집 목장주 보다 자기가 더 죄를 짓고 사는 것도 아닌데 자기네 목장만 해마다 낙뢰의 피해를 본다고 농담 섞인 하소연을 들은적이 있다. 이것은 바로 지형적, 지질적 원인에 의한 것이다.

2.4.1 지형

1) 해변 : 바다를 거쳐온 바람과 구름은 육지를 만나면 상승기류를 형성하게 되며, 이때 구름도 이 상승 기류에 따라 상승을 하지만 수분을 많이 포함하고 있는 관계로 기류보다 상승 속도가 느려 땅과의 간격이 좁아지므로 인해 낙뢰가 많이 발생한다.

2) 강변 : 비가 오면 습기의 증발로 인하여 일반적으로 기온이 떨어지게 된다. 그러나, 강의 경우 상류에서 흘러내려오는 강물의 영향으로 주변 기온 보다 수온이 높다.
상대적으로 높은 수온은 주변보다 더 맣은 습기를 띄게 되며, 이 습기가 낙뢰의 통로 역할을 한다.

3) 댐 및 저수지 : 많은 물을 저장하는 관계로 기온의 변화보다 훨씬 느린 수온의 변화는 주변에 다량의 습기를 배출하게 되고, 이 습기가 바람의 영향으로 주변으로 밀려 올라가면 낮게 깔린 뇌운과 상호 영향을 미쳐 낙뢰의 통로 구실을 한다.

4) 평야 : 평야 지역의 경우는 돌출된 작은 둔덕이라든지 구축물 등도 낙뢰의 가능성이 크며, 특히 평야가 끝나는 산 밑의 경우가 특히 낙뢰의 가능성이 큰 곳이다. 해변과 같은 이유로 낙뢰의 빈도와 강도가 크다.

5) : 산의 경우는 일반적으로 생각하고 있는 것과 약간의 차이가 있다. 일반적으로 산꼭대기가 낙뢰의 빈도와 강도가 강할 것이라는 것은 맞다. 그러나 산골짜기가 산등성이보다 낮기 때문에 안전할 것이라고 흔히 생각하지만 이것은 맞지 않다.
등산을 좋아 하시는 분들은 높은 산에 올라 갔을 때 구름이 골짜리를 타고 낮게 깔려 올라오는 것을 보았을 것이다. 골짜기의 밑에서 올려 부는 바람은 골짜기가 좁아지고 위로 올라갈 수록 상층부 기류의 압력이 강해져 구름의 밀도가 높아진 상태로 밑으로 깔리게 된다. 그로 인하여 골짜기의 돌출부는 산중턱보다도 훨씬 높은 강도의 낙뢰를 맞을 가능성이 크다.

2.4.2 지질적인 영향

동일한 조건이라면 지하에 광맥이 있는 경우 낙뢰가 많다. 위에서 기술한 지형적인 낙뢰 다발지역이 아닌데 낙뢰가 특히 많은 지역이라면 일단 광맥 탐사를 해보는 것도 일확천금을 할 수 있는 한 방법일 것이다.


2.5 낙뢰 서지의 침투 경로

① TV안테나

② 전력선



3.1 피뢰침의 역할

뇌운(雷雲)의 음전하와 대지의 양전하 사이에 형성되는 전계강도가 대기의 절연파괴강도(약 30KV/㎝) 이상의 되면 뇌방전이 시작 된다. 뇌방전은 뇌운방전(구름-구름) 또는 대지방전 (구름-대지)의 두가지 형태로 나타난다. 선구방전이 대지에 접근함에 따라 대지의 전계강도는 급격히 상승하게 되며,특히 대지의 돌출부와 같은 특정구역에 전하가 집중되어 뇌운의 상향방전이 일어난다. 상향방전과 선구방전이 마주치면 뇌운과 대지 사이에 전하통로가 형성되어뇌방전이 일어나게 된다. 이것이 낙뢰(벼락. Lighting Strike)다. 피뢰침은 선구방전이 시설물에 도달하기 전에 도전성이 우수한 도체를 이용하여 전류를 대지로 유도하여 방전 시키므로 낙뢰를 방지한다.

◇ 선구방전(Down Leader) : 뇌운으로부터 대지로 향하는 뇌전하의 흐름.
◇ 상향방전 (Upward Streamer) : 대지로부터 뇌운을 향하여 흐르는 대지전하의흐름

3.2 뇌격거리 (Strikeing Distance)와 뇌 보호범위

뇌격거리란 대지로부터 상향 방전과 선구방전이 만나는 점 까지의 거리를 말하며,뇌격거리는 전계강도가 크고, 대지에 축적된 전하량이 많을 수록 길어진다. 피뢰침의 보호범위는 뇌격거리와 밀접한 관계가 있으며, 일반적으로 뇌격거리를 반경으로 하는 반구의 내부가 피뢰침의 보호 영역이 된다. 지상의 물체에 접근한 Down Leader가 지상물체의 어디에 먼저 도착하는가는Down Leader로 부터 거리가 가깝고, 도전성이 우수한 물체에 우선적으로 유도된다. 근래 정립된 회전구체법(Rolling Sphere Method)에 따르면 보호각의 개념이 종래와는 큰 차이점이 있다. 다음 그림에서와 같이, 지금까지는 45˚, 60˚ 등을 기본적인 보호각으로 보았으나 Down Leader가 피뢰침 보다 시설물의 돌출 부분이 가까운 경우 돌출부분에 낙뢰가 발생할 수 있다. 이처럼 보호각 내에 들어있는 부분은 낙뢰가 측면으로 떨어질 때를 감안하여 피뢰 설비를 세워야 한다.

 

이처럼 회전구체법을 염두에 두지 않으면 보호각 내에 있는 건축물도 측면에 뇌격이 있을 수 있다.

▶ 전력선

▶ 건축물

 

피뢰침으로 유입된 낙뢰가 지면으로 방류하게 되면, 지면의 전위가 상승하게 되고, 높은 전위의 서지는 전위가 낮은 지중의 전원선으로 유도되어 전원선을 따라 서지 전압이 기기나 시스템에 들어오게 되며, 전도성이 좋은 접지봉이나 메쉬접지을 통해서는 더욱 강한 서지가 옥내로 유입된다. 이외에도 안테나, 전화등 통신선, CCTV, 건물의 철구조물 등으로도 뇌서지가 유입된다. 따라서 피뢰설비만으로는 전자. 전기 설비가 완전히 무방비 상태가 된다. 물론 직격뇌와 같은 강한 energy는 피뢰설비를 통하여 보호를 해야 하지만, 직격뢰로 인한 유도뇌나 접지로 유입되는 서지의 방지를 위해서는 별도의 방지시설을 갖추어야 한다. 낙뢰로 인한 서지의 피해를 최소화 하기 위해서는 피뢰침의 접지와 전기설비의 접지를 20m이상 최대한 멀리 떨어진 곳에 매설하는 것이 좋다.


3.3 신형 피뢰침들

외국의 이온펄스 방식의 피뢰침 (일명 과역피뢰침)이 국내에 공급되며 상당히 빠른 속도로 확산되고 있다. 이들은 기존의 피뢰침 보다 보호범위가 다소 넓다. 그러나 외산인 관계로 기존의 피뢰침과는 비교가 되지 않을 정도로 고가로 유통되고 있다. 따라서 기존 피뢰침이 설치되어 있는 경우는 추가로 보완하는 것이 교체하는 것보다 월등이 경제적이며, 신설의 경우도 미관상이나 설치가 난해한 경우가 아니면 가격대 성능비에서 효율적이라고 할 수 없다. 수입상들이 모르고 있거나, 알려주지, 않고 있는 광역피뢰침의 부작용 또한 적지않다. 전하를 띈 구름이 지나갈 경우, 기존의 피뢰침이라면 그냥 지나갈 구름이 광역피뢰침이 달려 있으면 구름의 전하를 끌어당겨 대지로 흡수 시킴으로 인하여 접지를 통하여 역류된다. 이로 인하여 예민한 기기 등은 DATA의 에러로 인하여 오동작을 일으킬 수 있으며, 전자기기의 수명도 단축 시킬 수 있다.


3.4 피뢰침과 Surge의 관계

건물이나 구조물을 직격뢰로부터 보호하기 위해서는 피뢰침의 설치가 필수적이지만, Surge의 측면에서 보면 피뢰침이 있으므로 인하여 훨씬 많은 Surge가 유입되며, 피뢰침의 성능이 우수할수록 Surge의 유입은 많아진다. 그 이유는 피뢰침이 구름에 형성된 전하를 지면으로 유도하게 되고, 유도된 전하는 접지를 통하여 전기.전자기기의 Ground 전위를 높이기 때문이다. Ground의 전위가 상승한다는 것은 반대로 실효전압이 하강하는 것을 의미하므로 이로 인하여 부품의 파손을 일으킨다.



4.1 접지의 목적

종래의 접지는 전기적 충격으로부터 감전이나 화재, 뇌보호 등의 인체 보호나 물건에 대한 손상을 주로 생각해 왔다. 따라서 접지설계는 접지극을 대지와 낮은 저항으로 얼마나 잘 연결 하였는가가 중요한 요소라고 생각했다. 그러나 최근 고도정보화를 비롯한 설비의 다양화에 따라 접지의 목적과 종류도 다양해져 단순히 대지와 낮은 저항으로 연결하는 것만으로 그 목적을 충분히 달성할 수 없게 되었다. 특히 접지에 따른 노이즈와 서지는 상당한 문제여서 기기의 정상적인 동작이 가능하도록 하는 기능성 접지가 중요시되면서 회로마다 독립적으로 접지하는 등 다양한 대책이 필요해졌으며 접지극의 결합상태도 중요한 요소로 대두 되고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 올바른 접지의 구성이 매우 중요하며 또한 Surge로부터 기기를 보호하기 위해서도 매우 중요한 역할을 하게 된다.

4.2 접지의 종류

4.2.1 용도별 접지

1) 보안용 접지
누전에 의한 감전 및 기기의 손상, 화재, 폭발방지 등 전기설비의 안전을 유지하기 위한 접지다.

1.1) 계통 접지
변압기 2차측 전로의 접지

1.1.1) 비접지식

전압 측정용 장치 이외는 의식적으로 접속하지 않는 전력계통으로, 1상이 지락사고가 발생하면 건전상의 대지전압이 1.7배 이상으로 상승한다. 비접지계에서는 지락시의 고장전류가 적은 것이 특징이 있다. 지락사고점의 검출이 용이하지 않고 구분정전을 필요로 하기 때문에 플랜트 운전에 지장을 줄수도 있다.

1.1.2) 직접 접지식

임피던스를 무시할 수도 있는 도체에 의해 회로의 중심점 또는 1상을 직접 접지하는 방식으로, 다음 이점으로 저압계통에 많이 이용된다.

▷ 저가 (저항장치 불필요)
▷ 감전, 누전에 유리 : 건전상의 대지전압 상승이 적어 검출이 용이
▷ 보수 및 점검이 용이
▷ 비접지계에서 문제시 되는 이상전압이 적다.

1.1.3) 저항접지식

회로에 Y형 결선을 설치하고 그 중심점을 전류제한저항을 통해 접지 하는 방식으로, 지락사고시에 흐르는 지락전류를 제한함과 동시에 아크 지락전류의 발생을 방지하여 확실한 지락 계전기 작동으로 고장회로를 선택 차단하는 것이 가능하다. 일반적으로 고압 케이블 계통에서는 5~20A의 고저항 접지방식이 채용된다.

1.2) 기기접지

─ 외함접지
─ 프레임 접지

1.3 ) 뇌방지용 접지

─ 피뢰침
─ 피뢰기

1.4) 정전기 방지용접지

─ 가공지선, 보안기 등
─ 배관 및 기기의 본딩
가연성가스나 석유류, 분진 등의 폭발성 위험물을 취급하는 공장에서는 정전기의 방전에 의해 발생하는 전기불꽃이 착화점이 되어 폭발을 일으키거나 대전한 정전기가 전자부품에 손상을 주는 각종 장애가 일어날 가능성이 있다. 이러한 정전기에 의한 사고를 방지하기 위해서는 대전의 가능성이 있는 공장내 장치 및 배관 등을 전기적으로 접속(bond)하여 접지해야 한다. 이때, 누설저항이 106 Ω 이상인 도체에는 접지저항은 1000Ω 이하로 접지 하도록 한다.

◆ 정전기대전

- 전기적 현상
방전에 의한 폭발, 화재
전격과 2차 재해
반도체의 손상, 전자기기의 오동작, 잡음

- 물리적 현상
반도체 공장 등의 공정장애, 품질 저하
먼지부착, 클린룸 등에 대한 장애.

1.5) 잡음방지용접지

─ 라인필터
─ 실드 필터
─ 시스템 접지

2) 기능별 접지

─ 회로기능용 기준전위 접지
─ 전기방식용 접지
전기, 전자, 통신 설비기기의 안전을 목적으로 하는 접지다. 공장에서의 생산설비기기의 제어회로는 지락 사고등에 따라 오동작이 발생 하는 경우 중대한 위험이나 손해를 초래할 경우가 있으므로 계통 접지에는 특별히 주의가 필요하다. 따라서 제어전원은 한부분의 지락이라도 치명적인 위험이 발생하지 않도록 직류의 경우는 비접지로 하고, 교류의 경우에도 독립된 제어전원 변압기를 이용 하는 경우는 비접지로 하는 것이 일반적이다. 그러나 다른 저압계통에서 직접 취할 경우는 접지선을 구별하여 만일의 경우 지락사고가 일어나더라도 중대한 오동작이 발생하지 않도록 배려해야 한다.


4.2.2 접지 위치별 접지

1) 전원접지(Main Ground)

전원접지는 전원의 인입단에 접지를 하여 전원의 기준 전위를 제공하며, 모든 전원은 전원접지를 제로(zero)전위로 하여 상대적 전압이 걸리게 된다.
전원 접지는 모든 접지의 기준점이 되어 분기하게 되며 변압기의 중심점과 접속하여 접지와 ㅌ동일 전위를 형성하도록 해 주어야 한다.

2) LOCAL 접지

분전반의 접지단자에 MAIN접지로 부터 분기된 접지선을 접속 시켜, 분전반 전원을 사용하는 모든 기기를 분전반 접지와 접속시킨다.

3) 통신/신호접지

통신과 신호접지는 전원 접지는 과거 공통접지를 사용하였으나, 그 후 별도의 개별 접지를 권장하였다. 그러나 최근은 다시 공통 접지가 더 합리적이라는 것이 밝혀지며 공통접지쪽으로 바뀌고 있다.

4) UPS접지


4.1) 전원접지

입력전원이 공급되는 분전반의 접지와 연결되는 UPS 외함에 접속되는 보안용 접지다.

4.2) 신호접지

UPS 제어신호에 대한 기준점을 제공하기 위한 접지로서 별도의 접지를 하거나 외함접지를 신호접지로 사용할 수 있다.

4.3) 출력접지

UPS출력 전원에 대한 접지로 전원 접지와 접속되어야 하며, 입.출력분리형 UPS인 경우에는 UPS 출력 중심점을 접지에 접속 시켜야 한다. 비분리형 UPS인 경우에는 중심점을 접지해서는 안된다.


5) 장비접지

장비에 접속되는 접지는 피뢰기의 접지단자를 통해 하나의 접지에 병렬로 접속 되어야 한다.

6) 보안접지(Frame Ground)

보안접지는 분전반 또는 전기가 흐르지 않는 모든 금속제 외함에 접지하는 것으로 전기적인 이상이 발생시 누설전류를 접지선을 통하여 신속히 대지로 방류하도록 하여 인제가 금속체와 접속 되더라도 전기적 충격을 받지 않도록 하는 역할과 공중파 또는 유도장애를 차단하여 기기를 보호한다. 보안 접지는 전원접지점으로 부터 분기하여 접속되는 전원접지의 일종이다.


4.2.3 접속 방법에 의한 분류

건축물이나 구조물의 경우 망상(Mesh)접지를 하고, 철구조물에 접속을 시키면 전극의 확대로 저접지저항을 얻을 수 있다. 망성접지 방식은 단일 접지로 접지 저항을 낮추는 것보다 효율적인 면이 많다. 그것은 단일 접지의 경우 접지봉에 근접한 곳에 벼락이 있어 지면의 전위가 상승 하면 상승된 전위가 그대로 역류가 되어 기기로 유입되지만 원거리 망상 접지를 하였을 때는 벼락의 영향을 받는 빈도는 증가할 수 있지만 서지의 강도는 현격히 줄일 수 있으므로 2차적으로 서지방지기를 사용하여 막기가 쉽다. 잘못된 접지의 경우 전자기기에 막대한 피해를 주게 되며, 추후 그에 대한 대책을 세울 수 없는 경우도 발생된다. 한 예로 전기관련 대기업에서 대형 제어시스템을 설치 하면서 시스템 길이만큼 바닥을 폭 1m 정도로 파고 전체를 접지로 한 다음 그 위에 제어기기 시스템을 올려 놓아 샤시 접지를 시킨 것을 보았다. 그것을 설치한 사람들의 생각에는 완벽한 접지로 뇌서지를 잡을 수 있다는 생각에서 그리 하였겠지만 그로 인하여 많은 비용을 들여 뇌서지가 침입할 수 있는 고속도로를 아주 훌륭히 닦아준 것이다. 뇌방지 시설을 할려고 해도 그 시스템 전체를 바닥의 접지에서 분리한 다음 이루어져야 하므로 사실상 불가능한 상황이었다. 한마디로 뇌서지의 측면에서는 많은 비용을 들여 뇌서지의 난공불락 요새를 만들어 준 것이다.
이러한 오류를 범하지 않으려면 설계에서부터 뇌서지를 충분히 고려하여 접지설계를 하여야 뇌서지에 관한 깊은 성찰이 없는 바 이로 인한 문제가 많이 발생하고 있다.

1) 공용접지

공용접지의 경우 접지전류에 의한 전위 상승이 접지를 공용하고 있는 모든 설비에 파급될 위험이 있다. 일반적으로 낮은 접지저항과 경제성 측면에서 공용접지를 많이 사용하고 있다.

1.1) 직렬 접지

접지점으로부터 각각의 기기로 접지선을 직렬로 접속하는 것으로 시공이 간편하고 경제적이지만 각 장비 사이에 접지전위차가 발생할 수 있다.

1.2) 병렬접지

주접지점으로 부터 접지선을 병렬로 각각의 기기에 접속하는 것으로 각 장비간 등전위를 형성할 수 있으며, 장비 상호간 영향을 받지 않아 양호한 접지를 구성할 수 있으나, 시공이 복잡하고 비용이 많이 든다.

1.3) 직 병렬접지

분전한 단위로 병렬접지를 하고 전체를 직렬접지하는 것으로 경비대성능비에서 권장할 만한 방법이다.

2) 단독접지

접지에 따른 노이즈와 서지는 상당한 문제여서 기기의 정상적인 동작이 가능 하도록 하는 기능성 접지가 중요시 되면서 회로마다 독립적으로 단독접지를 한다. 접지극간의 전위상호 간섭문제 때문에 전위상승 파급의 위험이 있는 제2종접지, 피뢰기용 접지, 전력회사의 케이블 시스 접지 등으로 한다.
단독 접지를 할때는 접지간의 상호 간섭을 줄일 수 있도록 접지 사이를 최대한 멀리 떼어 놓는 것이 필요하다.
전자기기 메이커는 다른 계통에서 접지선을 통해 전류가 흐르는 경우가 있기 때문에 단독 접지를 권한다.

3) 단독접지와 공용접지의 장단점

독립접지

공용접지

장점

*다른 설비에서 문제가 발생한 경우에 해당 접지 부분만 잘라내면 원인 규명이 가능하다.

*접지극간의 전위 상호간섭이 없어진다.
* 접지계통이 단순화된다.
* 접지 저항을 낮출 수 있다.
* 전위의 기준점을 세우기 쉽다 .

단점

* 지락사고시에 접지극간 전위 상호 간섭이 일어난다.
*고층빌딩 등에서 접지선이 안테나 효과에 의해 노이즈가 발생하는 경우가 있다.
* 전위기준점 대책을 고려할 필요가 없다.
* 다수 접지극을 매설하기 때문에 접지 계통이 복잡해진다.

* 1계통에서 발생한 사고로 인한 전위
상승이 다른 계통의 기기에 까지 파급될
위험성이 있다.

4) 공용화 단독 접지

단독 접지의 문제를 최소화 하기 위해서는 평시에는 단독접지로 사용하고 낙뢰 등으로 단독접지 가운데 하나가 다른 접지와 전위차가 많아지면 이 전위차를 해소 하도록 독립접지간에 접지전위차해소기를 설치하여 공용접지화 되도록 하는 접지 방식이다.


4.3 접지의 기준

4.3.1 전원 접지 : 10Ω 이하 (1종), 다음은 한국전력표준규격이다.

1) 접지동판(Ground Plates)

1.1) 규격

규격번호

규격 (두께 가로 세로 ) mm

ESB 107-140

1 × 300 × 300

1.2) 재질 : KSD 5201(동 및 동합금의 판 및 조) 2종 경질 또는 이와 동등 이상의 재료를 사용 하여야 하며, 리드선은 KSC 3130( 전기용 연동연선)의 7/2.0mm를 사용하여야 한다.

1.3) 접속 : 동판과 동선의 접속은 용접법에 의하여 전기적 기계적으로 안전하게 접속 되어야 한다.

2.1) 규격

규격번호

규격 (두께 가로 세로 ) mm

비 고

ESB 107-529

14 × 1,000N

접지동봉

ESB 107-531

14 × 164(38˚)

리드단자

2.2) 구조

2.2.1) 접지봉은 본체와 리드단자로 구성된다.
2.2.2) 본체는 지중타입(地中打入)에 충분히 견디는 것이어야 하고 또한 본체의 동봉과 피복동 및 리드선이 부착된 리드단자는 지중에 타입 시 그 충격에 대하여 이동 하지 않도록 밀착된 것이어야 한다.
2.2.3) 동봉과 피복동 사이는 수분등 기타 이물질에 의한 동봉의 부식을 방지할 수 있도록 적절한 가공과 부식처리가 되어 있어야 한다.
2.2.4) 각부의 연결부분은 가공 후 완전히 밀착되어 전기 저항이 증가하지 않도록 하며, 수분 기타 이물질로 인하여 부식되지 않도록 하고 타입에 지장이 없는 구조라야 한다.
2.2.5) 리드단자와 리드선 연결은 전기적으로 기계적으로 완전히 접속되어 접지 효과가 저하되지 않는 구조라야 한다.
2.2.6) 리드단자와 리드선은 타입 시에 터지거나 이상이 있어서는 안된다.
2.2.7) 연결부 및 리드 단자 취부부분은 본체와 일체라야 한다.

2.3) 재질

2.3.1) 접지봉 본체 및 리드단자 : 강심(鋼心)은 KSD 5503(일반구조용 압연강재)에 규정 하는 제2종 SS 41, 피복동은 KSD 3501(이음매 없는 동 및 동합금판)에 규정 하는 CIIOOH를 사용하여야 한다.
2.3.2) 리드선 : KSC 3101(전기용 연동선)에 규정하는 7/2.6mm이상의 굵기이어야 하고 길이는 300MM 이상이어야 한다.
2.3.3) 형상과 치수

접지봉 및 리드단자치수(mm)

본 체

리드단자

L

D

d

A

B

C

Co

Do

Dp

e

f

g

치수

1,000

14

13

60

40

12

10

13.9

17

62

50

40

허용오차

±20

+0,1
- 0

+ 0
- 0.1

±5

±5

±1

±3

+ 0.1
- 0

+ 0.1
- 0

±2

±2

±2

3) 접지봉타입철핀(接地棒打入鐵 PIN)

3.1) 재질 및 구조 : 철핀의 재질은 KSD 3503 (일반구조용 압연강재) 제 3종이어야 하고, 구조는 ESD 107-529-531(접지강봉)의 타입에 편리하고 접합한 구조여야 한다.

3.2) 치수

치수 (mm)

Dh

i

Ct

Df

치수

100

19

15

11.7

13.6

허용오차

±5

+ 1
- 0.5

+ 1
- 0

±0.5

+ 0
-0.1

 

4.4 접지와 관련된 제반 사항

4.4.1 저감제(Earth Dain)

전에는 아스론을 많이 사용 하였으나 근래에는 카본과 생석회를 주성분으로 사용함으로써 전해질이 들어있지 않아 장기간 매몰 시에도 지하수로 유실이 되지 않으므로 낮은 접지 저항을 안정적으로 얻을 수 있다.

4.4.2 토양별 저항율

토양의 종류

저항률(Ω/m)

높 및 못

80 ~ 200

점토질 모래

150 ~ 300

모래

250 ~ 500

사암 및 암반지대

10,000 ~ 100,000

대지저항률은 계절변동이 있는데 일반적으로 겨울에는 높으며, 여름에는 낮다. 이것은 토양의 온도와 습도의 영향이라 본다.
접지공사의 어령무을 구체적 예를 들어 보면, 일반적인 접지공법의 동판매설(900mm×900mm×1.5t의 동판 1장을 깊이 750mm에 매설) 에서 10Ω의 접지저항을 얻기 위해서는 30~50Ω/m 의 낮은 대지저항율이 필요하다.
동판을 복수 매설하여 연접접지를 하더라도 대지저항율 500Ω/m이 한계다. 따라서 대지저항율 500Ω/m이상의 장소는 낮은 접지 저항치를 얻기 어렵다.
산악지대 등 대지저항이 높은 곳에서의 접지공법은 시공 가능한 면적, 시공의 낭이성, 경제성, 접지저항의 경년변화 등을 고려하여 선정하여야 한다. 접지나 메시접지를 응용한 공법(메시접지 + 저감제 등) 이 적합하다. 보링접지는 낮은 저항을 얻는 면에서는 효과적이지만 높은 지대로 보링기계의 운반, 시공상의 안전 등 문제점이 많아 채용 시에는 충분한 검토가 필요하다.

 

4.5 접지와 Surge의 관계

인명이나 기기의 보호를 위해서 접지는 설치가 필수적이지만, Surge의 측면에서 보면 접지가 있으므로 인하여 훨씬 많은 Surge가 유입되며, 접지의 성능이 우수 할수록 Surge의 유입은 많아진다. 그 이유는 낙뢰 등으로 지면에 형성된 강한 Surge가 접지선을 타고 들어가 전기.전자 기기의 Ground의 전위가 상승한다는 것은 반대로 전원전압이 하강하는 것을 의미하므로 이로 인하여 부품의 파손을 일으킨다.
서지방지기의 설치를 위하여 실제 현장에 가보면 서지방지기를 설치하기 곤란한 경우를 많이 보게 된다. 실제로 전에 발전소를 방문한 적이 있었다. 그런데 지면에 상자형의 접지를 만들어 놓고 그 위에 제어 시스템들이 설치되어 있었다. 서지방지기를 설치하면 그 서지방지기로부터 분기된 접지를 사용하여야 하는데 이 경우 그것이 사실상 불가능하여 설치를 하지 못하는 부분이 있었다. 이러한 부분은 설계 당시서부터 고려할 사항이다.



서지를 억제하는 소자는 많은 종류가 나와 있다. 근래에는 서지내량이 크고, 반응 속도가 빠르며, capacitance 가 적은 우수한 제품들이 빠른 속도로 개발 되고 있다. 여기에서는 일반적으로 알려진 소자들을 위주로 그들 간의 특성을 소개 하고자 한다.

5.1 Varistor

전극 양단에 걸리는 전압과 전류에 따라 변화하는 가변저항형 부품이며 비직선적인 저항 특성을 나타난다.
전류, 전압 특성을 살펴보면 아래와 같다. Varistor에도 여러 종류가 있지만 산화아연으로 만든 MOV(Metal Oxide Varistor)가 전기 전자회로에서 주로 사용되고 있다. MOV는 소용량에서 부터 대용량에 이르기 까지 다양한 전압, 전류 범위에서 과전압억제회로에 많이 쓰이고 있다.
위 그림에서 보듯이 breakdown voltage까지는 high impedance를 유지하나 threshold를 넘으면 급격히 impedance가 저하되어 Surge 전류가 ground 등 주어진 경로로 흐르게 된다. 따라서 병렬로 접속되어 있는 부하는 Surge로부터 안전하게 보호된다. 반응속도가 1ns(nano-second) 이하의 고속이며, 비교적 큰 Surge energy를 handling 하며, module 형태로 조합하여 서지내량을 키울 수 있으므로 전원의 큰 서지를 방지 하기 위해서는 가장 바람직한 소자다. 그러나 아래의 단점 때문에 통신용으로 사용하는 데는 많은 주의가 필요하다.
단점으로는 capacitance가 다른 소자에 비하여 크고, 누설전류도 큰 편이다.
MOV를 선정할 때는 다음 사항을 필히 고려하여야 한다.
첫째는 정격과 에너지 내량이고, 둘째는 clamping 전압이 얼마인가를 알아야만 효과적으로 보호할 수 있다. 그 외 누설전류, 반응속도, 비직선지수등을 고려해야 할 것이다.

V vs I CHARACTERISTICS OF MOV

MOV를 회로에 적용 하고져 할때는 서지가 내량 이상으로 유입되었을 때 소자가 파손되면서 연기가 다량 발생하며, 파편이 비산 한다는 점을 유의하여야 한다. 때문에 주요 소자에서 원거리에 배거나, 아예 격리 시키는 것이 바람직하다.

5.2 Gas Tube (Spark Gap Arrester)

전극을 일정 간격으로 밀착시켜서 양단에 인가되는 전압에 따라 방전을 유도하는 형태의 소자로서 전극을 보호하기 위해 밀폐시킨 후 진공상태에 Neon, Argon 등 불황성 GAS를 적정 비율로 주입시켜 전극을 보호하여 방전을 원활히 한다.
2~3극으로 clamping voltage가 90 V~1,000V까지 다양하며, 여러 가지 보호소자 중 서지내량이 가장 높아서 300, 000A 까지의 서지를 제어할 수 있다.
서지내량이 높은 반면 응답속도가 느리고, 수명이 짧아 요즘에는 특수한 경우에만 사용하고 있다. 하지만 threshol 전압이 인가 되어야 동작하고, 평상시에는 누설 전류가 거의 없다는 장점 때문에 통신계통에서 사용한다. 선정할 때는 breakdown voltage를 고려하여 clamping 전압을 최소화할 필요가 있다

응용 예 >

현재 일반 소비자가 흔히 볼 수 있는 것으로 전화단자함에 내장되어 있는 가입자 보호기를 들 수 있다.


5.3 TransZorb

TransZorb Suppresor(TVS.과전압억제기)는 과전압(transient voltage)에 적용하고자 설계된 P형 반도체소자로서 Surge 제어능력이 좋고 응답시간이 빠르고(1×10 -12sec)직렬 저항이 낮은 PN Silicon 전압 억압소자이다.
TransZorb 과전압 억압소자는 유도성 및 스위칭 현상이 나타나는 항공기의 항공전자장치와 제어장치, 이동하는 통신장비, computer 전원장치, 수치제어기 등에 매우 유용하다. 빠른 응답시간과 낮은 clamping factor들 때문에 TransZorb 소자는 IC, MOS 소자 Hybrids와 다른 전압반응소자들을 보호할 수 있다.
각 소자들을 측정해 본 바에 의하면 현재 개발된 소자 중 TransZorb가 반응시간이 가장 빨랐다.

peak power 정격을 높이기 위하여 직렬 또는 병렬로 사용한다.



6.1 단계별 검토 사항

공장, 건물, 제조공정, 통신 시설 등 전반적으로 전원에 요구되는 power quality를 검토함으로서 낙뢰 및 Surge로부터 효과적이고, 경제적인 해결책을 찾을 수 있다. 미국에서 행한 서지 관련 연구 결과에 의하면 전자장비의 원인불명 고장 중 88.3%는 서지의 대책만 제대로 이루어진다면 막을 수 있다는 것이다.
아래에 검토 시 참조할 단계를 예시한다.

6.1.1 보호 설비 및 기기 선정
배전설비 및 접지현황, DCS, PLC, SCADA, IndustrialProcess Contrroller, Computer Network System, IBS, Celluar Station, Broadcasting, UPS등 보호해야 할 주요 설비 및 기기의 목록을 작성한다.

6.1.2. Surge의 크기와 발생원(發生源)
1) 크기 : 낙뢰의 가능성, 내부적으로 발생하는 Surge의 크기 등을 검토한다.
2) 발생원 : Surge 발생의 75~95%는 내부에서 발생하므로 Motor, Compressors, Inverter, Pump, Welder 등 Surge가 발생하는 설비 유무를 검토한다.

6.1.3 Diagram 작성
앞의 1,2 사항을 참조하여, 전원의 사양(인가되는 정격 전압 및 결선방식(WYE/DELTA), 위치 드엥 관한 Power & Signal Line Diagram를 작성한다.

6.1.4 서지방지기 설치의 우선순위
1) 개폐나 기동서지의 영향을 많이 받는 예민한 기기. Controllor, PLC 등
2) 외부의 서지에 예민한 기기. 의료장비, 계측기기, 컴퓨터 등
3) 강한 개폐나 기동서지를 많이 발생하는 기기. 승강기, 대형모터 등
4) Branch panel
5) Main panel

6.1.5 Surge Protector 선정
보호하고자 하는 것의 종류, 환경, 용량 등을 종합적으로 검토하여 선정한다.
<*> 7. Surge Protector 참조

6.1.6 설치
위치와 선을 확인하여 Surge protector를 설치한다.

1) 전원

1.1) 1차보호 : 주 변압기의 2차측 Main panel에 Main Surge Protector를 설치하여 외부로부터 침투하는 Surge를 1단계 역제한다.
1.2) 2차보호 : 각 건물의 분전반 또는 UPS, AVR 입력단에 Surge Protector를 설치하여 Main Surge Protector 를 통과한 잔여 Surge 및 내부 발생 Surge를 억제한다.
1.3) 3차보호 : 정밀 제어 장비의 전원 입력단에 Surge 및 Noise를 제거 할수 있는 Power Conditioner Surge Protector를 직렬로 설치하여야 한다.

2) 통신 신호보호

선로의 양단에 Surge Protector를 설치하며, 접지는 전원선과 공통 접지를 사용해야 한다.

3) 접지보호

전원은 필히 접지가 이루어져야 하며, 2개이상의 접지가 1개의 기기에 접지 되는 경우는 반드시 병렬접지를 시켜야 한다.


6.2 발생 원인별 대책

6.2.1 자연 현상에 의한 Surge
1) 직격뢰
직격뢰로 부터 인명과 장비를 보호하기 위해서는 1차적으로 피뢰침을 설치하여 강력한 직격뢰를 유도뢰 또는 간접뢰의 형태로 바꾸어 주어 막강한 에너지를 분산 시키는 것이 필요하다.
2) 간접뢰
전원선로 및 신호선로에 고용량 Surge Protector를 설치한다.
3) 유도뢰
전원부에 고용량 Surge Protector(TVSS)를 설치한다.

6.2.2 개폐 및 기동에 의한 Surge
개폐 및 기동 Surge가 많이 발생하는 기기에서 다른 system으로 Surge가 전이되면 많은 기기에 영향을 미치므로 이러한 기기에는 필히 Surge Protector을 달아 이를 막아 주어야 한다.
1) 개폐 Surge
전원부나 Switch 후단에 Noise Filter가 내장된 Surge Protector를 설치하여야 한다.
2) 기동 Surge
기동기기나 부품의 후단에 Noise Filter가 내장된 소형 Surge Protector를 설치 하여야 한다.


6.3 전이 과정별 대책

6.3.1 전도성 Surge
사용기기의 앞에 소형 Surge Protector를 설치한다.

6.3.2 유도성 Surge
가급적 외부 인입선은 shield cable을 사용하고, 전원선과는 격리 시켜야 하며, 기기의 앞에는 소형 Surge Protector를 설치한다.

6.3.3 전파성 Surge
인입선은 필히 shield cable을 사용하고, 기기의 앞에는 소형 Surge Protector를 설치 한다.

6.4.4 복합성 Surge
가급적 외부 인입선은 shield calbe을 사용하고, 사용환경에 따라 보호 하고자 하는 기기의 앞이나 Surge가 많이 발생하는 기기의 뒤에 소형 Surge Protector를 설치한다.






( TVSS(Transient Voltage Surge Supperessors))

( SPD(Surge Protector Device))


7.1 Surge Protector의 기본원리

서지를 제어하는 데는 2가지 방법을 쓸 수 있다 . 하나는 서지를 빛이나 열로 변환 시켜 완전히 소멸 시키는 방법이다. 그러나 극히 짧은 순간에 높고 강한 서지를 열이나 빛으로 변환하는 것도 어렵거니와 그로 인한 주변의 피해 또한 서지를 그냥 두었을 때에 비하여 적다고 할 수 없을 것이다. 그 다음의 방법은 서지가 전원선으로 들어올때는 서지를 접지선으로 흘려 주고, 서지가 접지로 유입될 대는 반대로 전원선의 전압을 보상 해줘서 억제 전압이하로 유지시키는 방법으로 서지방지기는 이 방식을 사용 하고 있다.

단상 220V 전원선의 Hot Line으로 5000V의 서지가 유입된 경우

전원선의 Hot Line으로 서지가 유입되어 서지방지기의 동작개시 전압 이상이 되면 서지 방지기는 유입된 서지를 중성선과 접지선으로 분기 시킴으로서 전원선의 전압을 서지억제 전압 이하로 안정시켜 출력 한다.

단상 220V 전원선의 접지선으로 5000V의 서지가 유입된 경우

인근에 낙뢰가 있으면 대지전압이 상승하고, 상승된 대지전압(서지)은 접지선으로 유입된다. 유입된 서지로 인하여 전원선과 접지선 간의 전압이 서지방지기의 동작개시 전압 이상이 되면 서지방지기는 접지선으로 유입된 서지를 hot line과 neutral line으로 분기 시켜 전원선에 전압을 보상 해줘서 전원선의 전압을 서지억제전압 이하로 안정시켜 출력 시킨다.


7.2 Surge Protector의 종류

7.2.1 Protection 방법에 분류

전원용의 경우는 아래의 분류가 상당 부분 적용되지만, 통신용의 경우는 소자의 발전이 급속히 진행되어 아래의 구분이 거의 모호하다.

1) 방전형 Surge Protector

1.1) 동작원리 : 방전개시전압 이하에서는 개방 상태에 있따가 방전개시전압을 초과하는 Surge가 유입되면 순간적으로 도통상태가 되어 전류가 Surge Protector로 흘러 전압이 강하되며, Surge가 제거되면 다시 원래의 개방상태로 돌아간다.
1.2) 소자의 구성 : 방전소자인 Gas Tube, Air Gap등이 사용된다.
1.3) 특성 : 방전형 Surge Protector는 일반적으로 방전개시전압이 사용전압에 비해 훨씬 높고, 방전 개시 때 개시 전압의 20~30%까지 drop 현상이 일어나며 , 동작 속도가 느려 근래에는 거의 이 방식을 사용 하지 않으며, 정밀장비 보호용에는 이 방식의 제품을 사용 하지 않는 것이 좋다.

2) 억제형 Surge Protector

1.1)동작 원리
:전
압이 동작 전압(Operation Voltage. 사용전압 보다 15~25% 정도 높은 전압) 이하일 때는 매우 높은 impedence를 갖고 있다가, 동작 전압을 초과하는 Surge에 대해서는 매우 낮은 impedence를 갖는다. 선로 impedence와 Surge Protector impedence의 강관관계에 의해 Surge가 억제된다.
억제형은 방전형과 달리 전압을 특정 level 까지만 제한하는것으로 제한전압을 Clamping Voltage 또는 Suppressor Voltage라고 부르며 선로 impedence 와 Surge Protector impedence의 상관 관계에 의해 Clamping Voltage가 결정된다.
1,2) 소자의 구성
: 전압억제형 Surge Protector 에는 비선형 전압 전류 특성을 갖고 있는 MOV, 반도체, Diode 등의 소자들이 사용된다.
1.3) 특성 : 전압 억제형 Surge Protector는 반응 속도가 빠르고, Surge 흡수 능력도 우수해 정밀장비 보호용으로 적합하며, 일반적으로 가장 많이 사용되고 있다. 특히 50 KA 이상의 Surge Protector에는 거의 이 방식을 사용하고 있다.

3) 조합형 Surge Protector

방전형과 억제형을 조합하여 사용하는 방식으로 통신용으로 극히 일부 제품에 사용 하고 있다.

7.2.2 설치 방법에 분류

1) 직렬형(Serial Type) Surge Protector

주로 소용량에 안정된 전원을 요하는 System이나 기기에 사용하며, Noise Filtering 기능을 갖고 있는 제품을 사용하므로서 비선형 부하에서 발생하는 Harmonic(비정현파) 전류가 System이나 기기로 흐르는 것을 방지한다.
중 대용량 전원에 직렬형을 사용할 경우 전원의 연속성에 문제를 발생시킬수 있으며, 설치 및 유지보수가 어렵다.

2) 병렬형(Parallel Type) Surge Protector

수전반, 배전반 등의 중.대용량 전원에 사용한다.
중 대용량 전원의 경우전원의 연속성을 기할 수 있고, 설치 및 유지보수가 쉬워 대부분 병렬형을 사용하며, 가장 바람직한 방식이다.


7.3 Surge Protector의 선정과 설치

7.3.1 Surge Protector 선정의 검토 사항

1. 용도
- 전원용 : AC인지 DC 인지 확인 → AC인 경우 단상, 3상 확인 → 인가전압 → 부하전류
→DC인 경우 → 인가전압 → 부하 전류
- 통신용 : 통신기기의 종류 → 사용 전압 → 연결단자를 확인

2. 서지 내량 (Surge Current Capacity)
- 설치 장소의 환경과 전류량에 따라 Protector의 용량을 결정한다. 용량을 결정하는 데는 먼저 환경, 즉 자연 발생적인 낙뢰의 위험성, 기동 및 개폐 Surge의 크기와 빈도 등을 고려하고, 그 다음으로 사용 전류의 양을 고려해야 한다.

* 환경적 요인에 의한 용량 (Mode당 )

위험도

환경

용량

특고

낙뢰의 위험이 큰 산악, 해변, 평야 등에 철 구조물이 있는 곳

260KA 이상

낙뢰의 위험이 큰 산악, 해변, 평야 등

160KA 이상

낙뢰의 위험이 크지 않은 곳

80KA 이상

낙뢰의 위험이 극히 적은 곳

80KA 미만

* 사용 전력에 의한 용량 ( 용량은 Mode당 용량)

최소용량 = VA / 220
<예> 220V 50A 의 경우 : 220 X 50 ÷ 220 = 50 KA
정적용량 = VA / 150

-낙뢰서지를 막기 위해서는 수전반에 최소 80KA 이상을 적용하는 것이 바람직하다.
- 수전반의 전류가 100KVA가 넘을 경우는 배전반으로 분산 설치하는 것이 비용대 효율면에서 유리하다.
- 대부분의 Protector는 Surge Current Capacity/ Mode를 단위로 표기 하지만 일부 업체의 경우 Peak Surge Current( Total Surge Current Capacity)를 사용하고 있는데 이는 각 Mode당 용량을 Phase로 곱한 수치를 단위로 사용한 것이므로 주의를 요한다.

3. 억제전압
(Clamping Boltage or let Through Voltage,
Suppressed Voltage Rating)

Surge Protector를 선택함에 있어서 중요한 사항으로 Clamping Voltage는 낮을수록 좋다. 그러나, 이러한 상식을 역이용하여 무리하게 Clamping Voltage를 낮출 경우 보호소자에 과다한 부하를 가하여 열화가 급격히 이루어져 수명을 단축 시키므로 주의를 요한다.
Clamping Voltage를 낮추기 위해서는 High Clamping Voltage와 Low Clamping Voltage를 조합하여 단계적으로 낮추는 것이 바람직하다.

4. 보호수명(Perpetual life Protection)
Protector의 수명은 설계 방법 및 Clamping Voltage와 밀접한 관련이 있다.

7.3.2 전원용 서지방지기
낙뢰의 위험성이 높은 지역은 전원 계통의 서지방지기를 주전원, 판넬, 장비로 구분해 3단으로 설치하여 단계적으로 보호 협조를 이루어야 한다. 서지방지기의 용량은 지형적인 조건, 부하전류 등을 고려하여 너무 작지 않도록 적정한 용량을 결정 하여야 한다.

<*> ANSI/IEEE Cat. C1. C2. C3

정격전압

Clamping Boltage level

CAT.C1

CAT. C2

CAT. C3

120Vac

< 400 VpK

< 500 VpK

< 700 VpK

240Vac

< 800 VpK

< 1000 VpK

< 1100 VpK

440Vac

< 1500 VpK

< 2000 VpK

< 2000 VpK

600Vac

-

< 2000 VpK

< 2000 VpK

1) 주전원용 서지방지기
주전원용 Surge Protector는 외부로 부터 침투하는 전원선로의 Surge로부터 기기를 보호할 목적으로 설치하며 사용전압, 유입되는 서지의 크기 등을 고려하여 병렬형 서지 방지기를 수전반에 설치 해야 한다.
<*> ANSI/IEEE Cat. C1. C3

2) 분전반 전원장치 보호용 서지방지기
분전반응 서지방지기는 분전반 또는 UPS, AVR 등과 같은 전원공급장치에 병렬형 서지방지기를 설치해야 한다.
<*> ANSI / IEEE Cat. C1. C2

3) 기기보호용 서지방지기
SCADA. DCS. RCS. RTU. PLC 등의 정밀 제어 장비나, 유량계. 수위계 온도계와 같은 계기는 Surge에 매우 예민하여 쉽게 손상 되므로 이들 기기를 Surge로부터 보호하기 위해서는 기기의 전원 입력단에 설치하며, 신호보호용 서지방지기와 조합하여 system을 보호해야 한다.
이때 전원용 및 신호용 서지방지기의 접지는 동일 접지를 사용하여 전원과 신호 접지 사이에 접지 전위차가 발생하지 않도록 설치해야 한다. 특히 정밀 제어장비 보호용 서지방지기는 Surge 뿐만 아니라 Noise도 동시에 제거할 수 있는 직렬형 의 서지방지기를 사용해야 한다.
<*> ANSI/IEEE Cat. C1

*) Harmonic : 계통 전원선에서 공급되는 전원은 정상적인 상태에서 600Hz의 정현파(Sine-wave) 전류, 전압을 공급하고 있다. 그러나 이 60Hz의 정현파를 변조시키는 Harmonic Distortion(60Hz 기본파의 정수 배, 주로 홀수 정수 배로 정현파 전류 또는 전압의 여러크기의 합)이 발생하여 전력 공급선과 system에 문제를 일으키는 경우가 많다.
Harmonic을 발생시키는 Electrical Device 또는 Equipment 로는 Power Switching으로 전력 변환을 하는 비선형 부하(Non-Linear Load : Rectifier(정류기), Inverters, Variable, FrequencyDrivers, UPS, SMPS, DCPower Supply, Ballast등) 이며, 이는 일반 선형부하와는 달리 부하 전류가 전압에 의하여 비례하지 않으므로 전원 측으로 비정현파 전류(Harmonics) 가 흐르고, 회로 Impedence에 의하여 비정현파 전압 강하가 발생하여 그 결과 전원 전압의 파형을 찌그러지게 한다.
이런 비선형부하는 Switching시 Surge/Transients를 발생 시키므로 Power Conditioner의 기능을 갖고 있는 Sine-wave Tracking Filter 회로를 내장한 Surge protector를 사용하여야 한다.
*) Power Condeitioner : Impulse Transient, Oscillatory Transient,m Harmonic 등으로 Sine-wave가 이상 파형으로 되었을 때 원래의 Sine-wave에 가깝게 해주는 Filtering장치

4) 전원용 서지방지기의 설치

4.1) 전압
설치 전에 실제 사용 전압과 서지방지기의 전압 규격을 확인한다.
일반 강압트랜스를 사용하는 경우 중성선과 접지선 사이에 강압되기 이전 전압이 뜨는 경우가있다. 이것은 Hot과 Neutral이 바뀌면 생길 수 있으며 이것을 바로 잡으면 해소될 숟 ㅗ있다.

4.2) 접속 형태별 설치

4.2.1) 직렬

- 전원용의 경우는 허용 전류를 확인 하여야 한다. 용량 이상의 전류를 사용할 떄는 과전류로 인한 문제가 발생한다.
- 직렬접속의 경우 보호 대상 장비에 최대한 가까이 설치하고, 접지선의 길이를 최소화한다. (전원 : 60cm 이내, 통신 : 30 cm이내)
- 좁속이 완전하게 이루어졌는지 필히 확인 한다.

4.2.2) 병렬

선의 길이는 짧으면 짧을수록 좋다. 길이가 길어지면 그만큼 반응 속도가 느려진다. (40~60cm이내).
다음의 예에서 보듯 같은 제품(SM-22P-260K2, 220V용)를 같은 조건(1.2 ×50㎲)으로 600V의 서지를 인가 하였을 때 최고통과전압(Maximum Clamping Voltage)은 선의 길이가 20cm인 경우 638V, 2m인 경우 1128V로 현격한 차이가 났다.
그 이유는 전원선으로 유입된 서지를 서지방지기 까지 유도하여 처리한 다음 되돌리기 까지 걸리는 시간 만큼 전원선으로 직진하는 서지는 잡을 수 없기 때문이다.

<예1> 선의 길이가 2m인 경우

<예2> 선의 길이가 20cm인 경우

7.3.3 통신용 서지방지기

신호용 및 통신용의 경우 동일 건물이 아닌 경우, 즉 옥외로 선로가 나갔다가 들어오는 곳에는 모두 서지방지기를 달아 주어야 한다. 지중선이든 공중선이든 옥외에 노출될 경우 유도서지가 유입될 수 있기 때문에 옥외 통신의 경우 선로 양단에 서지방지기를 부착해야 한다.
신호용 및 통신용 서지방지기의 경우 송수신기기가 예민 하므로 송수신전압을 꼭 확인하여 그에 적합한 제품을 선택하여야 한다. 저전압의 송수신기에 높은 억제 전압의 서지방지기를 사용하면 전송기기의 손상을 입을 수 있으며, 너무 낮은 억제전압의 서지방지기를 사용하면 신호 및 통신의 에러를 발생 시킨다.
1) 통신용 서지방지기 : 교환대에는 1차 보호용 서지방지기, Modem.FAX 등의 기기를 보호 하기 위해서는 2차보호용 서지방지기를 사용하여야 한다. 통신용 서지방지기는 전원용 서지방지기와 조합하여 상요하여야 하며, 두 종류의 서지방지기는 공통 접지를 사용하는 것이 좋다.

2) 신호용 서지 방지기 : 신호용 서지방지기는 신호 선로의 양단에 설치 되어야 하며, 일반적으로 전원용과 조합하여 보호해야 한다.

2.1) Analogue 신호용 서지방지기 : Analogue신호는 24Vdc, 1~10Vdc 4~20mA등이 있다.
2.2) Digital 신호용 서지방지기 : 디지탈 신호는 접점방식. pulse형 신호 등이 있으며, 대부분의 고속 통신을 하게 되므로 서지방지기에 의해 신호의 감쇄가 되지 않는 고속통신용 서지방지기를 설치 하여야 한다.

※ 종류별 전압

신호명

사용전압

비고

RS-422, RS-485, LAN

5Vdc

RS-232C, LAN

12Vdc

DB9, DB25

24V I/O Line

24Vdc

Modem (Leased Line)

48Vdc

전화

Transmitter

1~50Vdc/ac

4~20mA Current Loop

1~170Vdc/ac

도표의 전압은 경우에 따라 달라질 수 있으므로 서지방지기를 설치 하기위해서는 필히 확인을 하여봐야 한다.

3) 통신 및 신호용 Surge Protector 설치


7.4 Surge Protector와 혼동하기 쉬운 System

7.4.1 피뢰침
:
피뢰침은 뇌운의 음전하를 우수한 도체를 통하여 지하로 유도하므로 인하여 뇌운 방전과 대지방전으로 인한 낙뢰를 방지하는 것으로 낙뢰로 인한 건축물의 파손과 인명 피해를 방지하기 위한 것이며, 전자기기에 미치는 Surge의 피해는 전혀 막을 수 없을 뿐만 아니라 오히려 피해를 가중 시키는 측면이 있다. 따라서 낙뢰로 인한 피해는 피뢰침으로 건축물과 인명의 피해를 예방하고 Surge Protector로 전자기기를 보호하는 상호 보와적으로 적용하여야 한다. <*> 3 피뢰침 참조.


7.4.2 Ground(접지)
: Ground는 구조물이나 인체를 전기적 충격으로 부터 보호해 주는 역할을 하며, 전기의 기준 전압을 제공하지만 전자적인 System의 보호에는 취약하다.
낙뢰의 경우 지면의 전압이 순간적으로 수 만 V까지 상승하므로 인하여 Ground을 기준으로 잡는 전원의 전압은 상대적으로 수 만 V의 마이너스 전압이 걸리게 되어 system을 파손시킨다. <*> 4 접지 참조

7.4.3 Noise Filter
: Surge의 High Speed, high Energy를 속도에서 다르지 못함져, 용량에서도 감당하지 못한다.

7.4.4 UPS
:
UPS는 전원이 나가는 경우 충전되어 있던 전기로 일정 시간 동안 전원을 공급하여 주는 역할을 하는 기기로서 서지의 방지와는 전혀 무관하다. 오히려 전원선에서 배터리로의 스위칭시나 베터리에서 전원선으로의 스위칭시 서지가 발생한다.

7.4.5 AVR
:
상용주파수(50/60Hz) 전원에서는 전원의 안정을 기하나, AVR의 반응 속도가 0,05-0.12초이므로 ㎲급인 Surge가 발생했을 때 Surge의 속도를 따라 가지 못해 서지유입시 Surge가 기기에 피해를 입힌 다음에 AVR이 작동 하므로 오히려 정상 전압을 하강 시켜 전압의 변동 폭을 확대하는 전원교란을 초래하는 경우도 있다. 또한 자체적으로도 전압의 변환시 발생하는 스위칭에서도 많은 Surge가 발생한다.

7.4.6 복권트랜스
: 1차측으로 유입된 Surge의 상당 부분은 2차측으로 전이 되므로 고집적반도체를 사용한 system에는 사용할 수 없다. 단 자체접지를 통하여 유입되는 서지를 차단 하는데는 좋은 효과를 발휘하며, 누설전류가 시스템으로 유입되는 것을 차단 하는데도 좋은 효과가 있다. 따라서 서지방지와 함께 사용한다면 상호 보완적으로 더욱 좋은 성능을 발휘할 수 있다.

7.4.7 배선 및 누전차단기
: 누설전류가 흐를 경우에작동 하도록 설계되어진 것이기 때문에 서지를 방지 하는 것과는 용도 자체가 다르다. 또한 과전류나 과전압의 유입시에도 반응속도가 느려 서지를 방지 하지 못하며, 용량이 클수록 반응속도가 느려져 50A의 경우 30~40ms로 낙뢰의 기본 파형 8/20㎲에 비하여 반응속도가 2,000배 이상의 반응 시간이 걸리므로 Surge에 대하여는 반응을 하지 못한다.