[해설]

피뢰기는 직렬갭의 유무와 특성요소 구조에 따라 갭레스형·갭저항형·밸브형·밸브저항형으로 나뉜다.

직렬갭이 있는 형식은 평상시 누설전류를 막는 갭과 방전전류를 제한하는 특성요소(저항)를 함께 두는 구조이고, 갭레스형은 산화아연(ZnO) 특성요소만으로 갭 없이 동작해 근래 널리 쓰인다.

[해설]

갭레스형은 직렬갭이 없어 소형·경량으로 만들 수 있고, 애초에 속류가 흐르지 않아 잦은 동작에도 안정적으로 견딘다.

산화아연(ZnO) 소자는 비직선 저항 특성이 매우 우수해 평상시 전압에서는 거의 전류를 흘리지 않다가 이상전압에서만 저항이 급격히 낮아져 방전하므로, 방전이 끝나면 별도의 차단 과정 없이 스스로 원상태로 복귀한다.

답안을 쓸 때는 '속류가 없다'와 '속류에 대한 특성요소 변화가 작다'를 각각 별개의 항목으로 짚어야 한다 — 둘 다 ZnO 소자의 비직선성에서 비롯되지만, 앞은 반복 동작 내구성, 뒤는 열화가 적다는 뜻이다.

[해설]

제한전압은 피뢰기가 방전하는 동안 단자 사이에 남아 뒷단 보호 대상 기기에 그대로 걸리는 충격전압이다.

피뢰기는 이상전압을 0으로 만드는 장치가 아니라 이 잔류전압 수준까지만 낮춰 주는 장치이므로, 제한전압이 낮을수록 기기 절연강도와의 차이, 즉 절연 보호 여유가 커진다.

[해설]

피뢰기 정격전압은 방전이 끝난 뒤 이어 흐르는 속류를 차단할 수 있는 상용주파 최고전압(실효값)이다.

계통의 공칭전압이 아니라 계통 최고전압에 접지방식에 따른 계수와 여유를 곱해 정하므로, 22.9[kV] 다중접지 계통에는 18[kV], 154[kV] 계통에는 144[kV]급 피뢰기가 쓰인다. 이 값을 넘는 계통에 적용하면 속류 차단이 보장되지 않는다.

[해설]

충격방전개시전압은 피뢰기에 충격전압을 인가했을 때 방전이 시작되는 전압이다.

이 값이 낮을수록 비교적 작은 이상전압에서도 곧바로 방전을 시작해 뒷단 기기를 더 낮은 전압에서부터 보호할 수 있다. 다만 상시 운전전압에서는 방전하면 안 되므로 상용주파방전개시전압은 반대로 높아야 하며, 두 값은 짝으로 묶어 이해해야 한다.

[해설]

피뢰기 설치 후 점검은 애자·접지·절연·단자 네 항목을 확인해 정상적인 방전과 복귀 성능이 유지되는지 보는 것이다.

• 애자 손상은 절연파괴·오손으로 이어져 방전 특성을 왜곡시킬 수 있다.
• 접지저항이 높으면 방전전류가 대지로 원활히 흐르지 못해 제한전압이 커진다.
• 절연저항 저하는 소자 열화나 누설전류 증가의 징후다.
• 단자·단자볼트 이상은 접촉불량에 따른 발열·소손 위험을 뜻한다.

[해설]

SPD는 Surge Protective Device의 약자로, 낙뢰나 개폐서지 같은 과도 이상전압으로부터 기기를 보호하는 서지보호장치(서지흡수기)다.

피뢰기가 주로 고압 전력계통의 뇌서지 대책 용어로 쓰이는 데 비해, SPD는 저압 배전·통신·전자기기 계통까지 아우르는 서지 보호 소자를 통칭하는 용어다.

[해설]

SPD는 동작 방식에 따라 전압스위치형, 전압제한형, 조합형으로 나뉜다.

전압스위치형은 서지가 들어오면 임피던스가 급격히 낮아져 전류를 대지로 우회시키는 방식이고, 전압제한형은 소자의 비직선 저항으로 전압을 연속적으로 억제하는 방식이며, 조합형은 두 특성을 함께 갖는다.

[해설]

피뢰기는 이상전압이 계통으로 들어오는 경계 지점에 설치한다 — 발전소·변전소 또는 이에 준하는 장소의 가공전선 인입구·인출구, 가공전선로에 접속하는 배전용 변압기의 고압측·특고압측, 고압·특고압 가공전선로에서 공급받는 수용가 인입구, 가공전선로와 지중전선로의 접속점이다.

네 곳 모두 가공선로를 타고 온 진행파성 이상전압이 변압기나 케이블 등 절연이 상대적으로 약한 구간으로 넘어가기 직전이라는 공통점이 있다.

[해설]

피뢰기는 제한전압과 충격방전개시전압은 낮으면서 속류 차단능력과 상용주파방전개시전압은 높아야 한다.

앞의 두 값이 낮아야 뒷단 기기를 충분히 낮은 전압에서부터 보호할 수 있고, 뒤의 두 값이 커야 평상시 상용주파 전압에서 오동작하지 않으면서 방전 후 확실히 정상 상태로 복귀할 수 있다.

[해설]

피뢰기 특성의 기술적 조건은 대전류 방전과 속류차단의 반복동작에 견디는 내구성, 충분히 낮은 충격방전개시전압·제한전압, 상용주파에서는 방전하지 않을 만큼 높은 상용주파방전개시전압, 속류의 완전한 차단으로 정리된다.

이는 앞선 구비조건(제한전압·충격방전개시전압·속류차단능력·상용주파방전개시전압)과 본질적으로 같은 성능을 동작책무 관점, 즉 반복 동작에 견디는 신뢰성까지 포함해 다시 서술한 것이다.

[해설]

서지흡수기는 개폐서지 등 계통 내부에서 발생하는 이상전압으로부터 변압기 같은 기기를 보호하기 위한 장치다.

피뢰기가 낙뢰 등 외부 이상전압에 대응하는 것과 달리, 서지흡수기는 차단기 개폐 동작 자체가 만들어내는 국부적인 급준파 서지를 흡수 대상으로 한다는 점이 다르다.

[해설]

피뢰기·피뢰침 접지를 다른 기기 접지와 공용하면 낙뢰로 유입된 이상전압이 접지선을 타고 다른 기기·계통으로 역류해 사고가 확대될 수 있으므로 별도 접지를 원칙으로 한다.

접지를 분리해 두면 방전전류가 대지로 흐르는 경로가 다른 기기의 접지 회로와 격리되어, 낙뢰 사고의 파급을 해당 피뢰설비 계통 안으로 한정할 수 있다.

[해설]

피뢰기는 낙뢰 등 외부 이상전압에 대비해 차단기 1차측에, 서지흡수기는 개폐서지 등 내부 이상전압에 대비해 차단기 2차측과 변압기 1차측 사이에 시설한다.

보호 대상 서지의 발생 위치가 서로 반대이기 때문이다 — 피뢰기는 인입 계통 쪽에서 들어오는 서지를 계통 입구에서 막고, 서지흡수기는 차단기 개폐로 생기는 국부적 서지를 그 바로 뒤 보호 기기 앞에서 흡수한다.

[해설]

피뢰침은 낙뢰 피해 위험이 큰 고층 건축물과 위험물 저장시설에 설치한다.

지면상 20[m]를 초과하는 건축물·공작물은 낙뢰를 맞을 확률과 피해 규모가 커지고, 소방법에서 정한 위험물·화약류 저장소나 옥외 탱크 저장소는 낙뢰로 인한 화재·폭발 위험이 크기 때문에 별도의 설치 대상으로 규정된다.

[해설]

피뢰방식은 수뢰부의 형태에 따라 케이지 방식, 용마루위 도체방식, 독립 가공지선 방식, 수평도체 방식, 돌침 방식으로 나뉜다.

• 돌침 방식은 뾰족한 도체로 낙뢰를 유도해 인하도선과 접지로 흘리는 가장 기본적인 형태다.
• 수평도체 방식과 용마루위 도체방식은 지붕 마루선을 따라 도체를 설치해 넓은 면을 보호한다.
• 케이지 방식은 건물 전체를 그물 모양 도체로 감싸 보호 확실성이 가장 높은 형태다.
• 독립 가공지선 방식은 보호 대상과 분리된 지지물에 지선을 가설해 낙뢰를 대신 받는다.

[해설]

가공송전선로의 이상전압 대책은 피뢰기 설치, 가공지선에 의한 뇌차폐, 매설지선에 의한 철탑 접지저항 저감 세 가지로 요약된다.

가공지선은 뇌격이 전력선에 직접 떨어지기 전에 가로채 대지로 흘려보내는 차폐 역할을 하고, 매설지선은 철탑 접지저항을 낮춰 낙뢰전류가 철탑을 통해 흐를 때 철탑 전위가 상승해 애자련을 거꾸로 섬락시키는 역섬락을 방지한다.

[해설]

VCB는 전류 영점 이전에 전류를 강제로 끊는 전류재단 특성 때문에 급준한 개폐서지를 일으키므로, 서지에 약하거나 절연 여유가 작은 부하 앞단에는 SA를 시설해야 한다.

전동기와 몰드식·건식 변압기는 권선 절연 여유가 작아 SA 적용 대상이고, 유입식 변압기는 절연유가, 콘덴서는 자체 정전용량이 서지를 흡수해 주므로 불필요하다.

[해설]

피뢰기 공칭방전전류는 설치 장소의 중요도와 계통 전압·용량에 따라 10,000[A]·5,000[A]·2,500[A] 세 단계로 표준화되어 있다.

154[kV] 이상 계통, 66[kV] 이하라도 Bank 3,000[kVA]를 초과하거나 중요한 변전소, 장거리 송전케이블·정전축전기 Bank 개폐, 배전선로 인출측에는 10,000[A]를, Bank 3,000[kVA] 이하인 66[kV] 이하 변전소에는 5,000[A]를, 배전선로에는 2,500[A]를 적용한다.

즉 보호 대상의 중요도와 예상되는 방전전류가 클수록 공칭방전전류 등급도 높아진다는 흐름으로 표를 읽으면 된다.

[해설]

KEC(한국전기설비규정)는 고압·특고압 전로 중 이상전압이 유입되기 쉬운 개소에 피뢰기를 시설하도록 정한다 — 가공전선로에 접속되는 배전용 변압기의 고압측·특고압측, 고압·특고압 가공전선로에서 공급받는 수용장소의 인입구, 가공전선로와 지중전선로가 접속되는 곳이다.

발전소·변전소 또는 이에 준하는 장소의 가공전선 인입구·인출구도 같은 취지로 포함된다. 이들은 모두 가공선로를 타고 온 진행파가 변압기·케이블처럼 절연이 상대적으로 약한 구간으로 넘어가는 길목이라는 공통점이 있다.

[해설]

피뢰시스템 등급(보호레벨 Ⅰ~Ⅳ)은 실제 뇌격 방호 성능을 좌우하는 설계값에만 관계되고, 재료·치수 같은 공통 시공기준에는 관계되지 않는다.

회전구체 반경·메시 크기·보호각, 인하도선 사이 및 환상도체 사이의 간격, 위험한 불꽃방전에 대비한 이격거리, 접지극의 최소길이는 등급이 엄격해질수록 값 자체가 달라지는 설계 파라미터다.

반면 수뢰부시스템으로 쓰는 금속판·금속관의 최소두께, 접속도체의 최소치수, 재료 및 사용조건은 등급과 무관하게 공통으로 요구되는 시공·재료 규격이므로 등급이 달라져도 값이 바뀌지 않는다.