피뢰기(Lightning Arrester)의 구조 및 설치장소

피뢰기(Lightning Arrester)의 구조 및 설치장소

 

 

1. 피뢰기(Light Arresting)에서 요구되는 기능

① 정상전압, 정상주파수에서는 절연내력이 높아야 되고, 이상전압과 이상주파수에서는 절연내력이 낮은 방류특성의 내류성이 강해야 한다, 또한 전압회복 후 잔류전압 및 전류를 자동적으로 신속히 차단하는 특성이 필요하다.  (속류의 신속한 차단)

② 충격방전개시전압 : 피뢰기 단자 간에 충격전압을 인가하였을 경우 방전을 개시하는 전압

③ 방전전류 : 갭의 방전에 따라 피뢰기를 통해서 대지로 흐르는 충격전류

④ 방전내량 : 방전전류의 최대 한도로 파고값으로 나타낸다.

⑤ 제한전압 : 방전으로 저하되어서 피뢰기 단자 간에 남게 되는 충격전압

⑥ 속류 : 방전전류에 이어서 전원으로부터 공급되는 상용주파수의 전류

⑦ 정격전압 : 속류를 끓을 수 있는 최고의 교류전압

⑧ 피뢰기가 기능을 발휘하기 위해서는 계통의 과전압 및 시설물의 차폐 여부, 기상 조건, 선로 및 피보호기기의 절연내력 및 중요도 등을 종합적으로 검토하여 적용하여야 한다

 

 

2. 피뢰기의 구조

1) 직렬 갭

계통의 정상 전압에서 절연상태를 유지하여 방전을 억제하고 이상전압 발생 시 방전하여 대지로 속류 시키는 특성을 가진다. 평상시에 절연상태, 비정상시에는 도통상태이며, 상용주파 방전개시 전압은 크고, 뇌서지 전압이나 개폐 임펄스 방전개시전압은 적다.

 

2) 특성요소

큰 방전 전류에서는 저항값이 적어져 신속한 속류로 제한전압을 낮게 억제하고, 낮은 방전전류에 대해서는 저항값이 높아져 직렬 갭의 속류차단을 효율 증대.

 

 

3. 피뢰기의 정격

1) 적용순서

㉠ 설치 장소의 최대상용주파 대지전압 결정

㉡ 피뢰기의 방전전류 크기 및 파형 추정

㉣ 피보호기기의 충격절연내력 결정(22.9kV ~ 150kV BIL적용)

㉤ 피뢰기의 정격전압 및 공칭방전전류 결정

㉥ 피뢰기의 보호레벌 결정(BIL X 0.85 피보호기기)

㉦ 피뢰기 설치(가능한 근접 위치)

㉧ 피보호기기의 전압 검토(이격거리 등 고려)

 

2) 정격전압

㉠ 선로단자와 접지단자 사이에 인가할 수 있는 상용주파최대허용 전압의 실효치값.

㉡ 상용주파 과전압의 발생 원인 : 지락사고, 부하의 돌연분리, 발전기 과속 및 공회전, 인근 불평형선

로로부터의 유도전압 등

㉢ 피뢰기의 정격전압

V=βILVm[KV] (V = 공칭전압 / 1.1 X 1.4)

공칭전압[KV] : 3.3 / 6.6 / 11.4 / 22 / 22.9 / 66 / 154 / 345 / 765

정격전압[KV] : 7.5 / 7.5 / 12 / 9 / 24 / 21 / 18 / 75 / 138 / 288

이격거리 [m] : - / - / 20 / 20 / 20 / 45 / 65 / 85

 

㉣ 공칭방전전류

* 소정의 파고치와 파형을 가진 방전전류로서 발전소의 차폐 유무와 설치점의 KIL (뇌발생 빈도 수)를

고려하여 결정한다

* 공칭방전전류의 적용 조건

- 10KA : 전 변전소의 인출점, 154KV 수전변전소, 66KV 변압기 용량 3000KVA초과 장소, 장거리 송전

선 및 정전축전기를 개폐하는 장소 등에 적용

- 5KA : 66KV급 변전소 변압기 BANK용량 3000KVA이하 장소

- 2.5KA : 배전선로, 배전선, Feeder 인출 측에 적용

 

 

4. 피뢰기 설치 장소

① 설치 장소

- 뇌해 위험지역(송전선로 포함) 및 산악지대는 반드시 설치해야하고 또한 500kw 이상 수용가에 설치 해야 함

② 위치 선정

- 변전소는 피뢰침 보호로 완전 차폐되어 있고, 피보호기기의 주요 대상은 전력용 변압기이고 접지는 연접되어 있으며 피뢰기의 접지도선은 가능한 짧다고 가정한다.

 

○ 비유효차폐인 경우

- 1회선 수전받는 1뱅크 변압기용 피뢰기는 변압기 내에 내장 설치. ( GAP형 변압기 )

- 多회선 수전받는 경우는 모선입구에 설치. (가공 인입선 수전단 ,수전 모선의 끝단 설치)

 

○ 유효차폐인 경우

- 선로절연 레벨을 고려하여 이격거리 내 ( 20m 이내 그리고 30도 이상으로 설치하여야 한다.)

 

③ DS(disconnecting swithch) 구비.

- 피뢰기 1차 측은 DS를 설치하여 뇌격 등의 영향으로 피뢰기 내부요소가 열화되는 경우 선로로부터 자동으로 신속하게 분리시켜 사고가 계통에 파급되는 것을 방지하며, 단로기의 분리 상태가 명확히 표시되므로 선로 식별이 쉬워진다.

 

④ 초고압 계통의 피뢰기 설치

- 초고압계통(345kV)에서는 22kV급 피뢰기 20대를 직렬로 설치하게 되므로 그중 약한 부분의 피뢰기를 보강하게 위해서 Shield Ring을 부착한다.

 

 

5. 피뢰기에 요구되는 특성

① 제한전압 또는 충격방전 개시전압이 기기의 충격 절연 레벨보다 충분히 낮을 것

② 속류차단이 행해져 동작책무 특성이 양호할 것

③ 대전류의 방전, 속류차단의 반복동작에 대하여 장기간 사용에 견딜 수 있을 것

④ 사용주파 방전개시 전압은 계통의 지속성 이상전압보다 훨씬 높을 것

 

 

6. 기술적인 요구조건

① 기기의 절연강도와 보호레벨

② 방전개시 전압특성

③ 제한전압 특성

④ 속류차단 능력

 

 

7. 피뢰침 비교

 

 

8. 광역피뢰침

1) 동작원리

① 평상시의 대기중의 약한 전계 ENERGY를 저장하며 뇌운(적란운)에 의해 대기중의 전계가 급격히 증가하여 낙뢰 직전의 전계의 세기는 2만~5만 V /m 의 수직 전계가 형성된다. 이 상승된 전계에너지에 의해 PD C .S. 는 대기중의 이온을 최대한 집진하여 이온 STREAMER 형태로 공중으로 방사하여야 한다.

② PD C .S.는 전계 에너지 저장 장치, 및 방사 장치가 내장되어 있어서는 안 된다.

③ 조기 방사된 상향 STREAMER와 뇌운에서 하부로 진행되는 하향리더(DOWN- WARD LEADER)가 결합되어 주 방전이 발생 하고 이 주 방전의 뇌격 전류는 접지선을 통하여 대지로 안전하게 방류 시켜야 한다.

 

2) 재질 및 내구력

① 재질은 STAINLESS STEEL로 되어 있어야 한다.

② 부식성 가스 및 연해 지역에서도 부식 및 손상이 없어야 한다.

③ 피뢰침 자체 및 지지 금구는 설치 후 반영구적으로 사용 가능하여야 한다.

④ 다중 뇌격에도 연속하여 동작하여야 한다.

 

3) 특성

① 무 전원 공급 방식이어야 한다.

② 평상시에는 동작하지 않고 낙뢰 시에만 동작하여야 한다.

③ 이온 방사 시에 고주파의 전파를 발생하지 않아야 한다.

④ 방사성 물질에 의해 이온 등이 방사 되어서는 안 된다.

⑤ 피보호물 상부의 직격뢰 및 측뢰도 완벽하게 보호되어야 한다.

⑥ 정, 부극성 뇌운에도 각 극성에 대응하는 상향 스트리머를 발생하여야 한다.

⑦ 보호범위, 동작 특성 등 성능에 대한 국내 공인 기관의 성능 인증서 (CERTIFICATE)가 있어야 한다.

 

4) 피뢰 보호 범위

피보호물의 범위, 지형조건, 년간 낙뢰 일수 등을 고려한 보호등급 (LEVEL 1 : HIGH PROTECTION, LEVEL 2 : MEDIUM PROTECTION, LEVEL 3 : STANDARD PROTECTION)에 따라 피뢰침의 종류를 선정하여야 하며 피뢰보호 범위는 NFPA 781에 의거 회전 구체 법에 의한 보호 범위 이어야 한다.

①설치 위치 : 옥탑층 外

②SUPPORT POLE : STAINLESS STEEL POLE, 2m

③ 절연 : 건물과 피뢰침 POLE은 절연 내력이 좋은 TEFLON계의 절연 PIPE를 사용하여야 한다

 

 

9. 절연의 합리화

① 지속성 과전압이나 뇌 서어지로부터 전력계통을 방호하기 위하여 계통의 절연은 상용주파의 과전

압이나 개폐 서어지에 충분히 견디고, 뇌 서어지에 대해서는 피뢰기의 보호작용에 의해서 기기절연

을 확보하는 방법이 취하여지고 있다.

② 하나의 전력계통에 있어서 피뢰기의 제한전압을 기준으로 이것에 대하여 어느 정도 여유를 가진

절연강도를 마련해서, 모든 기기에 이것과 같거나 혹은 그이상의 내압을 갖도록 하는 것과 동시에

기기의 중요도, 특수성 및 피뢰기에서의 원근에 따라 합리적인 격차를 두어, 계통 전체로서 정연한

하나의 절연체계를 갖도록 하고, 이것을 전력계통의 절연협조(Coordination of Insulation)라 한다.

③ 최근에는 피뢰기에 의한 내부 이상전압의 처리, 외부절연의 오손, 기기의 열화, 상용 주파 과전압에

대한 절연까지도 함께 고려해서 계통 전체로서의 절연협조 문제를 어떻게 가져갈 것인가 하는 종합

적인 검토가 추진되고 있다

 

 

10. 기본적인 절연협조의 예

① 변압기 등 중요한 기기가 있는 변전설비에서 뇌의 직격을 피한다. 이를 위해서는 변전설비 구내 및

근처 1~2km정도에 충분한 차폐효과를 지닌 가공지선을 설치한다.

② 발전소에 침입하는 이상전압에 대해서는 피뢰기를 설치하여 이상전압을 제한전압까지 저하시킨

다. 이 경우 피뢰기의 보호효과는 보호할 기기에 가까울수록 유효하다. 또 기기 류에는 피뢰기의 제

한전압과 피뢰기의 접지저항에 의한 전압강하가 더해진 전압이 걸리게 되므로 접지저항은 될 수 있

는 대로 작게 할 필요가 있으며 5[Ω]정도 이하로 하는 것이 바람직하다.

 

 

11. 절연계급과 기준절연강도

① 기기의 절연을 표준화하고 또 통일된 절연체계를 구성한다는 목적에서 절연계급을 설정하고 대응

해서 기준충격절연강도(Basic Insulation Level)BIL 가 제정되고 있다.

② 절연계급은 전력계통에 사용되는 기기 (직류, 회전기, 건식변압기, 정류기는 제외)의 절연강도에

대해여 구분한 것으로서 계급을 단순히 호수로 나타낸다.

 

 

12. 절연 협조 검토사항

절연 협조를 검토함에 있어서는 뇌와 같은 자연현상 및 기기의 제작기술과 송배전 선로의 운용기술을 하나로 묶은 광범위한 분야에 걸친 지식과 자료를 필요하게 되며 절연협조의 확보에는 확률적인 요소가 많이 포함되기 때문에 과거의 실적과 경험을 토대로 신중히 검토해야 한다

피보호기기와 피뢰기 간의 거리가 보호에 미치는 영향

발전소에 침입한 뇌 서어지는 피뢰기에 의하여 제한전압까지 제한되어서 피보호기(주변압기)의 단자에 도달한다.(상당히 위험)

변압기의 서지 임피던스는 1～6[kΩ]정도로서 선로의 그것에 비하여 크기 때문에, 서어지는 변압기 단자에서 정반사하고, 다시 이러한 전압진행파의 왕복반사는 2배를 주기로 하는 감쇠진동 전압과 제한전압이 중첩된 파형으로 변압기로 향한다.