낙뢰의 특성 및 surge 발생 현상 분석(2)

대지전위 상승

대지전위 상승은 설비 운영자들에게는 역서지로 이해되고 있는 것으로 다음과 같은 현상이다. 그림 2-11과 같이 대지 혹은 피뢰침에 뇌격이 가해지면 뇌격전류 I와 대지 저항율 ρ로 인해 다음과 같이 대지전위가 상승된다. A지점에 접지전류가 혹은 뇌격전류가 인가되었을 때, A로부터 거리 S만큼 떨어진 B 지점의 대지 전위는 식(2-1)로 나타낸다.

어떤 접지전류(I)에 의한 전위상승(ΔV)과 이격거리(S)의 관계를 보자. 접지모델은 그림 2-11에서와 같이 전극 A에 접지전류가 흐를때 전극 B에 전위상승 값(ΔV)을 발생하게 하는 이격거리를 계산하면 표 2-6과 같다. 대지저항율과 접지전류 값이 크면 전위상승 값이 커지고, 전위분포의 계산식을 가진 접지전극에 대해서는 계산식에 대지저항률이나 접지전류의 값을 대입함으로써 전위상승의 정도를 추정 하는 것이 가능하다.

이와 같은 대지전위상승이 기기에 영향을 미치는 원인은 다음과 같다. 그림 2-11과 같이 A지점에서 지락 혹은 낙뢰가 발생하면 뇌격 지점으로부터 거리 S만큼 이격된 B지점에서는△V의 전위가 형성된다.

따라서 A지점과 B지점 간에는 △V의 전위차가 발생된다. 그림 2-12는 뇌격지점으로부터 거리 d1의 지점에서는 V1(d1) 전위가 형성되며, d2의 지점과 d3, d4의 지점은 각각 V(d2), V(d3), V(d4), V(d5)가 된다. 대지전위상승으로 인한 전위차 V(d1)-V(d2)가 전자통신장비의 접지된 금속외함과 선로 혹은 데이터 신호선의 절연 파괴 전위경도보다도 크면 아크가 발생하며 이로 인해 기기의 손상을 초래한다. 이와 같이 대지전위와 선로간의 전위차가 발생하면서 방전이 이루어진다. 낙뢰 사고의 대부분 이와 같은 대지전위상승에 의한 것이며, 대지전위상승을 완화시키는 것이 그림 2-13과 같은 공통접지 방식으로 등전위 접지시스템을 구성하는 것이다.

즉, V1(d1)=V(d2)=V(d2)=V(d3)=V(d4)=V(d5)가 등전위가 되도록 접지전극을 공통으로 사용하는 방식이다. 이 때 접지 R1, R2, R3, R4, R5 간에는 전위차가 0.5 V 이하가 되도록 하여야 등전위를 이루어 졌다고 할 수 있다. 즉 공통접지와 독립접지를 수치적으로 구분을 한다면 전위차가 몇 볼트 인가를 기준으로 할 수 있다. 단순하게 접지전극을 공통으로 연결하여 사용하는가 여부를 가지고 공통접지 여부를 판단하는 기준으로 할 수는 없고, 공통접지냐 독립접지냐는 전위차를 가지고 기준으로 하여야 좀 더 명확하게 구분할 수 있다.

이러한 기준의 논리적 배경으로는 공통접지시스템은 등전위 이론을 바탕으로 하였고, 등전위는 저항이 아닌 전위차의 개념이기 때문에 전위차로서 공통과 독립이냐를 구분 하는 것이 타당하다.

서지 시험 규격

전원계통에 적용하는 서지시험표준은 미국규격인 IEEE 규격과 유럽에서 적용하고 있는 IEC 규격이 대표적이다. 이런 규격에는 저전압 전원계통의 위치에 따라 낙뢰나 개폐서지에 의해 발생 가능한 전압, 전류파형을 표준화하여 파형과 크기를 규정하고 있다.

재 여러 규격에서 사용되고 있는 서지시험 파형을 그림 2-14, 15에 나타내었다. 이중 뇌서지를 대표하는 조합파(Combination Wave: 1.2/50 ㎲ 개방회로 전압파형과 8/20 ㎲ 단락회로 전류파형)가 대표적인 시험파형이다. IEC 61000-4-5 규정에 의한 surge impulse의 개방시 전압 파형과 단락 시 전류파형 규정은 IEEE C62.41(개방전압), IEEE C62.42 (단락전류)의 규정과도 흡사한데 이 조건을 만족시키는 파형을 조합파(Combination Waveform)라고 한다.

국내의 뇌 발생 현황

낙뢰로 인하여 전자통신설비와 첨단 정보화 설비들의 파괴로 인터넷 금융전산망과 통신망, 국가방위설비, 핵무기 및 발전설비 등의 오동작이나 파손은 엄청난 사회적 재앙을 가져 올수도 있음을 간과 하여서는 안 될 것이다. 대한민국 전체를 볼 때 낙뢰로부터 안전한 지역도 없고, 시간과 장소도 불문하고 발생하는 낙뢰피해 예방대책 수립을 위한 뇌의 발생 현황을 알아본다.