피뢰설비

충격전압 파형은

• 뇌전이나 스위칭 작용 등으로 인해 짧은 시간 동안 발생하는 매우 높은 전압을 의미
• 이러한 충격전압은 전기기기의 절연 파괴를 일으킬 수 있기 때문에, 전기 설비를 설계하고 운영할 때 충분히 고려

표준 충격전압 파형은

• 이러한 충격전압을 규격화하여, 전기기기의 절연 내력 시험에 사용하는 파형
• 즉, 실제 발생할 수 있는 다양한 형태의 충격전압을 하나의 표준 파형으로 대체하여 시험을 진행함으로써, 시험 결과의 신뢰성을 높이고 설비의 안전성을 확보하는 것

표준 충격파형의 구성 요소

• 파고값 (Peak Value):
  • 파형의 최대값을 의미하며, 절연 내력 시험에서 가장 중요한 요소
• 파두장 (Front Time, Tf):
  • 파형이 규약 영점에서 파고값의 90%에 도달하는 데 걸리는 시간
• 파미장 (Time to Tail, Tt):
  • 파형이 파고값의 50%까지 떨어지는 데 걸리는 시간

표준 충격파형의 표시법

• 표준 충격파형은 일반적으로 Tf × Tt 형태로 표시
• 예를 들어, 가장 많이 사용되는 표준 충격파형 중 하나인 1.2 × 50 μs는 파두장이 1.2 마이크로초, 파미장이 50 마이크로초라는 것을 의미

규약 영점

• 규약 영점은 파형의 시작점을 정의하는 기준점
• 파형의 초기 부분이 불규칙하기 때문에, 파고값의 30%와 90%에 해당하는 점을 시간축과의 교점으로 규약 영점을 정함

표준 충격파형의 중요성

• 절연 내력 시험: 표준 충격파형을 이용하여 전기기기의 절연 내력을 측정하고, 안전성을 평가합니다.
• 설비 설계: 표준 충격파형을 고려하여 전기 설비를 설계함으로써, 뇌전이나 스위칭 서지 등으로 인한 피해를 최소화할 수 있습니다.
• 국제 표준: 표준 충격파형은 IEC (국제전기기술위원회) 등 국제 표준에서 규정하고 있으며, 전 세계적으로 공통적으로 사용됩니다.

IEC 62305 파트별 주요 내용

파트 1: 일반 원리

• 낙뢰 보호 시스템의 목적과 범위 정의
• 낙뢰 보호 수준(LPL) 정의 및 선택 기준
• 위험 분석 및 평가 방법
• 낙뢰 보호 시스템 설계 원리

파트 2: 위험 분석 및 위험 관리

• 낙뢰 위험 평가 방법
• 보호 대상의 중요도 및 가치 평가
• 위험 분석 결과를 바탕으로 적절한 낙뢰 보호 수준 결정
• 위험 완화를 위한 조치

파트 3: 물리적인 낙뢰 보호 시스템

• 외부 낙뢰 보호 시스템 설계 (피뢰침, 도체, 접지 등)
• 내부 낙뢰 보호 시스템 설계 (서지 보호기, 등전위 결합 등)
• 시스템 성능 평가 방법

파트 4: 전자기적 낙뢰 보호 시스템

• 낙뢰 유도 전자기펄스 (LEMP)에 대한 보호
• 전자 장비 보호 방법
• 통신 시스템 보호 방법

파트 5: 관리, 유지보수

• 낙뢰 보호 시스템의 정기적인 검사 및 유지보수
• 시스템 성능 평가
• 시스템 변경 시 고려 사항

각 파트의 중요성

• 파트 1: 낙뢰 보호 시스템 설계의 기본적인 원리를 제시하며, 낙뢰 보호 수준을 결정하는 데 필요한 정보를 제공합니다.
• 파트 2: 낙뢰 위험을 정량적으로 평가하고, 적절한 보호 수준을 결정하는 데 도움을 줍니다.
• 파트 3, 4: 낙뢰 보호 시스템의 구체적인 설계 및 시공 방법을 제시하며, 외부 및 내부 낙뢰로부터 시스템을 보호하는 방법을 설명합니다.
• 파트 5: 낙뢰 보호 시스템의 효과적인 관리 및 유지보수를 위한 지침을 제공합니다.

• 적용 대상:
  • 낙뢰의 우려가 있는 건축물,
  • 높이 20m 이상의 건축물, 또는 공작물
• 설치 기준:
  • 한국산업표준(KS) 적합성: 피뢰설비는 KS에서 정하는 피뢰 레벨 등급에 적합해야 합니다. 특히 위험물 저장 및 처리시설은 피뢰 시스템 레벨 II 이상을 적용
  • 돌침 설치: 돌침은 건축물 최상부에서 25cm 이상 돌출되어야 하며, 설계 하중을 견딜 수 있는 구조
  • 재료 기준: 피뢰설비 재료는 내구성이 우수하고 전기 저항이 낮은 재료를 사용
  • 전기적 연속성: 인하도선 대신 철골이나 철근을 사용할 경우, 전기적 연속성을 확보
  • 접지: 피뢰설비는 안전하게 접지되어야 하며, 접지 저항은 관련 규정에 적합
• 유지관리: 피뢰설비는 정기적으로 점검하고 유지보수하여 성능을 유지

국내 관련 법령

• 건축법 시행령 제87조 제2항:
  • 낙뢰의 우려가 있는 건축물 또는 높이 20m 이상의 건축물에는 피뢰설비를 설치하도록 규정
• 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 제20조:
  • 피뢰설비 설치 기준에 대한 상세한 내용을 규정. (위에서 언급된 내용 참고)
• 한국산업규격(KS C 9609):
  • 피뢰침에 대한 상세한 규격을 규정
• KS C IEC 62305 시리즈:
  • 국제표준인 IEC 62305 시리즈를 바탕으로 국내 실정에 맞게 제정된 규격으로, 낙뢰 보호 시스템에 대한 종합적인 지침을 제공

건축물 피뢰설비 규격의 동향

• 국제 표준화:
  • IEC 62305 시리즈와 같이 국제적인 표준화가 진행되면서, 국내 규정도 국제 표준에 맞춰 지속적으로 개정
• 성능 기반 설계:
  • 기존의 형식적인 기준에서 벗어나, 건축물의 특성과 낙뢰 위험도를 고려한 성능 기반 설계 방식이 도입
• 시뮬레이션 활용:
  • 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 낙뢰 발생 시 전류 흐름을 예측하고, 보다 정확한 피뢰설비 설계에 활용
• 신기술 도입:
  • 드론, IoT 등 신기술을 활용하여 피뢰설비의 설치 및 관리 효율성을 높임
• 위험 기반 접근:
  • 낙뢰 위험도를 평가하고, 이에 맞는 적절한 보호 수준을 설정하는 위험 기반 접근 방식이 강조

전자 환경의 카테고리와 제한 전압

전자 환경 카테고리:

• Category 0: 외부 설비 또는 건물의 주요 구조물에 직접 연결된 설비. 낙뢰 직격의 위험이 가장 높은 영역입니다.
• Category I: Category 0 설비와 연결되거나, 외부에서 유입되는 전원선에 직접 연결된 설비. 낙뢰 유도 전압에 노출될 수 있습니다.
• Category II: 건물 내 일반적인 전원 콘센트에 연결된 설비. 낙뢰 유도 전압에 간접적으로 노출될 수 있습니다.
• Category III: 저전압 안전 특별 전원 공급 장치에 연결된 설비. 낙뢰의 영향을 가장 적게 받는 영역입니다.

제한 전압:

각 카테고리별 제한 전압은 표준에서 명확하게 제시되어 있으며, 이를 초과하는 전압이 인가될 경우 전자기기가 손상되거나 오동작할 수 있습니다. 일반적으로 Category 0에서 Category III로 갈수록 제한 전압은 낮아짐

제한 전압 준수를 위한 보호 조치

• 서지 보호기 (Surge Protective Device, SPD): 낙뢰 시 발생하는 과전압을 제한하여 전자기기를 보호하는 장치입니다. 각 카테고리에 맞는 적절한 SPD를 설치해야 합니다.
• 등전위 본딩: 금속 도체를 연결하여 전위차를 줄이고, 낙뢰 시 유도 전압을 분산시키는 조치입니다.
• 접지: 낙뢰 전류를 안전하게 지구로 방출하기 위한 시스템입니다.
• 차폐: 전자기기 주변에 차폐막을 설치하여 외부 노이즈를 차단합니다.

왜 카테고리별 제한 전압이 중요한가?

• 전자기기 보호: 과전압으로 인한 전자기기 손상을 방지합니다.
• 시스템 안정성 확보: 낙뢰 시 시스템의 오동작을 방지하고, 데이터 손실을 최소화합니다.
• 인명 안전: 전기 충격으로부터 사람을 보호합니다.

제20조(피뢰설비) 영 제87조제2항에 따라 낙뢰의 우려가 있는 건축물, 높이 20미터 이상의 건축물 또는 영 제118조제1항에 따른 공작물로서 높이 20미터 이상의 공작물(건축물에 영 제118조제1항에 따른 공작물을 설치하여 그 전체 높이가 20미터 이상인 것을 포함한다)에는 다음 각 호의 기준에 적합하게 피뢰설비를 설치해야 한다. 

1. 피뢰설비는 한국산업표준이 정하는 피뢰레벨 등급에 적합한 피뢰설비일 것. 다만, 위험물저장 및 처리시설에 설치하는 피뢰설비는 한국산업표준이 정하는 피뢰시스템레벨 Ⅱ 이상이어야 한다. 

2. 돌침은 건축물의 맨 윗부분으로부터 25센티미터 이상 돌출시켜 설치하되, 「건축물의 구조기준 등에 관한 규칙」 제9조에 따른 설계하중에 견딜 수 있는 구조일 것 

3. 피뢰설비의 재료는 최소 단면적이 피복이 없는 동선(銅線)을 기준으로 수뢰부, 인하도선 및 접지극은 50제곱밀리미터 이상이거나 이와 동등 이상의 성능을 갖출 것 

4. 피뢰설비의 인하도선을 대신하여 철골조의 철골구조물과 철근콘크리트조의 철근구조체 등을 사용하는 경우에는 전기적 연속성이 보장될 것. 이 경우 전기적 연속성이 있다고 판단되기 위하여는 건축물 금속 구조체의 최상단부와 지표레벨 사이의 전기저항이 0.2옴 이하이어야 한다. 

5. 측면 낙뢰를 방지하기 위하여 높이가 60미터를 초과하는 건축물 등에는 지면에서 건축물 높이의 5분의 4가 되는 지점부터 최상단부분까지의 측면에 수뢰부를 설치하여야 하며, 지표레벨에서 최상단부의 높이가 150미터를 초과하는 건축물은 120미터 지점부터 최상단부분까지의 측면에 수뢰부를 설치할 것. 다만, 건축물의 외벽이 금속부재(部材)로 마감되고, 금속부재 상호간에 제4호 후단에 적합한 전기적 연속성이 보장되며 피뢰시스템레벨 등급에 적합하게 설치하여 인하도선에 연결한 경우에는 측면 수뢰부가 설치된 것으로 본다. 

6. 접지(接地)는 환경오염을 일으킬 수 있는 시공방법이나 화학 첨가물 등을 사용하지 아니할 것 

7. 급수ㆍ급탕ㆍ난방ㆍ가스 등을 공급하기 위하여 건축물에 설치하는 금속배관 및 금속재 설비는 전위(電位)가 균등하게 이루어지도록 전기적으로 접속할 것 

8. 전기설비의 접지계통과 건축물의 피뢰설비 및 통신설비 등의 접지극을 공용하는 통합접지공사를 하는 경우에는 낙뢰 등으로 인한 과전압으로부터 전기설비 등을 보호하기 위하여 한국산업표준에 적합한 서지보호장치[서지(surge: 전류ㆍ전압 등의 과도 파형을 말한다)로부터 각종 설비를 보호하기 위한 장치를 말한다]를 설치할 것 

9. 그 밖에 피뢰설비와 관련된 사항은 한국산업표준에 적합하게 설치할 것

2️⃣낙뢰의 성질

충격전압 파형

뇌전이나 스위칭 작용 등으로 인해 짧은 시간 동안 발생하는 매우 높은 전압을 의미합니다. 이러한 충격전압은 전기기기의 절연 파괴를 일으킬 수 있기 때문에, 전기 설비를 설계하고 운영할 때 충분히 고려

표준 충격전압 파형

이러한 충격전압을 규격화하여, 전기기기의 절연 내력 시험에 사용하는 파형입니다. 즉, 실제 발생할 수 있는 다양한 형태의 충격전압을 하나의 표준 파형으로 대체하여 시험을 진행함으로써, 시험 결과의 신뢰성을 높이고 설비의 안전성을 확보하는 것입니다.

표준 충격파형의 구성 요소

• 파고값 (Peak Value):
  • 파형의 최대값을 의미하며, 절연 내력 시험에서 가장 중요한 요소
• 파두장 (Front Time, Tf):
  • 파형이 규약 영점에서 파고값의 90%에 도달하는 데 걸리는 시간
• 파미장 (Time to Tail, Tt):
  • 파형이 파고값의 50%까지 떨어지는 데 걸리는 시간

표준 충격파형의 표시법

표준 충격파형은 일반적으로 Tf × Tt 형태로 표시합니다. 예를 들어, 가장 많이 사용되는 표준 충격파형 중 하나인 1.2 × 50 μs는 파두장이 1.2 마이크로초, 파미장이 50 마이크로초라는 것을 의미합니다.

규약 영점

규약 영점은 파형의 시작점을 정의하는 기준점입니다. 파형의 초기 부분이 불규칙하기 때문에, 파고값의 30%와 90%에 해당하는 점을 시간축과의 교점으로 규약 영점을 정함

표준 충격파형의 중요성

• 절연 내력 시험: 표준 충격파형을 이용하여 전기기기의 절연 내력을 측정하고, 안전성을 평가
• 설비 설계: 표준 충격파형을 고려하여 전기 설비를 설계함으로써, 뇌전이나 스위칭 서지 등으로 인한 피해를 최소화할 수 있다.
• 국제 표준: 표준 충격파형은 IEC (국제전기기술위원회) 등 국제 표준에서 규정하고 있으며, 전 세계적으로 공통적으로 사용