접지설계 - 낙뢰보호, 등전위화, 전력설비 등

접지설계 - 낙뢰보호, 등전위화, 전력설비 등

 

 

1. 낙뢰 보호를 위한 접지설계

최근에 많이 언급되고 있는 내부피뢰 시스템에 있어서도 접지시스템 구축의 중요성이 지적되고 있다. 빌딩 내에 설치되어 있는 전자ㆍ통신기기 등은 과전압에 취약하고, LSI(대규모 집적회로)나 마이크로 컴퓨터 소자의 동작전압, 전류가 작기 때문에 기기의 파괴, 오동작, 잡음발생 등의 장해가 생긴다. 또 정보관련 기기는 건물내외부가 유선으로 네트워크화되어 있고, 기기 대부분의 전원은 상용전원으로부터 공급되고 있다. 이같이 금속도체계에서 외부와 연결이 되어있는 경우는 주변의 낙뢰로 인한 雷써지의 영향에 의해 여러 가지 장해가 생긴다.

 

피뢰침 등으로 빌딩을 낙뢰로부터 보호하는 피뢰대책을 외부피뢰(External protection), 빌딩내부의 각 종 전기설비나 인명을 낙뢰로부터 보호하기 위한 피뢰대책을 내부피뢰라고 한다. 종래에는 낙뢰보호라고 하면, 외부피뢰를 의미하고 있었지만, 최근에는 전술한 과전압에 약한 기기가 설치되기 때문에 이들을 보호하기 위해 내부피뢰라는 새로운 기술을 필요로 하게 되었다. 이같이 빌딩의 낙뢰보호에는 외부피뢰 시스템과 내부피뢰 시스템의 2가지 방법이 있다.

 

IEC-TC81에 의하면, 외부피뢰라는 것은 빌딩에 설치하고 있는 피뢰침 등의 受雷部에 뇌격이 있는 경우, 뇌전류를 접지계통에 연결하여 대지에 방류하는 것을 말한다. 내부피뢰라는 것은 뇌전류와 이로 인해 생기는 전계나 자계가 빌딩 내에 존재하는 도전성 설비나 각종 전기계통에 미치는 영향을 방지하기 위해 강구하는 수단을 말한다. 내부피뢰 시스템은 전자ㆍ통신기기 등의 이른바 약전기기의 과전압 방지를 위해 빌딩 내에 있어서 등전위접지, Surge arrester 설치, 차폐 등을 통한 LEMP(Lightning Electromagnetic Pulse) 대책으로 대응할 필요가 있다. 낙뢰보호 시스템의 개념도는 < Fig01 >과 같은데, 여기서 실선으로 나타낸 부분이 외부피뢰 시스템이고 건물내부의 점선 부분이 내부피뢰 시스템이다. 후자는 전위를 같게 하기 위한 등전위화 모선을 설치하고 모든 설비기기의 접지를 이에 접속하는 것이다. 다시 말하면, < Fig02 >에서와 같이 빌딩 내에 들어오는 전력 케이블, 통신 케이블, 수도관, 가스관 등과 빌딩 내에 설치되어 있는 모든 기기의 등전위화를 꾀하기 위해 등전위화 접지모선과 각종 낙뢰 방호소자를 사용하여 내부피뢰 시스템을 구축한다고 하는 것이다. 이같이 내부피뢰 시스템은 빌딩 내부를 뇌써어지로부터 보호하는 것으로 당연히 접지의 관점에서 그 대책을 모색하여야 한다. 내부피뢰 시스템이 필요로 하는 등전위화 접지모선은 대지의 접지극에 연결하여야 하고 써지 임피던스가 작은 접지전극을 시공해야 한다.

 

 

2. 등전위화를 위한 접지설계

건축물의 피뢰설비나 건축물 자체에 낙뢰시 발생하는 전위상승 및 옥내의 전기회로 또는 전기설비와 건축구조체와의 전위차는, 고층 건축물일 수록 크다. 따라서, 건축물내의 피뢰대책은 낙뢰시 전위를 균등화시켜 각 부분에서의 전위차를 최소한으로 저감하도록 하는 것이 접지시스템 설계시 가장 우선적으로 고려하여야할 사항으로서 건축물 및 피뢰설비의 접지저항을 저감하는 것보다도 중요한 사항이라고 할 수 있다.

접지저항 허용치 자체는 낙뢰시 건축물의 외부의 영향이나 근처 설비와의 관계를 생각할 때 고려해야 할 사항이다. 등전위화를 효과적으로 달성하려면 접지설계시 다음과 같은 기본적 사항을 염두에 두어야 한다.

(a) 등전위화를 확실히 하려면, 건축물의 기초와 바닥에서의 공용 접지점을 설치하던가, 전체의 금속으로 된 설비를 연결하는 연접접지선(Busbar)을 설계하는 것이 바람직하다. 특히, 건축물 기초의 등전위화를 위해서는 건축물의 기초 접지, 메시 접지를 하는 것이 효과적이다.

< Fig03 >은 건축물 기초에 연결도선을 사용한 접지설계의 기본적인 참고 예를 보여주고 있다. 또, < Fig04 >와 같이 공용접지접을 설계하고 각 층에 시설되는 전기회로 및 설비의 접지 단자를 이에 접속하는 것이, 낙뢰로 인한 위험요인을 제거하는데 가장 중요한 수단이 되며 이를 등전위화를 위한 일점접지 방식이라한다.

< Fig01. 뇌보호 시스템의 개념도 >

 

(b) 피뢰설비의 인하도선은 건축물 기초접지에 접속하고, 고층 건축물일 경우 인하도선을 전부 병렬로 접속하여 임피던스가 감소되도록 한다.

< Fig05 >는 일반 건축물 및 고층 건축물에서 임피던스를 낮추기 위하여 인하도선과 병렬로 건축물 구조체를 병렬 접속한 예를 나타낸 것이다.

(c) 전력용 전기회로의 중성선(점)은 변압기를 설치한 층의 공용접지점에 접속한다. 또, 전기회로에 발생하는 과전압을 억제하기 위해서는 공용 접지점과의 사이에 피뢰기 등의 과전압 보호장치를 접속하는 것이 좋고, 특히 고층 건축물의 2개층 이상에 배선되어있는 경우에는 각 층마다 이를 시행하도록 한다.

 

< Fig02. 내부시스템의 구성 >

 

< Fig03. 등전위화를 위한 건축물 기초에서의 접지설계 예 >

 

< Fig04. 공용접지점의 설정 >

 

(d) 전자장치를 포함한 제어‧측정‧통신 및 컴퓨터 등의 약전설비는 뇌전류의 영향을 받지 않도록 피뢰도선으로부터 가능한 이격하도록 하고 필요시에는 차폐를 하도록 한다.

(e) 상기한 각 종 전기회로의 배선은, 피뢰도체와의 容量結合, 電磁結合으로 인한 영향을 경감하기 위해 금속체 전선관에 넣고 이를 건축물내의 공용접지점에 접속한다. 이는 낙뢰시의 전계변화에 의한 유도전압 경감에도 유효한 수단이 된다.

위와 같은 대책이 불가능한 전력용 배선, 전화선 또는 가스관 수도관 등은 피뢰도선으로 부터 충분한 거리(적어도 1.5m 이상)를 유지하도록 하여 낙뢰시의 피뢰도선의 전위 상승에 의한 피해를 방지하도록 한다.

또, 피뢰도선에서 충분한 격리를 할 수 없는 빗물의 홈통, 철사다리 등의 금속체는 공용접지점에 접속한다.

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< Fig05. 임피던스 저감을 위한 병렬접속(예) >

 

 

3. 전력용 설비 보호를 위한 설계

보통 저압 옥내기기의 雷임펄스로 인한 절연 파괴전압은 수 kV 정도이고, 2-3 kV 정도도 있기 때문에, 이들 기기의 전기회로 및 설비를 보호하기 위해서는 등전위화가 되도록 설계하여야 한다. 또, 건축물 기초접지의 저항을 가능한 낮게 함과 동시에, 피뢰도선의 병렬배치 및 건축물(금속) 구조체 접지를 포함하여 임피던스가 저감되도록 해야 한다. 건축물의 외부에서 전력선을 통해서 침입하는 뇌서지에 대해서는, 인입구에 피뢰기를 설치하여 이를 억제하는 것이 매우 중요하다. 건축물 내에 인입되는 전력용 전기회로의 전압은, 고압 또는 특별 고압의 경우와 저압의 경우로 크게 나눌 수 있다. 전자는 빌딩, 백화점, 공장이나 연구소 등이 그 예이고, 후자는 일반 가정, 상점, 소규모 공장 등이 대표적이다. 이 양자의 경우에서의 건축물내의 전기회로 및 설비에서, 뇌격에 기인하는 유도전압을 억제하기 위해서는 다음 사항을 고려하여 설계해야 한다.

 

< Fig06. 저압배선에서의 보호 예 >

 

건축물 자체가 완전한 케이지를 구성하고 있는 경우는, 그 내부의 전기회로의 도체에는 유기전압이 발생하지 않지만, 이것이 불완전한 경우나 피뢰도선과 이에 접속한 건축물(금속) 구조체와의 사이에 電磁結合으로 인한 유도전압이 발생하므로 이 값이 클 때는 저압배선이나 이에 접속된 옥내기기의 절연내력을 초과할 때는 절연파괴로 인하여 기기가 손상을 받게 된다. 이를 방지하기 위한 설계는 다음 사항을 고려하여야 한다.

 

저압 배선에서는 < Fig06 >과 같이 기기시설 개소 또는 차단기의 부하측에 뇌서지 등의 과전압을 제어하는 보호장치(피뢰기 등)를 各相과 중성선의 사이에 접속하도록 하고, 저압회로의 중성선(점)이나 접지 단자는 공용접지점에 접속하는 것이 좋다. 또, 배선간의 유도전압을 가능한 억제하기 위해, 다음과 같은 기본적인 대책을 설계에 반영하는 것이 매우 중요하다.

① 배선을 가급적 폐루프가 되도록 한다.

② 왕복하는 배선은 가능하면 합쳐서 배치한다.

③ 옥내배선은 피뢰설비와 인하도선 및 접지선에서 가급적 큰 간격을 두도록 한다.

④ 옥내배선과 피뢰설비를 크게 이격할 수 없을 때 특히, 실드가 부착된 케이블을 사용하거나 실드가 없는 전선을 사용하는 경우에는 금속관이나 금속관 덕트에 넣어 배선하도록 한다.

 

 

4. 약전용 설비 보호를 위한 설계

건축물내의 약전용 전기회로는 전화인입선 같은 통신회로나 TV 케이블 같은 수신회로 및 옥내 저압전원에 접속된 전자회로와 설비 등으로 대별할 수 있으며 이들에 대한 설계는 다음과 같이 한다.

(a) 전화 인입선 등의 통신회로는 우선 건축물내의 인입점에 피뢰기를 설치하여 외부에서 침입하는 낙뢰서지를 억제하고 Surge absorber로 건축물내 배선간의 과대한 전위차를 낮춘다. 이때 피뢰기 등의 보호장치는 공용접지극(점)에 접속하도록 한다.

(b) TV 필터 케이블 같은 수신회로에 있어서는 동축케이블의 실드는 피뢰도선에 직접 접속하고 필요에 따라서는 TV수신기 회로 등을 금속 차폐한다.

(c) 각 종 전자회로 및 설비에 대해서는 전원측과 < Fig07 > 과 같은 방법으로 설계하도록 하고 전자회로는 다음 사항을 고려하여 기본설계에 반영하도록 한다.

① 동일배선은 여러 가닥을 묶어서 실드된 도선으로 한다.

② 배선이 폐회로가 되도록 한다.

③ 피뢰설비나 이의 인하도선에서의 이격은 가능한 크게 하고, 금속망으로된 실드케이지(Shield cage)로 차폐하여 1개소에 접지 시킨다.(일점접지)

④ 절연 변압기, 피뢰기나 배선에 관계되는 접지는 등전위를 위해 상기의 금속 실드 케이지의 접지와 함께 일점접지한다.

⑤ 배선의 실드 케이지에서의 인입과 인출은 상기의 접지점 가까이에서 모아서 행하여야 하며, 임의의 개소에서 인입‧인출하는 것을 피한다.

< Fig07. 전자회로 등 약전설비의 낙뢰보호 개념 >