雷방전 특성

雷雲 속에서 전하 축적에 따라 그 바로 아래 지표면에는 운저 전하와 역극성 전하가 유기되므로 양자간 전계 강도가 증대하여 공기 절연 파괴 내력을 넘으면 양자 사이에 불꽃 방전이 발생하고 이른바 대지 뇌격(낙뢰)이 일어난다.

뇌격의 진전과정을 살펴보면, 각 뇌격은 우선 구름에서 빛이 약한 선행 방전이 발생하고 그것이 대지로 향하여 전진하고 그 선단이 대지에 접근하였을 때 대지 쪽에서 상향의 스트리머가 출발하고 양자가 결합하는 순간 대지로부터 다량 전하가 선행 방전에 주입되어 이른바 주뇌격으로 된다.

처음에 뇌운으로부터 대지로 향하는 선행방전은 단계적으로 진전한다. 이것을 보통 스텝 리더(계단형 선행 방전)라 한다. 일반적으로 이 스텝 리더는 음과 양 사이에 두 역내에서 국부적인 절연파괴로부터 시작된다.

스텝 리더는 50[m] 정도 진전하면 약 50[㎲] 휴지(休止)하는 과정을 반복하면서 차츰 대지에 접근한다. 구름과 대지 사이에 스텝 리더 평균 진전 속도는 약 1.5×10⁵ [m/s]이다. 따라서 진전거리가 3[km]이면 약 20[ms]가 필요하다

이 선행 방전로에 주입되는 것이 평균적으로 보면 약 5쿨롬[C]이다. 이것이 10[ms] 시간 안에 주입된다고 하면 흐르는 전류는 대체로 500[A] 범위가 된다. 스텝 리더 지름은 대체로 1～10[cm]이다. 이 경우 스텝 리더 전류는 중심부에 가는 도전성 코어 속을 흐르는 그 주위 부분은 코로나시스라고 생각되어지고 있다.

이상과 같이 스텝 리더가 대지로 접근하면 리더 위 전하에 의하여 지상 전계는 상승한다. 대지 쪽 여러 점에서 리더 선단을 향하여 상향 방전이 발생하기에 충분한 값이 된다. 상향 스트리머 하나가 스텝 리더 선단과 결합하면 리더 선단 부근은 실효적으로 대지 전위로 접속되고, 나머지 하나가 스텝 리더 선단과 결합하면 리더 선단 부근은 실효적으로 대지 전위로 접속되고, 나머지의 선행 방전로는 음으로 대전된다.

선행 방전로는 빛남이 강한 주뇌격을 통과시키는 전송로로써 작용한다. 주뇌격 파두 즉 고전계 강도에 이온화된 파두는 스텝 리더에 의하여 개척된 방전로를 상향으로 반전한다. 주뇌격 파두에 전파속도는 광속의 약 1/3～1/10이다. 따라서 전파시간은 수십[㎲] 정도다. 주뇌격의 파두와 대지 사이에는 대전류가 흐르고, 선행 방전로 위에 분포한 음 전하는 주뇌격 아래쪽 고도전성 방전로를 통하여 실효적으로 대지 방향으로 하강한다. 대지에서 측정한 전류의 대표적인 것을 보면 수[㎲]사이에 10～20[kA]에 달하고 20～60[㎲] 사이에 파두값의 1/2로 저하한다. 다시 그 뒤 100[A] 정도의 전류가 수 [ms] 계속하는 수가 있다. 이상으로 1회 뇌격이 종료하지만, 다시 구름 속에서 선행 방전로 정상에 전하고 공급되면 계속해서 제2뇌격이 발생한다. 이러한 뇌격을 다중 뇌격이라고 한다. 일반적으로 이러한 전하는 뇌격과 뇌격사이에 음영역에서 공급된다. 만약 전하공급이 주뇌격 종료 후 약 100[ms]이내에 행하여지면 화살꼴 리더가 앞 뇌방전로를 통하여 대지로 진전하고 이것이 대지에 도달하면 다시 제2의 주뇌격이 대지 쪽에서 발생한다. 이 경우 리더는 계단상으로 되지 않고 그 평균 진전 속도는 약 2×10⁶[m/s]이다. 전뇌격의 50[%]는 다중뇌격이며, 그중 다중 스트로크의 수는 2～4인 것이 대부분이나 경우에 따라서는 26에 이르는 수도 있다.

이상 뇌방전 특성을 정리하여 아래의 표에 나타내었다.

피뢰설비를 생각하는 경우 특히 중요한 것은 뇌격전류의 파고값, 다중 뇌격 스트로크 수, 뇌방전 지속시간 등인데 이것들은 표 2-1과 같이 전격마다 대폭으로 변한다. 피뢰설비로서는 모든 뇌격에 대하여 100[%]의 보호 효과를 발휘하는 것이 이상적이기는 하지만, 그러한 설비를 하는 것이 경제적으로 곤란한 경우도 있다. 이러한 때에는 보호대상물의 중요도, 그 지역의 뇌의 세기 등을 고려하여 안전하고 경제적인 피뢰 대책을 강구할 필요가 있다.

뇌방전 특성표

분류	항목	단위	최저	표준기준	최고
스텝리더	스텝길이 스텝시간간격 스텝 리더전하	m ㎲ m/s C	3 10 1.0×105 3	50 50 1.5×106 5	200 125 2.6×106 20
화살꼴리더	전파속도 화살꼴리더 전하	m/s C	1.0×105 0.2	2.0×106 1	2.1×107 6
주뇌격	전파속도 전류준도 (제1뇌격) 파두길이 (제1뇌격) 파고값 파미길이 방전전하(제1뇌격) 방전로 길이 평균연속전류 지속시간 대지로 운반하는 전하	m/s kA/㎲ ㎲ kA ㎲ C km A ms C	2.0×107 9.1 1.5 1이하 10 3 2 38 3 1.5	9×107 24 3.8 35 40 5 5 80 150 15	2.4×108 65 10 200 250 20 14 4800 300 45
뇌방전	스트로크 수 스트로크 시간간격 방전 계속시간 방전전하	회 ms s C	1 3 10-2 3	3 40 0.2 25	26 100 2 300