피뢰설비(Lightning Protection System)의 등급 / 피뢰설비의 시공방법

피뢰설비(Lightning Protection System)의 등급 / 피뢰설비의 시공방법

 

 

1. 피뢰설비의 등급

1) 종류

국제규격에서는 등급을 구분하지 않고 있으나 국내의 경우에는 피뢰설비를 4개의 등급으로 분류하고 있다.

1-1) 완전보호

어떠한 뇌격이라도 완전하게 보호하는 방식으로 정확하게 시공된 케이지 방식이 여기에 해당된다. 완전보호등급의 적용은 산의 정상관측소나 사당, 골프장의 독립휴게소, 山의 휴게소, 산야 · 밭 안의 파수막, 정자 등에 시설된다.

1-2) 증강보호

보통보호보다 정도가 높은 것으로 건축물이 피뢰침의 보호각 범위 내에 있더라고 건축물의 위쪽 모서리부분, 뾰족한 부분의 위쪽에 수평도체식 피뢰설비를 하여 전체에 대한 보호능력을 향상시킨 방식으로 돌침방식+수평도체방식이 여기에 해당된다.(일반적으로 목조가옥의 경우에는 증강보호로하는 것이 바람직하다)

1-3) 보통보호

피보호대상 건축물에 대하여 피보호각(일반건축물 60도 위험물 45도) 범위내에 들어가게 하는 것을 기본으로 하여 피뢰설비를 설치하는 것으로서 최근에는 이것에 의하여 100% 보호를 기대할 수 없는 것으로 외국의 경우에도 보호각을 강화하는 경향이다.

1-4) 간이보호

보통보호보다 간단한 것으로 뇌해가 많은 지방에서 20m 이하의 건축물에 자주적인 피뢰설비를 실시할 때 이용하는 방식으로 지름 6.5mm 아연도 철선을 지붕 위(지붕과 0.9m 이상 이격)에 시설하는 것으로 두 끝은 각각 지하 0.5m 이상의 깊이에 3m 길이로 매설한다.

 

2) 피뢰설비 등급선정의 판단기준 (참고치)

[표] 피뢰설비를 설치할 필요 유무의 판단 및 등급선정의 판단기준

 

2. 피뢰침의 보호각

1) 국내규정

일반건축물의 경우 60°이하, 위험물저장,제조,취급하는 건축물의 보호각은 45°이하로 규정되어 있다.

반응형

2) 국제규격(IEC : Internatinal Electrotechnical Commission/ TC 81, NFMA 78, BS 6651.)

건축물의 높이에 따라 보호각의 범위가 달라지며, 회전구체법이나 메시법에만 적용한다. 뇌격거리 R은 대지로부터 하강리더를 향해서 발생하는 상승리더의 거리를 말하며, 이 거리는 뇌전류의 크기에 의해서 결정되고 개략 100m정도이다.(미국에서는 45m 회전구체법을 적용하도록 규정하고 있다.)

[표] 국제규격(IEC/TC81)에 의한 피뢰침의 보호각(회전구체법과 메시법에 적용한다)

3) 회전구체법(Rolling Sphere Method)

낙뢰의 종류는 직격뢰와 유도뢰가 있으며, 회전구체법은 직격뢰 뿐만 아니라 유도뢰를 고려한 것으로서 스트리머 리더선단에 의한 측면보호 대책을 고려한 것으로서 피뢰침 보호범위 평가에 회전구체법을 적용하는 추세이다.

< Rolling Sphere Method에 의한 보호범위 >

 

3. 선행 스트리머(Early Streamer Emission)이온방사형 피뢰방식

이 방식은 국내법상 인정여부가 논란의 대상이 되고 있으나 최근에는 적용되는 건축물이 늘고 있다.

· 평상시 대지이온을 흡인하고 있다가 뇌 방전이 형성되면 + 이온을 방사하여 근처의 뇌방전을 흡인하기 쉬운 조건을 조성하여 뇌 전류를 방전시키는 방식.

· 보호범위가 일반 돌침방식에 비해 넓다.

· 보호범위가 확대되어 설치수량이 감소된다.

· 측격뢰의 보호범위가 확대된다.

· 이온방사방식 임으로 높이의 제약이 완화된다.

· 뇌격전류의 방전기 속류의 흐름이 빠른 구조로 되어(Air Gap) 다중 뇌격에도 내구성이 우수하다.

 

4. 피뢰설비의 시공

1) 돌침부

돌침부는 돌침, 돌침지지관,지지철물 및 설치대로 구성된다.

1-1) 돌침

돌침은 공중에 돌출시킨 수뢰부이며 동, 내식알루미늄 또는 용융아연도금을 실시한 철강이며 지름 12mm 이상의 봉 또는 이것과 동등이상의 강도 및 성능의 것을 사용하여야 한다.

돌침의 굵기는 뇌격시 온도상승 외에 기계적 강도를 고려하여 정하여진 수치이다. 돌침재료의 용융점은 銅(1000℃),알루미늄(600℃),철(1300℃)이고 이들재료의 지름 12mm의 봉에 뇌격 전류가 흐른 경우 온도상승은 다음의 식에 의해 구할 수 있다(독일 : R. Foitzik)

· ρ : 저항률(Ω·㎝)

· C : 비열(cal/g℃)

· q : 도체 단면적(㎟)

· TH : 전류 파미길이(㎲)

· im : 뇌격전류 파고값(KA)

 

그러나 돌침의 굵기 선정은 뇌격전류에 의한 온도상승은 문제가 되지 않으며 기계적 강도에 의해 결정된 것으로 사료된다.

또한, 돌침 선단에 순금부착, 금도금, 크롬도금 등을 한 것은 수뢰효과가 증대되는 것은 아니고 내식성을 고려한 것이다.

 

1-2) 돌침지지관,지지철물 및 설치대

돌침부는 건축법에서 규정한 풍압력에 대해 안전한 구조 및 뇌격 전류가 흐른 경우 전자력에 의한 압괴 작용에도 충분히 견디어야 한다.

1-2-1) 돌침지지관

지지관에 사용하는 재료의 특징은 아래와 같으며, 일반장소의 지지관의 재료는 용융아연도강관을 사용되고 있다.

강관, 스테인레스 강관: 자성이 있으므로 뇌전류의 전자작용에 의하여 임피던스가 증가하기 때문에 관내에 피뢰도선을 통과시켜서는 아니된다.

황동관, 알루미늄관: 비자성으로 내식성이 있다. 따라서 내식성이 요구되는 장소(굴뚝, 염해지구 등)에 적합하다.

1-2-2) 지지관의 강도 및 길이

지지부에 작용하는 응력과지지관의 허용응력을 비교하여 만족하면 된다. 일반적으로 사용되는 강관의 허용응력은 2400(㎏/㎠)이다. 지지관의 개수와 길이는 보호를 필요로 하는 면적의 크기 및 설정하는 보호각에 따라 결정되지만 다음의 사항을 고려하면지지관의 길이는 돌출길이 8m 정도를 한도로 하는 것이 바람직하고, 1개의 돌침으로 보호가 불가능한 경우에는 갯수를 늘리던가 수평도체방식을 조합하는 것이 바람직하다.

· 보호효과 : 높아질수록 뇌차폐의 실폐가 많아진다.

· 시공효율 및 안전성 : 높아질수록 시공이 난해하고, 안전성이 저감된다.

· 보수의 용이성 : 높아질수록 보수점검이 곤란하다.

· 경제성 : 높아질수록 경제성이 떨어진다.

 

1-3) 돌침과 피뢰도선의 접속

돌침과 도선을 접속하는 경우 비 자성관에서는 관내를 통과해도 되지만 일반적으로는 관 상부에 있어서 돌침과 관을 전기적 및 기계적으로 완전히 접속하고 하부에 있어서는 도선을 접속하는 단자를 설치하고 관을 도체로서 사용한다.

관에 뇌격전류가 흐른 경우, 전자압괴력 Pmax는 다음 식으로 나타낸다.

· i0 : 뇌격전류 밀도(A/㎠)

· ra : 관의 바깥 반지름(㎝)

· r1 : 관의 안 반지름 (㎝)

 

관에는 상기한 전자압괴력이 외압으로 작용하므로 관에 생기는 최대응력 σt는 다음식으로 표시된다.

JIS에서 사용이 인정되는 알루미늄재의 인장강도는 300~1300[㎏/㎠]이므로 일반적인 뇌격전류에 충분히 견딘다.

 

1-4) 지지관의 내식성

지지관 부착철물, 부착틀에 대하여 기계적 강도 외에 특히 유의하여야 할 중요사항은 내식성이다.지지관과지지철물,부착틀은 원칙적으로 동일 재료로 하여야 하지만 적어도 전식에 대하여 상호 간섭이 적은 금속 조합으로 하든가 또는 철에 용융 아연도금을 실시한 재료를 사용하는 것이 좋다.

 

2) 수평도체

· 피뢰도선을 용마루, 지붕, 페러핏 등에 설치하여 이것을 수뢰부로 하는 방식이다.(국내규정 그림 옥상의 수평도체 참고)

· 도체는 단면적 동(30㎟) 이상, 알루미늄(50㎟) 이상 알루미늄의 단선, 연선 평각선,관, 구리를 입힌 강선 및 그의 연선, 알루미늄을 입힌 강선 및 그의 연선, 강심 알루미늄 연선을 사용하도록 KS에서 규정하고 있다.

· 용마루 위 도체는 용마루,패러핏, 지붕 그밖에 뇌격을 받기 쉬운 부분 위에 설치하고 평지붕에 설치하는 경우에는 외주를 따라서 루프 모양으로 한다.

· 건축물의 평지붕에 시설된 난간 등 금속체로 지름 12mm 이상의 강봉 또는 이것과 동등 이상의 강도 및 성능의 것을 가진 용마루 위 도체 대체하여도 좋다.

 

3) 가공지선의 설치

가공지선은 기본적으로 피보호물 상부에 도선 1가닥 또는 2가닥 이상을 어느 간격을 두고 수평으로 가설하여 수뢰부로 하는 것이며 피보호물에 근접하여 설치하는 용마루 위 도체와 피 보호물과의 상대적 배치가 약간 상위한다. 가공지선은 보호하는 면적이 넓은 공장 등의 건축물을 보호하는데 유리한 피뢰설비니며 수많은 돌침이 필요하게 되는 돌침방식에 비하여 양호한 보호효과가 기대되고 공사비도 절감할 수 있다.

 

4) 피뢰도선

· 피뢰도선은 도체는 단면적 동(30㎟) 이상, 알루미늄(50㎟) 이상 알루미늄의 단선, 연선 평각선,관, 구리를 입힌 강선 및 그의 연선, 알루미늄을 입힌 강선 및 그의 연선, 강심 알루미늄 연선을 사용하도록 KS에서 규정하고 있다.

· 인하도선數는 위험물인 경우를 제외하고 피보호물의 수평투영면적이 50㎡ 이하인 경우에는 1가닥으로 족하나. 일반적으로 2가닥 이상으로 한다. (단, 높이 20m를 넘는 부분의 수평투영면적이 50㎡ 이하이면 높이 20m 이하의 부분이 50㎡를 넘어도 인하도선은 1가닥으로 할 수 있다)

· 인하도선 간격은 피보호물 외주에 따라서 측정하고 원칙적으로 50m 이하로 하고 외부에 거의 균등하게 또한 될수록 돌각부에 가깝게 배치한다.

· 수뢰부가 2개이상 있는 경우에는 용마루, 지붕위, 패러핏 등에 설치한 피뢰도선에 의하여 연접하던가 루프모양으로 접속한다.

· 인하도선은 길이가 가장 짧아지도록 피보호물의 바깥쪽을 따라서 끌어내린다. 다만, 부득이한 경우에는 직각으로 구부려도 괜찮지만 ㄷ字 모양으로 구부리는 경우에는 ㄷ字모양으로 구부리는 부분의 全길이가 그 개구단 간격의 10배를 넘지 않아야 한다.(ㄷ字 모양의 간격에 비하여 ㄷ字모양을 형성하는 부분의 도선이 지나치게 길면 이 부분의 임피던스 강하 때문에 개구단 전위차가 커져 이 부분에서 방전하게 되고, 방전으로 인해 2차 재해가 생길우려가 있다.)

· 피뢰도선은 황동,알루미늄 등 사용아흔 피뢰도선과 동일 계통의 금속지지 철물을 사용하여 견고하게 피보호물에 부착하여야 한다.

- 수평면의 경우 0.6~0.8m

- 수직면의 경우 1.0~1.2m

· 피뢰도선을 옥내에 내리는 것이 시공상 편리한 경우는 사람과 가축에 쉽게 접근하지 않도록 울타리를 하거나 시설하여야 한다. 또 목조 피보호물에는 애자에 매달거나 또는 경질 염화비닐관, 그 밖의 전기절연 파이프 안에 넣도록 하여야 한다.

· 인하도선이 지상에서 땅속에 들어가는 부분은 나무 또는 죽제의 홈통,애관(콘크리트, 관석면, 시멘트관을 포함한다),경질염화비닐곤 또는 비자성 금속관 내를 통하여 지상 2.5m 이상인 곳에서 지하 0.3m 이상인 곳까지를 기계적으로 보호한다. 이 경우 비자성 금속관을 사용할 때는 그 양 끝을 인하도선에 접속한다.

· 알루미늄 도선은 땅속에 매설하여서는 안 된다.

· 인하도선과 접지극의 접속은 KS 규정에 따라야 하고 부식을 방지하기 위해 접속부에 피치,타르 등의 방부재를 입혀야 한다.

· 뇌격시 전위상승에 의하여 피뢰도선에 근접하는 금속체에 플레시오버의 발생방지 및 금속체에 유도전압 발생하는 것을 방지하위해 피뢰도선은 전등선 전화선 또는 가스관에서 1.5m 이상 떨어져야 한다. 또한, 피뢰도선에서 거리 1.5.m 이내에 접근한 전선관, 수도관, 빗물받이 홈통, 철관, 철사다리 등의 금속재는 접지한다. (단, 피뢰도선과 전등선,전화선 가스관 또는 전선관, 빗물받이 홈통, 철관, 철사다리 등의 금속재 사이에 정전적 차폐물, 보기를 들면 철근콘크리트조 또는 철골 철근콘크리트조의 벽,접지된 금속관 또는 금속망 등이 있을 경우는 예외로 한다.)

· 뇌전류의 주류를 통하는 것을 목적으로 하지 않는 도선에는 단면적 14㎟의 구리선, 단면적 22㎟의 알루미늄선 또는 이와 동등이상의 도전성이 있는 것을 사용한다.

 

5) 접지극

· 접지극은 각 인하도선에 1개이상 접속한다.

· 접지극은 두께 1.4㎜이상으로 면적 0.35㎡(편면) 이상의 강판, 두께 3㎜ 이상으로 면적 0.35㎟(편면)이상의 용융 아연도금 철판 또는 소용돌이 모양의 금속체를 사용한다. 다만 알루미늄 그 밖의 이에 유사한 부식하기 쉬운 것을 사용하여서는 안 된다.

· 접지극은 각 인하도선의 아래쪽에서 상수면하에 매설한다. 단 상수면이 지하 3m 이상 깊이인 경우 접지극의 하단은 지하 3m에 도달하면 이상이 없다.

· 피뢰침의 총 접지저항은 10Ω 이하로 한다.

접지저항이 매우 낮아 0Ω에 가까운 경우에도 접지 전위상승값은 작지만 피뢰도선의 임피던스가 이 경우에도 피뢰설비 상부의 전위상승은 상당한 값으로 되는 것을 염두에 두어야 한다.

· 각 인하도선의 접지저항은 20Ω(KS),

[이하 JIS규정 ]

- 총접지저항 : 50Ω,

- 독립가공지선 : 10Ω,

- 철골 또는 주철근 2가닥 이상을 가지고 인하도선으로 대신하는 경우 피보호물의 기초 접지저항과 접지극 접지저항 합성값 5Ω 이하

- 피보호물의 기초를 접지극으로 이용하는 경우 5Ω 이하.

· 1조의 인하도선에 2개 이상의 접지극을 병렬로 접속할 경우 그 간격은 2m이상으로 하고 지하 50㎝ 이상 깊이인 곳에서 단면적 30㎟ 이상의 나동선으로 접속한다.

· 특히, 대지의 고유저항(1,000Ω·m 이상인 경우 권장)이 높은 산지, 사지(砂地) 등에 있어서 접지저항을 (4) 및 (5)의 규정에 따른 값으로 유지할 수 없는 경우에는 인하도선 1조마다 길이 5m 이상에서 피뢰도선과 동등이상의 단면적인 구리선을 4조이상 피보호물에 방사모양으로 지하 50㎝이상의 깊이로 매설한 매설지선을 설치하고 다시 피보호물의 바깥둘레에 따라서 같은 깊이로 매설한 고리모양 매설지선을 따라서 이를 병렬로 접속하여 접지극에 가한다.

· 접지극 또는 매설지선은 가스관에서 가능한 1.5m이상 이격한다.

· 토양저항률의 대표적인 값 및 접지저항 계산식은 접지설계를 참고할 것.

· 건축구조 금속체 또는 건축설비 등의 이용

- 건축물의 접지저항이 5Ω 이하이면 아래의 사항에 주의하여 시고하여 접지극으로 대용하여도 좋다.

- 수뢰부는 동판,철판에서는 1.0㎜이상, 알루미늄에서는 2.0㎜ 이상으로 규정되어있다(JIS)

- 지붕에 비금속재료를 사용한 것은 돌침 등의 수뢰부를 별도로 설치한다.

- 낙뢰시 대지전위를 균등화하기 위하여 철골과 전선과,수도관,가스관 등의 금속체와는 전기적으로 접속한다.

· 건축물구조체를 접지극을 이용

매우 유효한 방법으로 건축물의 기초접지저항이 5Ω 이하이면 새로운 접지극의 시설을 생략하여도 좋다.

 

6) 접속

6-1) KS 규정

돌침과 피뢰도선, 피뢰도선 상호간 및 피뢰도선과 접지극의 접속은 다음의 규정에 적합하여야 한다.

· 접속부의 전기저항은 접속된 도체 중 저항이 높은 쪽의 도체자신의 접속부와 같은 길이의 저항보다 높아서는 안 된다.

· 접속부의 인장강도는 접속된 도체 중 약한 쪽의 도체 인장강도에 80% 이상이어야 한다.

· 서로 다른 종류의 금속 상호간을 접속할 경우에는 접속부분에 전기적 부식이 생기지 않도록 하여야 한다.

6-2) 접속방법

· 돌침과 피뢰도선의 접속

전기적,기계적으로 확실하게 접속하여야 하며, 또한 진동에 의하여 탈락되지 않도록 돌침부와 지지관에 삽입된 돌침지지용 삽입관의 접속은 돌림나사방식으로 하고, 지지관과 지지관에 삽입되는 부분은 황동납땜을 하고 빠짐 방지용 볼트로 고정한다.

· 피뢰도선 상호간의 접속

피뢰도선간의 접속은 불가피한 경우에만 시공하여야 한다.

◆ 銅피뢰도선 상호간의 접속 ◆

- 도선접속단자(2개 이상의 홀을 가지는 것일 것)를 사용하는 경우에는 각각의 접속단자에 피뢰도선을 끝까지 삽입한 후 납땜을 한 뒤 황동제 볼트 및 너트를 사용하여 견고하게 조인다.

- 접속선을 사용하여 접속하는 경우에는 도선 바깥지름의 10배 이상의 길이로 견고하게 감고 완전하게 납땜한다.

- 압착단자(2개 이상의 홀을 가지는 것일 것),압착슬리브,C형 분기블리브를 사용하는 경우에는 반드시 압착공구를 사용하고 황동제 볼트너트를 사용하여 견고하게 취부한다.

◆ 銅피뢰도선과 알루미늄 피뢰도선의 접속 ◆

접속부에 전기적 부식이 발생하지 않도록 내식성을 배려한 특수단자(내식 알루미늄 합금)를 사용하고 알루미늄제 또는 스테인레스제의 볼트너트를 사용하여 견고하게 조인다.

· 피뢰도선과 철사다리 또는 난간과의 접속

피뢰도선과 철사다리가 근접하는 경우 철사다리의 상하에서 본드선(14㎟ 이상)을 이용하여 피뢰도선에 접속(분기슬리브와 압착단자를 이용하여 볼트조임한다)한다. 단, 난간을 수뢰부로 이용하는 경우에는 철에서는 그 단면적의 250㎟ 정도 이상의 것을 기준으로 접속하고 난간 서로가 전기적으로 접속이 완전한가 확인한다.

· 銅피뢰도선과 철골 또는 철근의 접속

접속단자와 철골에 취부하기 위한 접촉면적 300㎟ 이상의 철판을 청동납땜한 후 철판과 철골 또는 철판에 용접한다.

· 피뢰도선과 철근의 접속

피뢰도선을 주철근에 접속하는 경우 단자를 부착한 철판을 2가닥의 주철근 사이에 브리지 형태로 용접한다.(전 용접면적이 300㎟ 이상이 되도록 할 것)

· 피뢰도선과 접지극과의 접속

지중에 매설되므로 특히 부식에 주의하고, 방식이 문제가 되는 경우(인접한 지중에 금속제의 탱크 등이 있는 경우)에는 피뢰도선은 접지극의 접속부분을 제외하고 절연전선을 사용하는 것이 좋다. 접지봉은 연결기구를 사용한 후 황동납땜하고, 접지판의 경우에는 도선 부착관을 이용하거나 접지판에 구멍을 뚫고 동선으로 결속하ㅕ 황동납땜 또는 동용접을 한다.

· 각각의 접속부에는 부식방식를 위해 피치 또는 타르를 도포한다.