피뢰기 일반사항

가. 설치목적

피뢰기는 낙뢰 및 회로의 개폐시 발생하는 과(서지)전압을 일시적으로 대지로 방류시켜 계통에 설치된 기기 및 선로를 보호하기 위하여 설치한다.(피뢰기의 주 보호 대상물은 전력용 변압기이다)
   

• 전력설비 절연설계의 기본방향 참고

나. 피뢰기에 요구되는 기능  

1. 정상전압, 정상주파수에서는 절연내력이 높아 방전하지 않을 것.
2. 이상전압, 이상주파수에서는 절연내력이 낮아져 신속하게 방류특성이 될 것.
3. 전압회복 후 잔류전압 및 전류를 자동적으로 신속히 차단할 것.
4. 방전 후 이상전류 통전시의 피뢰기의 단자전압(제한전압)을 일정레벨 이하로 억제할 것.
5. 반복동작에 대하여 특성이 변화하지 않을 것.

다. 피뢰기의 구조 및 종류

피뢰기는 일반적으로 직렬갭과 특성요소로 구성되며, 계통의 전압별로 특성요소의 수량을 적합한 수량으로 포개어 조정한다. 

1. 구조

SIC 피뢰기	금속산화물 피뢰기

 

1-1. 직렬갭

정상시에는 방전을 하지 않고 절연상태를 유지하며, 이상 과전압 발생시에는 신속히 이상전압을 대지로 방전하고 속류를 차단한다. 

1-2. 특성요소

탄화규소 입자를 각종 결합체와 혼합한 것으로 밸브 저항체라고도 하며, 비저항 특성을 가지고 있어 큰 방전전류에 대해서는 저항 값이 낮아져 제한전압을 낮게 억제함과 동시에 비교적 낮은 전압계통에서는 높은 저항 값으로 속류를 차단하여 직렬갭에 의한 속류의 차단을 용이하게 도와주는 작용을 한다.

1-2-1. 특성요소의 종류

SIC특성요소, 금속산화물 특성요소가 있다.

1-2-2. 특성요소별 V-I특성곡선

특성도에서와 같이 금속산화물의 비 직선 저항특성으로 직렬 갭이 선로와 절연을 할 필요가 없다.

 

2. 피뢰기의 종류 

최근에는 갭레스형이 그 특성이 우수하여 일반적으로 채용하고 있다.
 

• 갭 저항형 (GAP RESISTANCE TYPE)
• 갭 레스형(GAP LESS TYPE) : 특성요소(ZnO : 산화아연)로만 구성.
• 밸브 저항형 (VALVE RESISTANCE TYPE) : 직렬 갭 + 특성요소(SiC)
• 밸브형 (VALVE  TYPE) :  

라. 피뢰기의 동작특성 및 특징

피뢰기의 특성도

1. 갭 저항형의 특성

상용주파수의 계통전압에서 서지가 겹쳐서 그 파고 값이 임펄스 방전 개시전압에 이르면 피뢰기가 방전을 개시하여 전압이 내려가며 동시에 방전전류가 흘러 제한전압이 발생한다.
서지전압 소멸 후 계통전압을 따라 속류가 흐르지만 처음의 전류 "0" 점에서 속류를 차단하고 원상태로 회복된다.
이러한 동작은 반 사이클의 짧은 시간에 이루어 진다. 

2. 갭 레스형의 특성

기존의 Sic(탄화규소) 특성요소를 비 직선 저항특성의 산화아연(ZnO ) 소자를 적용한 것으로서, 전압-전류 특성은 Sic 소자에 비하여 광범위하게 전압이 거의 일정하며 정전압장치에 가까워 진다.

SiC소자는 상규 대지전압이라도 상시전류가 흐르므로 소자의 온도가 상승하여 소손되기 때문에 직렬 갭으로 전류를 차단해 둘 필요가 있다.

갭레스 피뢰기의 경우에는 누설전류가 1㎃ 로서 문제가 발생되지 않으므로 직렬 갭이 선로와 절연을 할 필요가 없으므로 소형 경량으로 되며 그 특징은 아래와 같다.

2-1.갭레스 피뢰기의 특징 

• 방전 갭이 없으므로 소형,경량으로 된다.
• 방전시간이 빠르고 오손에 강하다.
• 방전 갭이 없으므로 항상 누설전류(1㎃로서 문제가 발생되지 않는다)가 흐르나, 불꽂 방전의 늦음이 없어 급준파 서지에도 빠르게 응답하고 이를 억제한다.
• 방전 과도현상이 없고 무속류이므로 가열 소손이 없다.
• 고전류 임펄스에 대해서도 제한전압이 안정된다.
• 광범위한 방전전류에 대해 단자전압이 거의 일정하게 유지된다.
• 전압이 보호레벨에 달할 때까지 거의 전류를 흘리지 않고 보호레벨을 초과하는 과전압을 제한할 필요 단계에서 전류를 흘리는 밸브작용이 있다.
• ZnO 소자의 단위 체적당의 흡수에너지가 크다.
• 내구성이 우수하여 수명이 100년 이상으로 추정하고 있다.
• 초 고압 직류 송전계통에도 적용이 가능하다.
• 저전류 영역을 제외하고 보호특성은 온도에 영향을 받지 않는다.

마. 피뢰기의 정격

1. 선정방법

피뢰기가 소기의 기능을 발휘하기 위해서는 계통의 과전압, 시설물 차폐여부, 설비의 중요도, 선로 및 피 보호기기의 절연내력, 기상조건 등을 종합적으로 검토하여 적용한다.

1-1 피뢰기의 선정시 유의사항

• 피뢰기의 설치장소에서의 최대상용주파 대지전압
• 가장 심한 피뢰기의 방전전류의 크기 및 파형
• 피 보호기기의 충격절연내력 결정
• 피뢰기의 정격전압 및 공칭 방전전류
• 피뢰기의 보호레벨 결정
• 이격거리 및 기타 관계요소를 고려하여 피뢰기로 제한된 피 보호기기에서의 전압결정 

2. 설계순서

설치장소의 최대상용주파 대지전압결정   ☞   피뢰기의 방전전류의 크기 및 파형추정   ☞   피보호기기의 충격 절연내력 결정   ☞  피뢰기의 정격전압 및 공칭 방전전류의 결정   ☞   피뢰기의 보호레벨 결정   ☞   피뢰기의 설치 (시험성적서 확인, 유효설치거리 및 이격거리 검토) 

3. 정격전압 

• 규정된 조건에서 동작책무를 반복 수행할 수 있는 상용주파 허용 단자전압(실효치)의 최고한도를 나타낸다.
  

전력계통		피뢰기 정격전압
전압(kv)	중성점 접지방식	변전소	배전선로
345 154 66 22 22.9 11.4 5.7 6.6 3.3	유효접지 유효접지 PC접지 및 유효접지 PC접지 및 유효접지 3상4선 다중접지 3상4선 다중접지 3상4선 다중접지 비접지 비접지	288 138(144) 75(72) 24 21 12 7.5 7.5 7.5	- - - - 18 9 7.5 7.5 7.5

*주(   )내는 ANSI 62.1에서 규정한 수치임.

3-1. 선정방법

①공칭전압에 의한 방법
②접지계수 및 여유도와 계통의 최고허용전압(일선지락 사고시의 피뢰기 설치점에 나타나는 최고전압의 실효치 기준)을 고려한 계산법
③공칭전압과 접지방식을 고려한 방법
④전기사업자의 송배전선로 중성점 접지방식을 고려하여 정한 내선규정의 피뢰기 정격전압.
등으로서 여기에서는 ②,③의 방법을 설명한다. 

3-2. ②의 방법

• 피뢰기의 정격전압 = αβVm

  α : 접지계수
  

  계통의 어느 점에서도 접지계수가 80%를 초과하지 않는 계통을 말하며. 아래의 값을 적용한다.

  • 유효접지계통 : 65~80%, (일반적으로 직접접지계통에 해당)
  • 비유효접지 계통 : 80%초과(고 저항,소호리액터 접지)

  β : 여유도
  

  부하차단 등에 의한 발전기의 전압상승을 고려한 것. 

  • 유효접지계통 : 1.1
  • 비유효접지 계통 : 1.15

  Vm : 계통의 최고허용전압(상 전압으로 한다.)

  αβ : 보통 115%로 산정하여 적용하고 있다.
   

3-3. ③의 방법

• 직접 접지계 : 0.8 ~ 1.0 V
• 저항, 소호 리액터접지 : 1.4 ~ 1.6 V
• 참고 22.9KV 다중접지 계통배전선로의 정격전압은 : 18KV적용. 

4. 공칭방전전류(방전내량)

피뢰기의 방전내량의 한계치를 표시하며, 한계치를 초과하는 대전류가 통전시에는 피뢰기가 파괴될 수 있으며 전기설비기술기준에서 피뢰기 설치장소별 공칭방전전류를 규정하고 있다.
 

• 결정요소
  발,변전소의 차폐유무와 설치점의 IKL(연간 뇌 발생빈도수)
   
• 종류
  10  kA : 발,변전소의 인출점, 산정상의 전원설비, 무선중계소, 등
  5    kA : 66kV 3000kvA 이하인 장소
  2.5 kA : 배전선로, 배전선 휘다 인출측 

4-1. 설치장소별 피뢰기 공칭 방전전류

공칭 방전전류	설치장소	적용조건
10,000A	발전소	전 발전소
	변전소	154KV 이상 계통 66KV 및 그 이하 계통에서 BANK용량이 3,000KVA를 초과하거나 특히 중요한 곳. 장거리 송전선 케이블( 배전피더 인출용 단거리 케이블은 제외) 및 정전축전기 BANK를 개폐하는 곳.
5,000A	변전소	66KV 및 그 이하 계통에서 BANK용량이 3000KVA이하인 곳.
2,500A	선로 변전소	배전선로 배전선 FEEDER 인출측

 

4-2. IEC 및 ANSI에서 규정하는 공칭 방전전류

구분	IEC NO. 99-1	ANSI C-62.1
피뢰기 분류	10,000A 5,000A 2,500A	Station Class Intermediate Distribution                 -

 

5. 피뢰기 보호레벨의 선정

피뢰기에 의하여 보호할 수 있는 절연기기의 보호레벨(보호가능한 절연 BIL의 범위)정도를 표시하는 것으로 방전특성과 제한전압 특성으로 결정한다. 
 

• 충격파 영역의 80% 이하가 되도록 유도를 가지고 선정된다.
• 피뢰기의 개폐서지에 대한 보호레벨은 BIL×85%×85% 이하로 해서 절연협조를 계획한다.
• 비유효 접지계에서는 중성점에 피뢰기를 설치한다.
• IEC 99-1A 에 의하면 피뢰기와 피 보호기기가 연접되는 조건에서 피 보호기기의 충격절연내력과 보호레벨간의 최소 보호비는 1.2 이다. 

5-1. 방전특성

뇌서지나 개폐서지 등의 과전압이 피뢰기에 인가된 경우 방전을 개시하는 전압으로 정격전압(허용단자전압)의 실효값을 P라고 하면 표준파에 대한 방전전압 파고값은 (1.6~3.0)P의 범위이며 오손, 적설 등의 외부 기상조건의 영향을 받기 쉬운 것으로 이를 방지하기 위하여 갭에 병렬저항을 삽입하며, 갭 애관의 표면을 청결하게 유지하는 것이 중요하다.

5-2. 제한전압

바. 피뢰기의 단로장치

피뢰기 자체의 사고는 계통전체에 영향을 주게 되므로 이에 대처하기 위한 조치가 필요하다,
특히 22.9KV - Y 계통용의 피뢰기는 반드시 단로장치가 부착된 피뢰기를 사용하여야 한다.

사. 피뢰기용 접지선의 굵기 선정

피뢰기 2차 접지선의 굵기는 다음의 식으로 구한 값 이상으로 한다. 

1. 한국공업규격(KSC 피뢰침규격)



• S : 접지선의 굵기(㎟)
• Is : 수전차단기의 차단용량에서 구한 고장전류 또는 낙뢰전류(A)
• t  : 고장지속시간(SEC) ~ 22KV급에서는 1.1 적용.

아. 피뢰기의 접지 

1. 피뢰기의 접지는 전기설비기술기준령에 따르나 접지저항은 가능한 한 3Ω 이하가 될 수 있도록 극력 저하시켜야 한다.
2. 10KV 이상의 피뢰기의 접지저항은 교류측정치로 10Ω 이하로 한다.
   또 6KV 이하의 것에서는 5 Ω이하의 것이 요망되지만, 접지점으로부터의 반사파의 파고치(역극성)를 크게하고 침입파를 저감시키기 위하여 1Ω정도가 요구되는 경우도 있다.
   따라서 피뢰기의 접지는 다중접지식으로 하는 것이 가장 유리한 방법이라고 할 수 있다.
   즉, 다수의 대지전극을 매설하고 이를 병렬로 접속한다.
3. 접지도선은 되도록 짧게 한다.
   (접지선을 길게 하면 진행파가 접지선의 길이를 왕복하는데 요하는 시간을 주기로 하는 진동전압이 피뢰기 제한전압에 가해지고, 진동분의 파고치는 접지선이 길수록 또한 그 대지 임피던스가 높을수록 높아진다.)
4. 피뢰기의 접지는 되도록 단독접지로 하는 것이 좋으나 일반적으로 접지저항이 2(Ω)이하일 때에는 2종접지와 공용해도 무리가 없는 것으로 조사되고 있다.
   (피뢰기용 접지와 중성선을 연접한 경우 피뢰기 동작시의 전압은 피뢰기 제한전압과 중성선에서 유입되는 전류합에 대한 접지저항의 관계에서 피뢰기 단독접지시보다 전압이 상승되어 피뢰기의 효과를 저해할 수 있으므로 단독접지하도록 되어 있고, 또한 이로 인한 변전실 배전반의 전위상승으로 인해 근로자에게 위해를 가할 수 있다)
   

자. 피보호 기기와 피뢰기 간의 거리가 보호에 미치는 영향

발전소에 침입한 뇌서지는 피뢰기에 의하여 제한전압까지 제한되어 피 보호기에 도달하게 된다,
그런데 변압기의 서지 임피던스는 1~6㏀ 정도로서 선로의 서지 임피던스에 비하여 크기 때문에 서지는 변압기 단자에서 정반사하고 다시 피뢰기 단자에 이르러서 부 반사하여 또 변압기로 향하여 진행한다.
이러한 전압진행파의 왕복반사는 왕복시간의 2배를 주기로 하는 감쇠진동전압이 제한전압에 중첩된 파형으로 되어 변압기 단자에 가하여 진다


1. 파고치 eT 의 개략식


변압기 단자에 가해지는 파고치 eT는 아래식으로 계산한다. 일 때, 일 때, : 변압기에 내습한 진행파의 파두준도(㎸/㎲) ta : 진행파의 순시치가 0 에서 ea에 달할 때 까지의 시간(㎲) V : 진행파의 전달속도(m/㎲) ℓ : 피로기와 피보호기기와의 거리(m) ea : 피뢰기 제한전압 et : 피뢰기제한전압 ea에 중첩된 파형 eT : et의 파고치

따라서 ℓ이 길어지면 감쇠진동주기가 길게 되고 파고치가 높게 된다. 또한 변압기의 BIL을 2e_a로 하면 ℓ에는 영향을 받지 않지만 경제적인 면에서 채용되지 않고 계통별로 유효 이격거리를 제한하고 있다. 또한, 선로가 케이블인 경우에는 케이블의 양단에 피뢰기를 설치할 것을 검토한다.

상기 식에 의해 계산하면
- 22.9kv 계통 : 20m이하
- 154 kv 계통 : 65m 이하이다.

[표] 피뢰기의 최대 유효이격거리

선로			변압기 BIL (KV)	피뢰기		유효 이격거리
전압(KV)	지지물	애자수		정격전압KV	공칭 방전전류 A
345 154 66 22 22.9	철탑 철탑 또는 철근콘크리트주 " " "	20 10 4 2 2	1050 650 350 150 150	288 138(144) 75 24 21	10,000 10,000 10,000 10,000 10,000	85 65 45 20 20

(주)
1) 애자는 10"×5 × 3"/4 현수애자
2) 피뢰기의 보호레벨은 ESB-153에 의한다.
3) 목주선로는 차폐되어 있는 것이 없으므로 고려치 않음.
1조의 피뢰기로 2개 이상의 기기를 보호할 수 있는데 상기 유효 이격거리 이내에 있는 기기는 보호된다고 본다.
4) (  ) 내는 ANSI C 62.1에서 규정한 수치임.

차.변압기의 중성점 보호

변압기의 중성점은 직접 접지시키지 아니하는 한 서지에 대한 보호를 받아야 한다

1. 변압기 중성점 피뢰기 및 절연강도

유효접지의 조건이 만족되는 범위내에서 일부 변압기의 중성점을 비접지(Floation)로 운전할 경우를 고려하여 중성점 Busing 및 피뢰기를 설치한다. 변압기 중성점에는 평상시 거의 전압기 가해지지 않으므로 경제적인 이유에서 단절연을 실시한다.


2. 154kV 및 345kV 변압기의 중성점 피뢰기의 정격전압의 선정

중성점 피뢰기의 정격전압의 선정은 1선 지락시의 중성점 전압상승을 고려하여 다음과 같이 선정한다. 유효접지시 접지계수가 75%이므로 1선지락시 건전상의 최고 전위상승은 선간전압의 75%이하이다. 따라서 상승전압 = 0.75 x 설계최고 전압 (154kV의 경우 0.75 x 170) 127kV로 이를 상전압에 대한 값으로 표시하면 배의 상전압이 된다.a상 지락시  b,c 상은 최대 1.3 가 되므로 0점의 중성점 전위가 0'점으로 이동 된 값은 0.468 E 가 된다.

154kV 계통의 중성점 최대 전위 상승 En= 0.468 x 170/√ 3 = 45.9kV
345kV 계통의 중성점 최대 전위 상승 En= 0.468 x 362/√3 = 97.8kV
이에 따른 피뢰기 정격은 154kV의 경우 75kV, 345kV의 경우 108kV로 선정한다.


선정된 피뢰기의 특성을 기준으로 변압기 중성점의 BIL은

• 154kv의 경우 : 75kV 270 x 1.2 =324kV - 350BIL,    
  
• 345kv의 경우108 kV 363 x 1.2 =436kV - 450BIL

[표] 변압기 중성점용 피뢰기

계        통		변압기 BIL(KV)		중성점 보호용 피뢰기
전압(KV)	중성점 접지방식	선로단자	중성점	정격전압(KV)	공칭방전전류(A)
345	유효접지	1050	450	108	10,000
154	유효접지	650	350	75(72)	10,000
66	PC 또는 비접지	350	250	50	10,000

*(주)

1. 발전소 등과 같이 운전상 필요에 따라서 접지 변압기 뱅크를 교체하게 될 때는 피뢰기와 병렬로 단로기를 설치한다.
2. 변압기 중성점 BIL이 표의 치보다 높을 때도 피뢰기는 표와 같은 정격 전압치를 적용하면 된다.
3. (  ) 내는 ANSI C 62.1에서 규정한 수치임.

기타

• 변전소에서 직접 지중으로 공급받는 수용가의 경우 피뢰기는 생략해도 지장이 없다. 
• 전기설비 검사업무 기술적사항 (피뢰기설치 및 규격)
• 기술기준 47조 피뢰기의 접지  
• 기술기준 별표11 피뢰기의 규격