1. 뇌 방전 특성

낙뢰는 구름 속에 전하가 축적됨에 따라 발생된 뇌운에 의한 전하 방전이다. 뇌운이 형성된 아래 지표면에는 뇌운 하부 전하와 반대 극성의 전하가 유기되어 두 전하간의 전하 강도가 점점 증대되어 공기 절연의 파괴 내력을 넘으면 뇌운과 지표면 사이에 불꽃 방전이 발생하는 대지 뇌격 즉 낙뢰가 발생한다.

대지뇌격에 대한 진행 과정 특성을 살펴보면 (그림 1)과 같다.

(그림 1) 낙뢰 진행 과정

이 결과는 낙뢰를 회전카메라(보이스카메라)와 정지카메라로 촬영한 뇌격의 진행 특성을 나타낸다. 그림(a)는 회전카메라에 의한 특성을 나타내며 시간에 따라 좌에서 우로 진행하는 뇌격을 볼 수 있고, 그림(b)는 이것을 정지 카메라로 촬영한 것이다.  그림(a)에서와 같이 뇌격은 먼저 구름에서 빛이 약한 선행 방전(선구 방전)이 발생하여 그것이 대지로 향하여 전진하게 된다.

그리고 그 선행방전의 선단이 대지에 접근하였을 때 대지면에서 상향의 방전광(스트리머)가 발생하여 양자가 결합하는 순간 대지로부터 엄청난 양의 전하가 선행 방전에 주입되어 이른바 주 뇌격(주방전, 귀환뇌격)이 된다.

그리고 그 선행방전의 선단이 대지에 접근하였을 때 대지면에서 상향의 방전광(스트리머)가 발생하여 양자가 결합하는 순간 대지로부터 엄청난 양의 전하가 선행 방전에 주입되어 이른바 주 뇌격(주방전, 귀환뇌격)이 된다.

처음에 뇌운으로부터 대지로 향하는 선행방전은 단계적으로 진행한다.  이것을 보통 스텝리더(계단형 선행 방전)라 한다.  일반적으로 이 스텝리더는 뇌운내의 음전하와 양전하 지역에서 국부적인 절연파괴로 시작된다. 스텝 리더가 차츰 대지에 접근하면 대지로부터 상향 방전을 통해 많은 양의 전하가 선행 방전로에 주입되며, 상향 방전로 중 하나가 스텝리더 선단과 결합한다.

(그림 2)는 뇌운 극성, 리더, 주방전 진행 방향에 의한 낙뢰분류를 나타낸다.  그림에서 보는 바와 같이 상양 방전 중 하나가 스텝리더 선단과 결합하면 선단 부근은 실효적으로 대지전위와 같아지며 나머지 선행 방전로는 음으로 대전(음전위)된다.  이때 선행 방전로는  강한 빛의 주뇌격을 통과 시키는 전송로로 작용하며 주 뇌격의 파두와 대지 사이에 대전류가 흐르고 선행 방전로 위에 분포한 음전하는 주 뇌격 아래쪽의 고 도전성 방전로를 통해 실효적으로 대지방향으로 하강하게 된다.

2. 피뢰설비의 보호 영역

피뢰설비가 낙뢰에 대하여 어떠한 보호 범위를 가지며 그 효과가 어떠한가를 아는 것은  각종 건축물 및 시설에 대해 안전하고 경제적으로 피뢰설비를 설계하는데 가장 중요한 요소가 된다.  또한 낙뢰시 뇌격과 이것에 관련된 현상을 통해 고안된 피뢰설비의 보호효과는 매우 뛰어나다.  따라서 피뢰설비 보호 범위와 그 효과에 대하여 더욱 신중하게 검토하여 피뢰설비를 설계해야 한다.

최근에 피뢰설비의 보호범위는 낙뢰 성질의 선행방전(스텝리더)의 최종단 진전거리(낙뢰거리)가 보호범위에 직접 영향을 미치며, 건축물의 높이나 규모, 인접 건물, 수목의 유무, 지형 상태 그리고 뇌전류의 크기 등이 보호 범위에 영향을 미친다.

따라서 피뢰설비의 보호 범위는 이러한 여러 요인을 고려하여 산정한다.

피뢰 설비의 낙뢰에 대한 보호범위에 관한 연구는 기본적으로 세가지 방법으로 행해진다.

(1) 첫째 : 낙뢰에 의한 실제 사고가 발생한 경우의 통계적 해석

(2) 둘째 : 가상 모델 실험

(3) 셋째 : 뇌 방전경로의 기하학적 해석

1) 뇌전류 크기에 따른 보호 범위

낙뢰의 보호범위에 관한 IEC/TC 81에서 규정하는 기본적인 개념을 살펴본다.

뇌 방전은 뇌운으로부터 선행방전(Step Leader)이 시작되고 시간 경과에 따라 정지와 진행을 반복하여 그 선단이 대지에 접근하였을 때 대지로부터 상향방전(Streamer)이 출발하여 양자가 결합하는 순간 대지로부터 많은 전하가 선행 방전로(Step Leader)에 주입되어 주방전(Return Stroke  혹은 Main Stroke)이 발생한다. 선행방전은 50m(150ft) 단위로 진행과 휴지를 반복하는 단계적 과정을 거쳐 대지로 접근한다. 휴지시간은 보통 30□s~90□s를 가지며, 평균진행속도는 1.5X105 m/s 이다.

뇌전류 크기에 따른 보호 범위는 회전구체법(Rolling Sphere Method)의 개념으로 설명할 수 있으며, 회전구체법은 뇌전류 크기에 따른 보호 범위를  3-차원적 개념으로 해석한다.  (그림 3)는 이러한 회전구체법의 개념을 나타낸다.

(그림 3) 회전 구체 법에 의한 보호 범위

낙뢰시 선행방전(Step Leader)이 50m(150ft) 단위로 진행된다고 볼 때, 50m (150ft) 위쪽 지역이 직접적으로 낙뢰를 맞을 가능성이 매우 높은 지역이다. 반경 50m(150ft)인 구(Sphere 혹은 Ball)가 대상 건축물 위를 굴러간다고 생각해 볼 때, 이 구(Sphere 혹은 ball)가 접촉하는 부분은 낙뢰에 맞을 가능성이 매우 높은 영역이다.  (그림 3)에서 회전구가 철주(Tower)에 접촉되는 두 점의 밑 부분이 낙뢰로부터의 보호 영역이고, 위 부분이 비보호 영역이다.

(그림 4)는 철주의 높이에 대한 낙뢰의 보호 범위를 나타낸다.

(그림 4) 철주의 높이에 대한 보호 범위

또한 낙뢰의 보호범위는 뇌격거리(rs)와 건축물(철주)의 높이(h)에 따라 차이가 난다.  뇌격거리가 건축물의 높이보다 큰 경우에는 건축물의 높이가 증가함에 따라 보호범위는 넓어지며, 작은 경우에는 보호범위는 증가하지 않는다.

(그림 5)은 뇌격거리와 건축물의 높이에 따른 보호범위를 나타낸다.

(그림 5) 뇌격 거리에 따른 보호범위의 변화

2) 피뢰침 높이에 따른 보호 범위

앞에서 설명한 회전구체법(Rolling Sphere Method)에 의해 뇌격보호범위를 규정할 수 있으며, 이를 바탕으로 피뢰침의 높이에 의한 보호범위 및 보호각도의 크기를 결정할 수 있다.

(그림 6)은 피뢰침의 높이에 따른 보호각도의 크기를 결정하는 방법이다.

(a) 보호 각도                    (b) 보호 범위

(그림 6) 피뢰침 높이에 따른 보호각도 및 보호 범위

(그림 6)에서 높이가 20m를 넘으면 2개의 보호각, 30m를 넘는 경우에는 3개 보호각의 조합에 의해 보호 범위를 규정하고, 그 구체(Sphere)의 크기도 보호 대상물의 중요도(보호레벨:Protection Level)에 따라 변화시켜 보호범위를 규정하게 된다.

(그림 6)에서 R은 뇌격 거리, h는 철주 혹은 건축 물의 높이, a는 보호 각도를 나타내며, 빗금의 음영 부분은 보호 범위를 보여준다.

(표 1)은 보호레벨에 따른 뇌격거리 및 피뢰침의 높이를 조합하여 규정한 보호각도를 나타낸다.

3. 뇌해 방지용 접지

낙뢰 피해는 직격뇌 뿐만 아니라 간접뇌 그리고 유도뢰에 의해 발생한다.

지금까지 밝혀진 뇌전류 용량은 수 Kamp ~ 수백 Kamp 이다

또한 지구상에서 관측된 낙뢰의 뇌용량은 99% 가 140Kamp 이하로 관측되었다.

이러한 극히 짧은 시간에 발생되는 고용량의 뇌전류를 피뢰도선을 통해 대지에 안전하게 방전 시키므로 약전 설비나 통신기기 등과 같은 시설들을 보호할 목적으로 설치되는 것이 뇌해 방지용 접지이다. 이러한 뇌해 방지용 설비로는 피뢰 접지, 가공지선 접지 및 각종 피뢰기 접지 등이 포함된다.

일반적으로 사용되는 피뢰방식은 피뢰침 방식과 수평도체방식(독립가공지선)이 있다.

1) 피뢰침 접지 방식

가장 일반적인 방식 피뢰 방식으로 끝이 날카로운 금속도체인 피뢰침을 건물 꼭대기에 달아 건축물의 근방에 접근하는 뇌격을 그 피뢰침으로 흡수하여 피뢰침과 대지에 연결한 도선을 통해 대지에 방전시키는 방식으로 (그림 7)와 같다.

(그림 7) 피뢰침 접지의 구조

(그림 7)에 나타난 것처럼 피뢰침 접지의 기본 구조는 피뢰침부와 인하도선 그리고 접지봉으로 이루어진다.

안전하고 신뢰성 있는 피뢰 접지를 시설하기 위해서는 낙뢰의 보호범위, 인하도선의 재료 및 설치 구조, 접지봉의 특성 및 설치 구조, 인접 구조물과의 관계, 건물 내부 기기의 특성 등을 전반적으로 고려하여 설치하여야 한다.

2) 수평도체 접지방식

수평도체 방식이란 건축물의 상부에 도체를 수평으로 가설하고 이를 통해 뇌격을 흡수 인하도선을 통해 대지에 방전 시키는 방식이다.

(그림 8)은 수평도체 방식의 구조를 나타내며, 이러한 수평도체의 보호각은 피뢰침의 보호각과 같다.

(그림 8) 수평도체 접지 방식

4. 피뢰침의 종류

피뢰 설비 중에서 뇌운으로부터 발생되는 낙뢰를 직접적으로 수뢰하기 위해 공중에 돌출 시키는 부분이 피뢰침이다.  이러한 피뢰침은 다양한 종류가 개발되어 현장에 적용되고 있다.

1) 피뢰침의 종류

피뢰침은 단순히 낙뢰를 수뢰하는 형태인 최초의 벤자민 프랭크린의 피뢰침 모델에서 크게 발전하여 낙뢰 발생을 사전에 억제하여 뇌해를 예방하는 최신의 이온(Ion) 발생피뢰침이나 펄스방사 피뢰침들이 개발되었다.

단순한 초기 모델의 피뢰침은 순동(Pure Copper)이나 아연용융도금의 강철 혹은 내식 알루미늄을 재료로 하여 제작된다.  피뢰침의 굵기는 지름 12mm 이상을 사용하며, 이러한 피뢰침의 굵기는 뇌격 시에 도선에 발생하는 온도 내력에 의해 결정되는 것이 아니라 기계적 강도에 의해 결정된다.  또한 최근에 개발되고 있는 이온발생 피뢰침이나 펄스발생 피뢰침은 피뢰침으로부터 뇌운에 공간 전하나 이온을 발생시켜 뇌운의 전하를 중화하여 낙뢰 발생 자체를 억제하는 형태로 개발되고 있다.

따라서 뇌운에 의한 낙뢰 발생을 가능한 한 예방하여 낙뢰 피해를 줄인다.

(그림 9)은 단순한 피뢰침 모델을 나타낸다.

(그림 9a) 단일침상 피뢰침           (그림 9b) 멀티침상 피뢰침

이러한 피뢰침의 설치는 건축물의 구조에 따라 최적의 높이와 보호 각도를 설계하여 설치되어야 한다. 단일침상 피뢰침과 멀티침상 피뢰침의 설치는  건축물의 구조에 따라 바닥에 고정하는 것에서 측면에 고정하는 형태 등이 있다.

(그림 10)는 이러한 피뢰침의 설치 형태를 나타낸다

(그림 10a) 단일침상 피뢰침 설치                  (그림 10b) 멀티침상 피뢰침 설치

(그림 11a,b,c)는 낙뢰발생 예방 피뢰침의 종류를 나타낸다

(그림 11a)펄스발생 피뢰침       (그림 11b)수뢰형 피뢰침          (그림 11c)분산형 피뢰침

@접지의 기본적 이해

각종의 전기, 전자, 통신설비를 대지와 전기적으로 접속하여 접지를 구성하기 위한 단자가 접지전극이다. 이 전극과 대지사이에 발생하는 접촉저항, 즉 전기적 저항이 접지 저항이다.  따라서 지락 전류 혹은 Noise 전류 발생시 이러한 접지전극의 접지저항으로 인해 전위가 상승하여 시스템에 여러 가지 장해를 일으키게 된다. 접지저항은 0□(Zero ohm)을 갖는 것이 이상적이나 실제적으로는 불가능하므로 접지에 접속된 장비나 설비에 아무런 장해가 없도록 접지시스템을 구성하는 것이 절대적으로 필요하다.

전기계의 해석 중에 가장 기본적인 법칙으로는 키르호프의 법칙과 충첩의 원리가 있다. 즉  건전지, 변압기, 발전기 등을 흔히 들 수 있는데 이들 전원으로부터 흘러나오는 전류는 폐회로가 형성되어야만 흐르고 또 다른 한가지는 전원에서 I 라는 전류가 흘러 나갔으면 반드시 I 라는 전류는 흘러 들어가야 한다는 것이다. 그렇다면 이같은 법칙은 접지계에서도 당연히 성립될 것이다. 과연 정상접지 상태에서는 대지로 흘러 들어간 전류는 어디론가 갈 것이다. 결국 전류를 만들어 낸 고향인 발전소까지 가고자 할 것이고 그 회로가 대지인 것이다. 그런데 변압기가 접지계통에 연결되어 있으면 연결된 변압기는 발전기와 같은 전원으로 작용하게 되어 접지로 흘러 들어가 전류는 자신을 전압이라는 압력으로 밀어낸 변압기로 귀속하고자 할 것이다. 이와같이 정상주파수의 인위적인 전원에 의한 접지의 개념을 정상상태 또는 저주파 상태에서의 접지라 한다.

그러나 위에서 언급한 인위적인 전원에 의한 전류원이 아닌 자연현상에서 발생한 낙뢰나 고장현상시의 써지 전류 등에 의한 접지의 개념을 생각할 수 있다. 낙뢰에 의한 전류는 인위적인 전원에 의해서 흐르는 전류와는 다소 다른 관점에서 접근해야만 한다. 뇌운에 의한 전하는 정전기와 같이 대전된 현상으로 볼 수 있고, 이 대전된 전하는 거대한 용량을 갖는 콘덴서인 지구로 흡수되고자 할 것이다. 지구는 용량이 큰 콘덴서이므로 큰 뇌운이 갖는 전하는 충분히 흡수시킬 수 있고, 그 정도의 전하가 충전된다 해도 전위상승이 일어나지는 않는다. 이와 같은 관점에서 본 접지를 과도상태 또는 임펄스 접지라 한다.

위에서 설명한 2종류의 접지개념을 대하면서 인위적인 전원을 대상으로 하는 접지와 자연적인 낙뢰등을 대상으로 하는 접지와는 다소의 차이가 있지 않을까 라는 의문이 제기할 수 있을 것이다. 그렇지만 전기설비와 대지와의 결합을 의미하므로 앞에서 설명한 두 가지 경우 모두 완벽한 결합, 즉 양호한 접지저항을 얻을 수 있다면 문제는 없다.

그러나 인위적인 전원에 의한 전류는 상대적으로 낮은 주파수의 연속적인 전류이므로 집중정수선로로 모의되고, 낙뢰는 써지의 개념으로 전류의 상승률이 높은 진행파의 개념으로 모의되므로 서로 다른 특성을 나타낸다.

그러므로 접지시스템의 안전하고 효율적인 구성을 위해서는 현장에 맞는 접지 전극의 설계 및 시공이 필수적이며, 이를 위한 대지 파라 미터의 파악 및 분석 그리고 접지저항의 계산은 매우 중요한 요소이다.  또한 접지를 응용하는 방식에서 접지시스템이 적용되는 분야에 따라 여러 설비의 접지를 공통(Common Grounding)으로 연결하느냐? 아니면 각각 독립(Isolation Grounding)으로 분리하느냐? 하는 접지접속방식이 매우 중요한 논란이 되기도 한다.

국내에서는 지금까지 독립접지(Isolation Grounding)가 가장 일반적으로 사용되어 왔지만 대부분의 통신분야 및 일부 전기분야에서 공통접지(Common Grounding)를 적용하고 있다.  참고로 접지시스템의 구성방식의 세계적인 추세는 공통접지(Common Grounding)를 채택하고 있으며 공통접지방식의 장점들이 현장에서 입증되고 있다.

그리고 접지전극의 재료로는 지락전류나 서지전류에 견딜 수 있는 충분한 전류용량을 가지며, 대지 토양환경에서 강한 내부식성을  갖는 신뢰성 높은 접지전극 재료가 요구된다.

@접지의 일반

접지를 유럽 권에서는 “Earthing”, 미국에서는 “Grounding” 이라고 표현하고 있다. 접지는  1754년 미국의 프랭크린이 연날리기에서 피뢰침을 착상하여 철봉을 건물에 접해서 세우고 그 하단을 지중에 매설한 것이 접지전극에 해당, 즉 피뢰침의 시작이다. 1835년에 피뢰침의 다음으로 접지가 필요하게 된 유선전신의 모르스에 의해 실용화되었다.  1876년에 벨의 전화발명으로 전화용 가공선로에 낙뢰가 발생되면 시설 및 인명에 재해가 초래되기 때문에 이를 방지하기 위하여 등장한 것이 피뢰기이고 전화기의 보안기에도 접지가 필요하게 되었다.

이와 같이 초기의 접지는 낙뢰와 정전기 등으로부터 인명과 장치를 보호하는 역할에 주력하였으나 오늘날의 접지는 낙뢰는 물론 원하지 아니하는 과전류 및 과전압 유입, 전기적 잡음으로부터 전원, 통신 제어시스템 등의 복잡한 전기, 전자적 시스템을 안정적으로 동작하게 하는 기능용 접지에 이르기 까지 많은 관심을 가져야 할 것이다.  접지는 그 사용분야 및 목적에 따라 분류되며 인명이나 설비의 안전을 목적으로 한 경우에는 보안용 접지라 하며, 장비나 시스템의 안정적 가동이나 운용을 목적으로 한 경우에는 기능용 접지라 한다.

지금까지 접지는 주로 전기 및 전력 분야에서 송.배전 설비 및 낙뢰에 의한 인명과 설비의 손상을 방지하기 위한 차원에서 다루어져 왔다.

하지만 오늘날의 전기, 전자 , 통신 그리고 반도체 기술의 눈부신 발전은 거의 모든 설비의 소형화, 고 집적화를 가능하게 하였고,  초고속 종합정보통신망을 이용하여 각종의 데이터, 음성, 화상에 이르는 모든 정보를 서비스할 수 있게 되었으며, 또한 컴퓨터를 통해 모든 정보를 공유할 수 있는 고도의 정보화 시대를 맞이하고 있다.

이러한 소자 및 장비 기술의 비약적인 발전은 전자회로의  고 기능화 와 고 밀집화를 이룩하였으며 이로 인한 전자파의 간섭과 장해는 매우 심각한 수준에 이르고 있다.

따라서 고도화된 정보 통신 시스템의 효율적이고 안정한 운용 및 우수한 통화 품질의 확보와 오동작을 방지하기 위해서는 고 신뢰성의 우수한 접지가 요구된다.

@장비에 필요한 접지

일반적으로 접지하면 모두가 쉽게 생각을 하는데 그렇게 쉽게 넘어갈 문제가 아님을 알아야 한다.

왜냐하면 접지로 인하여 사고가 발생되어진 경우가 한두건이 아니기 때문이다.

부하장비에 필요한 접지는 2가지가 필요하다고 볼수 있다

단, 전기적(전송로에 의한 배전접지는 제외)

시스템(전산실,DATA BANK,기타중요시설물)에서요구하는 접지는 1차 송전과 분리된 별도의 접지를

요구하고 있으므로 이에 대한 대책 마련을 하여야 한다.

컴퓨터가 없으면 업무가 마비되는 21세기에 접지에 대한 정확한 해답은 없으며 최대한 기기에 영향을

주지 않토록 하기위한 수단을 찾아 시설하는 것이 최상의 방법이 아닌가 쉽다.

일반적으로 전원장비들도 접지에 의하여 이상동작을 하는경우가 종종 있는데 이 또한 부하장비와

결합이 되지 않은 관계라 할수 있다.

가> 비접지와 직접접지

부하장비에서 비접지는 일반적으로 채택하지 않는방식이나 일부 시스탬에서는 비접지 전원으로

운영하는 경우도 있다

예를든다면 전원라인과 접지간에 모두 전위가 형성되도록 하는 방식인데 중요장비에는 사용하지

않는다.

그러나 직접접지는 독립된 전원을 공급받고져 하는 중요기기에 적용되며 일반 전기용품의 전원

에는 일반접지로도 무난하기 때문에 적용하지 않는다.

직접접지는 독립전원을 구성하고 부하기기에서 받아들이는 접지전워가 있으므로 별도의 접지를

인출하도록 시공사에 요구하고 있으며 이 독립접지를 사용한다.

독립접지는 전원장치의 한 라인과 직접 COMMOM하여 접지전위를 잡아준다.

부하기기의 접지전위는 항상 부하기기에서 요구하는 전위를 갖을수 있도록 노력하여야 한다

전원설비의 설치는 부하기기를 보호하기위한 목적으로 항상 부하에 맞는 전원설비가 되어야

한다

또한 독립접지에 표시된 저항은 반드시 저저항으로 선택하여야 한다.

예를든다면 10□이하의 값으로 선정하는 것이 바람직하다.

저항을 부착하는 이유는 부하측의 누전이나 단로현상으로부터 장비를 보호하고 단선되어 지락

상태 보호를 할수 있도록 하기 위함이다.