피뢰기(Lightning Arrester)에 대하여

안녕하세요? 오늘은 피뢰기(Lightning Arrester, LA)에 대해서 말씀드리겠습니다. 오늘 말씀드릴 피뢰기는 수배전반의 피뢰기입니다. 피뢰기는 번개나 개폐 써지와 같은 이상전압이 발생하였을 때 이를 대지로 방전해서 선로와 기기를 보호하는 것입니다. 만약 피뢰기가 없다면 번개가 칠 때마다 변압기를 포함한 고가의 수배전반 기기들이 모두 망가질 것입니다.










1. 피뢰기 설치 위치


1) 수배전반

피뢰기는 위 도면에서 보시는 바와 같이 수배전반의 초입에 있습니다. 부하 개폐기(LBS)의 바로 뒤에 위치합니다. 이렇게 초입에 위치하는 이유는 외부에서 이상전압이 발생하여 선로를 타고 들어왔을 경우 피뢰기가 이상전압을 잡아 대지로 방전해주기 위함입니다. 수배전반 말고도 거의 모든 전기 통신 분야의 선로들은 초입에 피뢰기 역할을 하는 기기들이 있습니다.







2) 전력 계통 전체

피뢰기 설치 위치

위 그림은 국가기술자격증인 전기기사 문제에 단골로 나왔던 피뢰기의 설치 위치입니다. 위에서 나오는 것은 전력계통 전반에 걸친 피뢰기의 설치 위치 이며 자세한 내용은 아래와 같습니다.



- 발전소, 변전소 및 이에 준하는 장소의 가공전선 인입구 및 인출구
- 가공전선로에 접속되는 배전용 변압기의 고압, 특고압 측
- 고압, 특고압 가공전선으로부터 공급받는 수용장소의 인입구
- 가공전선로와 지중전선로가 접속되는 곳


쉽게 외우는 방법은 끝말잇기로 외우시면 됩니다. 첫번째 줄의 가공전선이 두번째 줄의 앞에 나오고, 두번째 줄의 고압,특고압측이 세번째 줄의 앞에 나옵니다. 저는 이런식으로 외웠습니다.










2. 피뢰기 생김새

첨부파일

0.00MB

피뢰기는 위와 같이 왼쪽의 애자형 피뢰기와 오른쪽의 폴리머형 피뢰기로 나뉩니다. 여기서 눈에 띄는 것은 6번의 Disconnector라고 불리는 장치입니다. 전기기사를 공부하면서 22.9kV 피뢰기는 Isolator또는 Disconnector 붙이 형을 써야 한다고 배웠습니다.


단로기(Disconnector)의 기능은 피뢰기 내부의 산화아연소자가 열화되어서 기능을 잃어버려 정상작동을 하지 못할 경우 단로기(Disconnector)가 파손되어 피뢰기를 대지로부터 분리하게 됩니다. 만약 피뢰기가 기능을 잃어버린 상태로 계속 사용이 된다면 사고가 나기 때문에 저런 장치를 만들었겠죠?











3. 피뢰기의 종류

왼쪽은 Gap형 피뢰기이고 오른쪽은 Gapless형 피뢰기입니다. 피뢰기는 직렬 갭과 특성 요소로 구성되어 있다고 전기기사를 공부하신 분들은 귀가 따갑게 들으셨을 것입니다. 그런데 직렬 갭이 뭐고 특성 요소가 무엇인지 정확히 설명이 없으니 머리에 용어만 남아있는 분들이 많을 것입니다.


먼저 직렬 갭은 Gap을 의미합니다. 즉 공기가 차지하고 있는 빈 공간입니다. 이 Gap은 저항이 크기 때문에 상용 전압이 뛰어넘지 못합니다. 상용전압보다 큰 번개 같은 고전압이 유기될 때 이 Gap의 저항을 뛰어넘어 전기가 흐르게 됩니다.


특성 요소는 위 사진에서 Valve Element입니다. 이 Valve Element의 성분은 왼쪽은 SiC이고 오른쪽은 ZnO입니다. 특성 요소의 특징은 고전압이 될수록 저항이 작아져서 쉽게 통전이 되는 성질이 있습니다. 반대로 생각하면 저전압에서는 통전이 안 되도록 하는 특성입니다. SiC를 사용하는 Gap형 피뢰기는 현재 잘 사용하지 않고 있습니다. 요즘은 거의 Gapless형 피뢰기를 사용하고 있습니다.

출처:https://www.eeeguide.com/

ZnO를 사용하는 Gapless 피뢰기를 더 많이 사용하는 이유는 당연히 더 좋기 때문입니다. 위에서 보시는 바와 같이 저전압일 때 SiC는 전류가 흐를 수 있기 때문에 속류가 발생합니다. 따라서 Gap을 이용하여 속류가 흐르지 못하게 해야 하므로 구조가 복잡해집니다. 하지만 ZnO의 경우는 Gap이 없어도 저전압에서 전류가 흐르지 않는 좋은 특성을 보입니다. 따라서 ZnO를 사용하면 Gap이 있을 필요가 없는 것입니다. Gap이 필요가 없으니 구조가 더 간단하게 되고 성능은 우수하니 더 많이 사용하게 되는 것입니다.











4. 그 외 피뢰기의 특성

첨부파일

0.00MB

- 충격 방전 개시 전압이 낮을 것 (이래야 이상전압을 빨리 제거할 수 있습니다. 반대로 높아버린다면 기기가 다 망가질 수도 있을 것입니다)


- 제한전압이 낮을 것 (제한전압은 피뢰기 방전 중에 피뢰기에 남아 있는 충격 전압을 의미합니다. 당연히 낮아야 좋겠지요?)


- 상용주파 방전 개시 전압이 높을 것 (발전소등에서 과발전되어 우리가 사용하는 전압보다 조금 높게 전압이 들어올 때가 있습니다. 번개처럼 엄청나게 높은 전압이 아닌 이런 류의 약간 높은 전압도 피뢰기에서 대지로 방전하게 되는데, 이 상용주파 방전 개시전압이 너무 낮으면 상용주파가 너무 자주 방전되겠지요?)


- 속류 차단 능력이 뛰어날 것 (피뢰기가 이상전압을 방전 후에 상용전압이 되었는데도 계속 흐르는 전류를 속류라고 합니다. 당연히 이것은 차단해야겠지요?)










5. 서지 흡수기 (Surge Absorber, SA)

첨부파일

0.00MB

피뢰기와 유사한 구조로 서지흡수기(Surge Absorber)라는 것이 있습니다. 피뢰기는 한전선로를 통해 들어오는 낙뢰와 같은 이상전압을 잡아주는 역할을 한다면, 서지흡수기(Surge Absorber)는 진공차단기(Vacuum Circuit Breaker, VCB)의 2차측에 설치하여 진공차단기의 개폐시 발생하는 충격전압을 흡수해주는 역할을 합니다.


진공차단기 VCB는 개폐속도가 빠른 반면에, 단점이 개폐서지가 발생한다는 것인데요. 그래서 위의 도면처럼 VCB의 후면에는 피뢰기가 공식처럼 따라 붙게 됩니다. 유체가 들어있는 배관을 갑작스럽게 개폐할 때 수격작용이 발생하듯이 전기도 마찬가지라고 이해하시면 됩니다.

위 사진에서 VI는 VCB에서 진공이 걸려 있는 부분으로 VCB의 핵심부품입니다. VCB를 거쳐서 파란색원안의 서지흡수기와 연결되어 있는 것을 알수 있습니다. 서지흡수기는 1종접지와 연결되어 있습니다. VCB에 대해 궁금하신 분들은 VCB에 대한 글을 참조해 주세요. (진공 차단기(VCB)에 대하여)










6. 피뢰기와 서지흡수기의 차이

과전압의 종류(출처:https://testguy.net)

피뢰기(LA)와 서지흡수기(SA)의 차이점에 대해서 간단하게 말씀드리면 피뢰기는 번개나 선로를 타고 들어오는 외부의 이상전압을 제거하는 것이 목적이라면 서지흡수기는 진공차단기(VCB)에 의한 개폐서지를 제거하는 것이 목적이라고 할 수 있겠습니다. VCB는 매우 좋은 차단기이지만 개폐서지가 발생하는 단점이 있습니다. 특히 몰드변압기는 VCB에 의한 개폐서지에 취약하므로 일반적으로 몰드변압기와 VCB 사이에는 서지흡수기를 설치합니다. 그러나 유입변압기의 경우 개폐서지에 강하므로 서지흡수기를 설치하지 않습니다.











오늘은 피뢰기에 대해서 알아보았습니다. 오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.