전기기사실기(단답형) 피뢰기 해설 페이지

[해설]

피뢰기는 직렬갭의 유무와 특성요소(비직선 저항) 구조에 따라 네 형식으로 나뉜다.

• 갭레스형 — 직렬갭 없이 산화아연(ZnO) 소자만으로 동작하며, 요즘 가장 널리 쓰인다.
• 갭저항형 — 직렬갭과 특성요소 저항을 함께 둔 구조다.
• 밸브형 — 직렬갭과 밸브 역할을 하는 특성요소를 조합해 방전 뒤 속류를 끊는다.
• 밸브저항형 — 직렬갭에 밸브 작용을 하는 특성요소와 저항을 함께 조합한 형식이다.

외우는 요령: 갭이 없는 것 하나(갭레스)와 갭이 있는 것 셋(갭저항·밸브·밸브저항)으로 나눠 기억한다.

[해설]

갭레스형 피뢰기는 직렬갭 없이 비직선 저항 특성이 뛰어난 산화아연(ZnO) 소자만으로 이루어진다.

• 소형·경량화 가능 — 직렬갭이 없어 구조가 단순하고 작아진다.
• 빈번한 작동에 강함 — 방전 뒤 상용주파 속류가 거의 흐르지 않아 반복 동작에도 잘 견딘다.
• 특성요소 변화가 작음 — 속류에 의한 소자 열화가 적어 특성이 안정적으로 유지된다.

혼동 주의: 속류가 없다는 항목과 특성요소 변화가 작다는 항목은 뿌리가 같아도 답안에는 따로 써야 한다.

[해설]

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

피뢰기는 이상전압을 0으로 없애지 못하고 이 잔류전압 수준까지만 낮춘다. 그래서 제한전압이 낮을수록 기기 절연과의 여유가 커지고 보호 성능이 좋다.

[해설]

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

계통 공칭전압이 아니라 계통 최고전압과 접지방식을 고려해 정하며, 22.9 kV-Y 배전선로에는 18 kV급 피뢰기를 쓴다.

혼동 주의: 제한전압은 방전 중에 피뢰기 단자에 남는 전압(파고값)으로, 정격전압과 다른 개념이다.

[해설]

충격방전 개시전압은 피뢰기 단자에 충격전압(뇌서지 같은 급한 파형)을 걸었을 때 방전이 시작되는 전압이다.

이 값이 낮을수록 작은 이상전압에서도 빨리 방전해 기기를 보호한다. 혼동 주의: 상용주파 방전개시전압은 평상시 운전전압에서 방전하면 안 되므로 반대로 높아야 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]

SPD(서지보호장치)는 서지를 억제하는 소자가 어떻게 동작하느냐에 따라 세 가지로 나뉜다.

• 전압스위치형은 평소 높던 임피던스가 서지가 들어오면 급격히 낮아져 방전하는 방식이다(에어갭·가스방전관).
• 전압제한형은 전압이 오를수록 임피던스가 연속적으로 줄어들어 전압을 일정 수준으로 눌러 주는 방식이다(바리스터·억제형 다이오드).
• 조합형은 두 종류의 소자를 함께 써서 두 방식의 특성을 모두 갖는다.

혼동 주의: 1포트·2포트로 나누는 것은 구조에 따른 분류이므로 기능상 분류와 구별해서 외운다.

[해설]

한국전기설비규정(KEC)에 따라 피뢰기는 가공선로를 타고 들어온 이상전압이 기기로 넘어가는 경계 지점에 설치한다.

• 발전소·변전소 또는 이에 준하는 장소의 가공전선 인입구·인출구는 외부 선로와 구내 설비가 만나는 곳이다.
• 가공전선로에 접속하는 배전용 변압기의 고압측·특고압측은 절연이 약한 변압기를 보호하는 곳이다.
• 고압·특고압 가공전선로에서 공급받는 수용가 인입구는 수용가 설비로 서지가 들어오는 입구다.
• 가공전선로와 지중전선로가 접속하는 곳은 진행파가 반사되어 전압이 커지므로 케이블을 보호해야 한다.

외우는 요령: 발전·변전소 출입구, 배전용 변압기, 수용가 인입구, 가공↔지중 접속점 순으로 외운다.

[해설]

피뢰기의 구비조건은 서지는 낮은 전압에서 재빨리 흘려보내고, 평상시 전압에서는 동작하지 않아야 한다는 원리에서 나온다.

• 제한전압은 방전 중 피뢰기 양단에 걸리는 전압으로, 이것이 낮아야 뒤에 있는 기기의 절연을 보호할 수 있다.
• 충격방전 개시전압이 낮아야 뇌서지가 들어왔을 때 곧바로 방전을 시작한다.
• 속류는 방전 뒤에 이어서 흐르는 상용주파 전류로, 이를 끊는 능력이 커야 피뢰기가 원래 상태로 돌아온다.
• 상용주파 방전개시전압이 높아야 평상시나 일시적인 과전압에서 방전하지 않아 오동작이 없다.

외우는 요령: "충격·제한은 낮게, 상용·속류차단은 크게"로 짝지어 기억한다.

[해설]

피뢰기는 뇌서지가 들어오면 빨리 방전하고, 평상시 상용주파에서는 방전하지 않아야 한다.

• 반복동작 내구성은 대전류 방전과 속류차단을 여러 번 되풀이해도 소자가 손상되지 않아야 한다는 뜻이다.
• 충격방전 개시전압과 제한전압이 낮아야 기기 절연이 견딜 수 있는 전압 이하로 서지를 억제할 수 있다.
• 상용주파방전 개시전압은 충분히 높아야 평상시 계통전압에서 오동작하지 않는다.
• 속류는 방전 뒤 계통전압 때문에 이어서 흐르는 전류이며, 이것을 완전히 끊어야 동작책무를 다한 것이다.

혼동 주의: 충격 쪽 전압은 '낮게', 상용주파 쪽 전압은 '높게'로 방향이 반대다.

[해설]

서지흡수기(SA)는 차단기를 개폐할 때 생기는 개폐서지 같은 내부 이상전압으로부터 변압기·전동기 등 기기를 보호하는 장치다.

특히 진공차단기는 전류를 갑자기 끊어 가파른 개폐서지를 만들기 쉽기 때문에, 그 뒤에 몰드변압기 등을 연결할 때 서지흡수기를 설치한다.

혼동 주의: 피뢰기(LA)는 낙뢰 같은 외부 이상전압을 막는 장치라서 보호 목적이 다르다.

[해설]

피뢰기·피뢰침 접지는 낙뢰 방전전류를 대지로 흘려 보내는 경로라서 다른 접지와 분리해 두는 것이 원칙이다.

공용하면 큰 방전전류 때문에 접지 전위가 올라가고, 이 이상전압이 접지선을 거쳐 다른 기기·기구로 들어가 사고가 계통 전체로 커질 수 있다.

[해설]

두 장치는 막아야 하는 서지가 생기는 위치가 서로 달라서 설치 자리도 다르다.

• 피뢰기는 낙뢰처럼 외부에서 선로로 들어오는 이상전압을 인입구에서 막아야 하므로 차단기 1차측에 둔다.
• 서지흡수기는 차단기 개폐 때 생기는 내부 이상전압(개폐서지)을 보호할 기기 바로 앞에서 흡수해야 하므로 차단기 2차측과 변압기 1차측 사이에 둔다.

외우는 요령: "외부 서지는 입구인 차단기 앞, 내부 서지는 발생원 바로 뒤인 차단기와 변압기 사이"로 기억한다.

[해설]

피뢰침(피뢰설비)은 낙뢰를 맞기 쉬운 높은 건축물·공작물과, 낙뢰로 화재·폭발이 일어날 수 있는 위험물 시설에 설치한다.

• 지면에서 20[m]를 넘는 건축물이나 공작물은 주변보다 높이 솟아 있어 낙뢰를 맞을 확률이 크다.
• 위험물·화약류 저장소나 옥외 탱크 저장소는 낙뢰 한 번이 화재·폭발로 이어질 수 있다.

혼동 주의: 현행 규정(KEC·건축물의 설비기준 등에 관한 규칙)은 높이 기준을 '20 m 이상'으로 적고 있다. 소방법의 위험물 규정은 지금의 위험물안전관리법으로 옮겨졌다.

[해설]

건축물의 피뢰방식은 낙뢰를 받아내는 수뢰부를 어떤 형태로 설치하느냐에 따라 나뉜다.

• 케이지 방식은 건물 전체를 새장처럼 그물 모양의 도체로 감싸는 방식으로, 보호가 가장 확실하다.
• 용마루위 도체방식은 지붕에서 가장 높은 마루선인 용마루를 따라 도체를 까는 방식이다.
• 독립 가공지선 방식은 건물과 떨어진 지지물 사이에 가공지선을 걸어 낙뢰를 대신 받게 하는 방식이다.
• 수평도체 방식은 보호 대상 위쪽에 도체를 수평으로 가설하는 방식이다.
• 돌침 방식은 건물 꼭대기에 뾰족한 금속봉(피뢰침)을 세워 낙뢰를 끌어들이는 가장 기본적인 형태다.

혼동 주의: KEC는 수뢰부시스템을 돌침·수평도체·메시도체로 나누며, 케이지 방식이 메시도체에 해당한다.

[해설]

가공송전선로의 이상전압은 주로 뇌격(낙뢰)에서 생기므로 방전·차폐·접지 세 방향으로 대책을 세운다.

• 피뢰기 — 선로로 들어온 이상전압을 대지로 방전시켜 기기의 절연을 보호한다.
• 가공지선 — 전선 위에 설치한 접지선이 뇌격을 대신 맞아 전력선을 차폐한다.
• 매설지선 — 철탑 다리를 땅속 도선으로 연결해 탑각 접지저항을 낮춘다.

역섬락은 낙뢰전류 때문에 철탑 전위가 올라가 철탑에서 전선 쪽으로 애자련이 섬락하는 현상이다. 그래서 접지저항을 낮추는 매설지선이 이를 막는 대책이 된다.

[해설]

VCB는 전류가 0이 되기 전에 강제로 끊기는 전류재단이 생길 수 있어서, 파두가 가파른 개폐서지가 발생한다. 그래서 절연이 서지에 약한 기기 앞단에는 SA(서지흡수기)를 둔다.

• 전동기는 권선 절연 여유가 작아 SA를 적용한다.
• 유입식 변압기는 절연유 덕분에 절연내력이 커서 SA가 불필요하다.
• 몰드식·건식 변압기는 고체·공기 절연이라 서지에 약해 SA를 적용한다.
• 콘덴서는 자체 정전용량이 서지를 흡수하므로 SA가 불필요하다.

외우는 요령: 불필요한 것은 유입식 변압기와 콘덴서 둘뿐이고, 나머지는 모두 적용한다.

[해설]

피뢰기 공칭방전전류는 설치장소의 중요도와 계통의 전압·용량에 따라 세 등급으로 정한다.

• 10,000[A] — 154[kV] 이상 계통, Bank 3,000[kVA] 초과 등 중요한 변전소.
• 5,000[A] — 66[kV] 이하 계통이면서 Bank 3,000[kVA] 이하인 변전소.
• 2,500[A] — 배전선로.

외우는 요령: 중요 변전소 → 일반 변전소 → 배전선로 순으로 10,000·5,000·2,500[A]로 절반씩 줄어든다.

[해설]

KEC 341.13(피뢰기의 시설)에 따라, 가공선로를 타고 들어온 뇌서지가 기기로 넘어가는 길목에 피뢰기를 둔다.

• 가공전선로에 접속하는 배전용 변압기의 고압측·특고압측은 변압기 권선을 보호하는 자리다.
• 고압·특고압 가공전선로에서 공급받는 수용장소의 인입구는 수전설비로 서지가 들어오는 입구다.
• 가공전선로와 지중전선로가 접속되는 곳은 서지 임피던스가 바뀌어 전압이 반사·상승하므로 케이블을 보호해야 한다.

이 밖에 발전소·변전소 또는 이에 준하는 장소의 가공전선 인입구·인출구도 시설 장소에 들어간다.

[해설]

KS C IEC 62305-3에서 피뢰레벨(Ⅰ~Ⅳ)에 따라 값이 달라지는 것은 뇌격을 받아 대지로 흘려보내는 성능을 정하는 설계값이다.

• 등급과 관계 있음 — 회전구체 반경·메시 크기·보호각, 인하도선·환상도체 간격, 위험한 불꽃방전에 대비한 이격거리, 접지극 최소길이.
• 등급과 관계 없음 — 수뢰부용 금속판·금속관의 최소두께, 접속도체의 최소치수, 재료 및 사용조건.

등급과 관계없는 항목은 어느 등급에나 똑같이 적용되는 재료·치수 규격이다.

'얼마나 촘촘하고 멀리 배치하느냐'는 등급마다 다르고 '무엇으로 만드느냐'는 모든 등급에 공통이라고 외우면 된다.