낙뢰(Lightning)관련 교육자료 - 뇌현상, 뇌방전특성 등

낙뢰(Lightning)관련 교육자료 - 뇌현상, 뇌방전특성 등

 

 

1. 피뢰침설비의 정의

피뢰침은 보호대상물에 접근하는 뇌격을 흡입하여 신속하게 대지로 방류함으로써 인체와 재산을 보호하는 설비

 

 

2. 뇌현상

1) 뇌운 발생, 구조와 전하분리 기구

< Fig01. 뇌운의 예 >

 

뇌방전 발생원이 되는 가장 보통의 것은 뇌운(적란운)이지만 그 이외에 눈보라, 모래폭풍, 화산폭발 등에 의해서도 발생되고 있다. 뇌운은 위쪽에는 차고 밀도가 높은 공기가 존재하고 아래쪽에는 따뜻하고 습도가 높은 공기가 존재하는 경우에 발생한다. 아래쪽에 있는 따뜻한 공기는 상승 기류로 되어 상승하여 구름이 되고, 위쪽에 있는 찬 공기는 하강한다. 이러한 대기 조건은 따뜻한 대기층 위쪽에 차가운 공기(예로서 한랭전선)가 침입한 경우나 태양에 강하게 가열되어 지표면 부근의 공기의 온도가 현저하게 상승한 경우에 생긴다. 전자의 조건에 의하여 발생한 뇌우를 계뢰(界雷) 혹은 전선뢰(前線雷), 후자의 조건에 의해 발생한 뇌우를 열뢰(熱雷)라고 한다. 일본의 경우 여름에 맹위를 떨치는 우뢰는 양자의 조건이 겹쳐져 발생하는 열적 계뢰가 많다. 뇌운 크기는 여러 가지가 있다, 대표적인 뇌운(엄밀하게는 지역에 따라 다르지만 하계에 발생하는 열적 계뢰가 이것에 해당된다)에 높이는 8-12[km]이고, 최저 기온도 -40[℃]정도이지만 가장 큰 뇌운은 높이 20[km], 최저 기온 -50～-60[℃]에 이르는 것도 있다. 이러한 뇌운 속에서 어떻게 하여 전기가 발생하는가에 대해서는 옛날부터 여러 가지 설이 전해지고 있다. 그러나 정성적 또는 정량적으로 설명할 수 있는 것에는 과냉각 물방울에서 싸락눈이나 우박이 생성되는 과정에 생기는 전하 분리가 주요한 역할을 연출하고 있다. 그 기구로서는 빙점과 싸락눈의 접촉, 분리 대전에 의한 강수설이 가장 현실적인 것이다. TAKAHASI는 기온 -10[℃]이상에서는 대전에 극성이 반전하여 싸락눈이 양으로 빙점이 음으로 대전하는 것을 발견하여 뉴멕시코 공과대학 연구 그룹에 의한 관측 결과와 일치하는 모델을 유도했다. 다음으로 북쪽 지방의 동계 뇌운 성상은 한국과 일본사이 난류에서 발생하는 수증기가 북서의 차가운 계절풍과 혼합하여 상승 기류를 발생하고 뇌운으로 된다. 이 뇌운에 의하여 11월부터 다음해 2월경까지 동계뢰가 계속된다. 1주간에 2～3일 계속하여 발생한다. 겨울 뇌운은 운고가 낮고 운저도 100[m]이하인 경우도 있고, 상층풍이 현저하기 때문에 전하 배치가 여름의 경우보다 높고 양극성 전하가 직접 대지로 방전하는 낙뢰가 많은 것이 특징이다. NAKANO에 의하면 전하의 평균고도는 2.1[km]이고 여름인 경우의 절반 이하이다.

< Fig02. 여름 및 겨울 뇌운현상 >

 

2) 뇌방전 특성

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뇌운 속에서 전하 축적에 따라 그 바로 아래 지표면에는 운저(雲底)전하와 역극성 전하가 유기되므로 양자간 전계 강도가 증대하여 공기 절연 파괴 내력을 넘으면 양자 사이에 불꽃 방전이 발생하고 이른바 대지 뇌격(낙뢰)이 일어난다. 피뢰설비상 관계가 있는 것은 대지 뇌격이다. 여기서는 이들에 대하여 지금까지 명확하게 밝혀진 주요 특성을 기술한다. 1930년대 남아프리카에 있어서 Schonland(영), Malan(영), Collens(영), Hodges(영) 등이 보이스카메라(회전카메라)로 대지 뇌격 과정을 관측한 결과 낙뢰 진전 과정과 같이 진전되는것이 분명해졌다. 그림 (a)는 보이스카메라에 의한 것으로 시간에 따라 좌에서 우로 전하고 있다. (b)는 이것을 정지 카메라로 촬영한 것이다. 각 뇌격은 우선 구름에서 빛이 약한 선행 방전(선구방전)이 발생하고 그것이 대지로 행하여 전진하고 그 선단이 대지에 접근하였을 때 대지 쪽에서 상향의 스트리머가 출발하고 양자가 결합하는 순간 대지로부터 다량 전하가 선행 방전에 주입되어 이른바 주뇌격(주방전, 귀환 뇌격)으로 된다. 처음에 뇌운으로부터 대지로 향하는 선행 방전은 단계적으로 진전한다. 이것을 보통 스텝 리더(계단형 선행 방전)라 한다. 일반적으로 이 스텝리더는 음과 양 사이에 두 역내에서 국부적인 절연 파괴로부터 시작된다. 스텝 리더는 50[m]정도 진전하면 약 50[㎲] 휴지(休止)하는 과정을 반복하면서 차츰 대지에 접근한다. 구름과 대지 사이에 스텝 리더 평균 진전 속도는 약 1.5×105[m/s]이다. 따라서 진전거리가 3[km]이면 약 20[ms]가 필요하다. 이 선행 방전로에 주입되는 것이 평균적으로 보면 약 5쿨롱[C]이다. 이것이 10[ms]시간 안에 주입된다고 하면 흐르는 전류는 대체로 500[A] 범위가 된다. 스텝 리더 지름은 대체로 1～10[㎝]이다. 이 경우 스텝 리더 전류는 중심부에 가는 도전성 코어 속을 흐르는 그 주위 부분은 코로나시스라고 생각되어지고 있다. 이상과 같이 스텝 리더가 대지로 접근하면 리더 위 전하에 의하여 지상 전계는 상승한다. 대지 쪽 여러점에서 리더 선단을 향하여 상향 방전이 발생하기에 충분한 값이 된다. 상향 스티리머 하나가 스텝 리더 선단과 결합하면 리더 선단 부근은 실효적으로 대지 전위로 접속되고, 나머지의 선행 방전로는 음으로 대전(음전위)된다. 선행 방전로는 빛남이 강한 주뇌격을 통과시키는 전송로로써 작용한다. 주뇌격 파두 즉 고전계 강도에 이온화된 파두는 스텝 리더에 의하여 개척된 방전로를 상향으로 반전한다. 주뇌격 파두에 전반속도는 광속에 약 1/3～1/10이다. 따라서 전반 시간은 수십[㎲]정도다. 주뇌격의 파두와 대지 사이에는 대전류가 흐르고, 선행 방전로 위에 분포한 음전하는 주뇌격 아래쪽 고도전성 방전로를 통하여 실효적으로 대지 방향으로 하강한다. 대지에서 측정한 전류의 대표적인 것을 보면 수[㎲]사이 10～20[kA]에 달하고 20～60[㎲]사이에 파두가 1/2로 저하한다. 다시 그 뒤 100[A]정도에 전류가 수[ms] 계속하는 수가 있다. 이상으로 1회 뇌격이 종료하지만, 다시 구름 속에서 선행 방전로 정상에 전하가 공급되면 계속해서 제2의 뇌격이 발생한다. 이러한 뇌격을 다중 뇌격이라고 한다. 일반적으로 이러한 전하는 뇌격과 뇌격사이에 공급된다. 만약 전하공급이 주뇌격 종료후 약 100[m/s]이내에 행하여지면 화살꼴 리더가 앞 우뢰 방전로를 통하여 대지로 진전하고 이것이 대지에 도달하면 다시 제2의 주뇌격이 대지 쪽에서 발생한다. 이 경우 리더는 계단상으로 되지 않고 그 평균 진전 속도는 약 2×106[m/s]이다. 낙뢰의 진전과정에서 그 상황이 표시되어 있다. 전뇌격 약 50[%]는 다중 뇌격이며, 그 중 다중 회수(스트로크의 수) 2～4인 것이 대부분이고 경우에 따라서는 26에 이르는 수도 있다. 피뢰설비를 생각하는 경우 특히 중요한 것은 뇌격 전류의 파고값, 다중 뇌격 스트로크수, 뇌방전 지속시간 등인데 이것들은 전격마다 대폭으로 변한다. 피뢰설비로서는 모든 뇌격에 대하여 100[%]의 보호 효과를 발휘하는 것이 이상적이기는 하지만, 그러한 설비를 하는 것이 경제적으로 곤란한 경우도 있다. 이러한 때에는 보호대상물에 중요도, 그 지역의 뇌의 세기 등을 고려하여 안전하고 경제적인 피뢰 대책을 강구할 필요가 있다.

< Fig03. 낙뢰의 진전과정 >

 

3) 낙뢰의 일반적인 현상

① 열적효과

< Fig04. 뇌전류 온도와 시간특성 >

 

뇌방전로 온도는 스펙트럼에서 측정한 값으로서 3만[。K]에 가까운 경우가 있으며 5～10×10-6[s]사이에서 최고 온도에 달하고 있다. 전자밀도는 1024/㎥이다. 또 가스압은 약 10[atm]에 달하는 것이 스펙트럼의 도플러 너비에서 측정된다. 물론 뇌전류는 파고값, 지속시간 등이 파라미터로서 변화하므로 최고의 경우만이 아니다. 그림 뇌전류 온도와 시간특성7은 온도변화 예를 나타낸다. 온도상승은 i를 뇌전류의 파고값[A], t를 지속시간[s]으로 하면 i2t에 비례하고 양극성의 낙뢰에서는

라고 하는 최고값도 기록되어 있다. 음극성에서는 106[A2s]정도이다. 따라서 지속시간이 1[s]가까워지면 방전로 가열 효과에 의하여 화재, 금속의 용융 등이 발생한다. 뇌 주전류에 100～500[A]정도 연속전류가 계속되는 낙뢰에서는 건초나 나무 부스러기, 분말 등 연소하기 쉬운 물질이 발화한다. 이러한 뇌를 열뢰(hot lightning)라고 부르기도 한다. 동(銅) 도체에 뇌전류가 흐르는 경우[A2s]와 온도상승과의 관계를 그림 동도체의 온도상승 특성도에 나타낸다. 강선(鋼線)에서는 절선 굵기에 따라 다르며 구리보다 10～20배 온도상승이 된다. 금속판 위에 낙뢰한 경우에는 녹은 흔적이나 천공이 생긴다. 천공 면적의 실험식으로서 다음 식으로 표시된다. 또한 금속 종류에 따른 차는 적은 것이 인정되어 있다.

< Fig05. 동도체의 온도상승 특성도 >

 

재료의 종류 및 두께에 따라 차이가 있다고 생각되지만, 통전후 50[m]에 약 300[℃]의 온도상승에 달하고 있는 것을 알 수 있다. 일본에서도 인공 뇌전류(16～61[kA], 1×10-3[s])를 0.5～1[mm]의 알루미늄판 및 스테인레스판에 통전하고 손상 정도를 관찰하는 실험을 했다. 봉전극과 평판이 접촉하고 있으면 알루미늄 판에서 수 [mm]정도 구멍이 뚫리지만 두 전극이 떨어져 있으면 녹은 흔적이 조금 생길 정도이고 구멍이 뚫리는 일은 없었다.

 

② 기계적 파괴효과

방전로가 급격한 가열에 의하여 팽창, 압축을 발생하여 초음속 압력파가 전해진다. 초기에 30[atm]이상으로 달하는 것이 계산에서 추정된다. 초기 반지름은 0.6[mm], 약 30[kA] 뇌임펄스 전류라고 가정한 추측값이며, 뇌울림 음원만이 아니라 낙뢰시에 지붕이나 근방의 사람을 날려보내는 것은 이 충격압력에 의한다. 실측값으로서 Newman이 35[㎝]떨어진 곳에서 약 2[atm]에 과압력을 관측하였다. 충격과 압력 P의 이론식으로서 P=0.2W/r2[N/m2]이 주어져 있다. 여기서 W는 순간에 해방되는 에너지, r은 원주상 방전로의 반지름이다. 예로서 W=105J/m2에 대하여 P=0.2/r2[atm]으로 되고, r=0.02[m]에서 P=500[atm], r=0.05[m]에서 80[atm], r=0.14[m]에서 10[atm]의 초기 충격파 압력으로 된다. 파괴효과가 큰 낙뢰는 전류 파고값이 비교적 높고, 지속시간이 짧은 경우라고 추정되며 여름뢰와 대조적으로 냉뢰(cold lightning)라고 불리는 수가 있다. 다음으로 도체 배치에 의한 휨 응력, 핀치 효과에 의한 압궤력(壓潰力)이 작용하는 경우가 있다. 전선 배치가 변형하거나 파이프가 눌러 부숴지는 것은 낙뢰에 의한 전자력 효과에 근거하는 것이다. 극히 드문 200[kA]급에 강렬한 낙뢰라도 적은 단면적 도체를 극단으로 구부리거나 또는 접근하여 배치하지 않는 한 전자력은 수천[kg/m]를 초과하지 않는다. 일본에서 인공뇌격에 의한 철근콘크리트 파괴실험이 행하여지고 있는데 콘크리트 철근 접촉부에 뇌격전류를 흘렸을 때 접촉부를 용접한 것에서는 아무런 이상이 없었지만 철선으로 바인드한 것은 약 50[kA]에서 콘크리트가 균열할 정도로 아크에 의한 충격압력이 발생하는 것을 알았다. 그러나 실제로는 한 접촉점에 수만 [A]가 흐르는 일은 극히 드물다고 생각되므로 결속식이라도 충분히 안전하다고 생각된다. 또 콘크리트 면에 뇌격이 있고 콘크리트를 관통하여 철근에 뇌격 전류가 유입하면 그 부분의 콘크리트는 반드시 파괴되어 비산(飛散)한다.

 

③ 전기적 효과

도체에 낙뢰전류가 흐르면 도체 전위상승 u는 다음 식으로 표시된다. u=iR+Ldi/dt 여기서 i는 뇌전류, R은 접지저항, L은 도체 인덕턴스, di/dt는 뇌전류 파두준도를 나타낸다. 여기에서 =30[kA], R=10[Ω], L=30[μH], di/dt=10[kA/㎲]로 가정하고 I(t)가 파두준도, 파미정전류값 파형이면 u=600[kV]로 된다. 따라서 근방에 금속제 탱크 등이 있으면 방전한다.(이 근접 물체로의 2차적 방전을 측격 또는 역플래시오버라고 한다). 또, 낙뢰 통로 근방에 금속판, 루프코일 등이 있으면 유도전압, 코로나방전, 절연파괴 등이 발생하여 장애의 요인이 된다.

 

4) 낙뢰의 확인방법

어느 개소에 낙뢰하였는가를 확인하는 것은 방전 사진기록이나 뇌전류에 의한 어떤 흔적이 남지 않는 한 거의 알 수 없다. 수목에 나타난 방전 흔적, 소손, 토양에 천공, 변색, 가옥의 화재, 파손, 피뢰설비 돌침이나 도선에 용융, 소손, 접지부 이상 등에 의하여 낙뢰 사실을 알수 있다. 그러나 이상과 같은 낙뢰 흔적이 없는 경우에도 피뢰설비에 자강편(磁鋼片), 섬락 표시기 등 뇌전류 통과를 감지하는 장치 또는 전자파 검출기가 있으면 낙뢰를 확인할 수 있다.

 

 

3. 뇌방전특성치

구 분	최소치	대표치	최대치
계단상선구(스텝리이더)
스텝의 길이[m]	3	50	200
스텝간의 시간간격[㎲]	30	50	125
평균진전속도[m/s]	1.0×106	1.5×105	2.6×106
방전전로에 분포되는 전하	3	5	20
화살형선구(다아트리이더)
진전속도[m/s]	1.0×106	2.0×106	2.6×107
방전로에 분포되는 전하[c]	0.2	1	6
귀환뢰격(리턴스토로크)
진전속도[m/s]	2.0×107	5.0×107	1.4×108
전류순도[kA/㎲]	＜1	10	〉80
파두길이[㎲]	＜1	2	30
파고치[kA]		10-20	110
파미길이[㎂]	10	40	250
방전전하량[c]<연속방전을 제외>	0.2	2.5	20
방전로의 길이[km]	2	5	14
뢰 격
뢰격중의 방전수	1	3-4	26
방전간격[ms]<연속방전을제외>	3	40	100
뢰격계속시간[s]	10	0.2	2
방전전하량[c]<연속방전을 제외>	3	25	90