ESE 피뢰침기술도입배경과소개 ESE피뢰침기술도입배경과소개 를 2회에걸쳐연재하려고합니 김동진 / 건축전기설비기술사 최성오 / 선광LTIㄜ기술부장 1. 서 론 미국의경우 NFPA에의거하여, 보호개념의뇌격거리를 30, 45m로명시하고프랑스및유럽의다수 낙뢰로부터완벽한보호는불가능하 단지낙뢰피해의가능성을최대한으로낮추는데그의미가있 근대의산업개발로환경은악화되고오존층의파괴등으로지구의온난화와기상이변이속출되고있으며매년발생되는낙뢰의빈도수또한점차증가되고있는추세이 산업기술의발달과건축물의시대적배경이첨단화, 고층화, 복합대형화되면서낙뢰사고에대한인 국가에서는 NF C에의거한 20, 45, 60m의뇌격거리에의한보호반경 ( 보호범위 ) 를명시한 어느것이더우수하고나쁘고의차원이아니며낙뢰보호의설계시건축물의중요도, 낙뢰빈도수, 낙뢰전류의크기등다양한변수를고려한보호확률을선정하여보호범위선정및설계해야한 따라서여기에서는유럽선진국가에서사용하고있는 ESE피뢰침도입배경과기술소개를하고자한 식이점차바뀌어가고있으며그피해의크기도확 대되고있 따라서낙뢰보호기술에대한인식을 재점검할필요가있 2. ESE 피뢰침 유럽기술선진국의경우보호효율 ( 보호확률 ) 의 개념이보호반경이나보호범위안에서낙뢰로부터완벽한보호가됨을명시하는것이아니 다만, 어떤보호확률을설정하고그설정된보호확률 ( 보호 1) 대지전계의발생일반적으로뇌운의형성은고도8~12[ km ] 에서이루어지며, 뇌운이성장하여지상에근접하게되면 효율 ) 내에서낙뢰로부터피해를최소화하는개념이 지상의 대기중 전계는 10[kV/m] 이상 ( 최소 5[kV/m]) 상승한 이때지상의어떤구조물또 는돌출물에서는공기중의질소, 산소등으로이루어진분자들이대기전계에의해활발히운동하며서로간의충돌등에의해가전자출입이왕성하게이루어진 이로써대기의이온화가증대되어코로나 (Corona) 현상이발생하며이런코로나현상은전계강도가클수록강하게나타난 1925년 Wilson은이런자연적인코로나현상이전계강도의세기와연관되는것을보여주었 뇌운의내부에서는리더 (Leader) 를형성하기시작하고대지를향해단계적으로전진한 (Step leader; Down ward leader) 리더가뇌운에서대지로전진하는동안, 코로나현상에의한이온화 (Ionization) 가지상의어떤구조물이나돌출물상부에서상승리더 (Up ward leader) 로성장한( 다수의상승리더가지상의구조물또는돌출물에서생성된) 이것이피뢰도체의선단에서일어나는현상이 이상승리더는뇌운을향해전진하면서하강리더의경로를변경시키는데충분하 가장발달한상승리더가하강리더와접촉하게되고, 이어뇌격이발생하며뇌격전류가발생한 [ 그림1] 뇌운의생성과정 2) ESE 피뢰침의도입배경및근거 (1) ESE 피뢰침의도입배경가. 도입배경일반적돌침형피뢰침 ( 이하 SR:Simple Rod) 은뇌 운이형성되어낙뢰의조건이형성될시점에뇌운과대지와의높은전계강도에의해돌침에높은전계밀도가형성된 이때첨단에서대기의이온화가급진전되며이런과정에첨단의방전전류가형성된 이런일련의과정에서대기의이온화에의한이온은뇌운을향해상향전진되며하향리더와접촉하여대지방전의도전로를형성한 ESE피뢰침은이온의상향전진되는과정을전기적회로에의해규칙적이고효율적으로집약하여이온의전진거리를증대시켜일반돌침보다먼거리에서하향리더와의접촉점을만들어대지방전을유도함으로써보호반경 ( 보호범위 ) 를증대시켜안전성과효율성을확보한것이 나. 발전과정낙뢰보호에대한노력은 200여년의기술개발로발전되고있으며유럽등의선진국에서는지금도연구가진행중이 1 ESE란 Early Streamer Emission의약어로스트리머를일찍방사한다는의미로국제적으로사용되는용어이 프랑스에서는 PDA(Paratonnerre a Dispositif d'amorcage) 로표시된 프랑스는 ESE 기술표준인 NF C 17-102의제정으로국제적으로도그기술적우위를인정받고있 유고, 스페인, 슬로바키아등유럽기술선진국에서는프랑스의선진기술을도입하여자국의산업기술표준으로사용하고있 2 ESE의기본적근거 ESE는기본적으로물리학적, 전기자기학적원리를바탕으로한 즉, ESE의성능향사의원리적개념은뇌운이형성될때에너지를포집하여 ESE피뢰침자체가능 30 www.keca.or.kr 전기설비 2006/12 31
동적으로고전압을형성시키며이높은전압에의 ESE 피뢰침의내부적특수회로에의해뇌운이 나. 뇌격지점은하향리더가약 100[m] 정도접근할 출된전하들은둘러싼전기장이너무약하기 해대기이온화를활성화하고 ESE 피뢰침주위의 형성되어뇌격의조건이충족되기전에자체적 때결정되며, 이때얼마나신속하게뇌격을 때문에뇌운쪽으로자유롭게전달될수없 이온을많이포집함으로써코로나효과에의해대 으로고전압을발생한 흡인할수있는지가피뢰침의성능을결정한 따라서, 전하들은 sharp point 위에머무르고 기중으로방사하는것이 공진회로의개념과고전압방전이론중 Pulse 하향리더가약 100[m] 정도로근접했을때 Tip 에서강한전기장 (Electrical Field) 의발생 power 개념등의여러이론을바탕으로하며 많은전하를방출하여상향리더를충분히활 을약화시킨 초기과정에서발생된이전하 a. 물리학적개념 그것에의해고전압이발생된 성화시키고뇌격을흡인한 들로인해하향리더를흡인하는데필요한최 공기중의많은이온은높은전압에서이온내의전 고전압의발생은단발적이며주기적인 Time 을 종단계상향리더를발생시키는능력이감소 자충돌등에의하여전자가궤도를이탈한 이런 가지며이를 Pulse 로나타낸 이런조건은이 하향리더 (Downward Leader) 의특징은온화한 된 이전하들이 Masking 현상에의해부정 현상을이온화 (Ionization) 라한 온이효과적으로방사되는최적의상태에맞추 날씨에자주발생하고 (90%), 지표면에접촉 적인영향을줄수있 즉, 이런상태를기술적으로이온을집결시켜많 어지며그조건들이충족시최고의효율적인이 점을예상하기어렵다는것이 뇌운에서출 은이온을방사하는것이 온방사를실행하는것이 ESE 피뢰침의동 발한하향리더와가장먼저접촉하기위한조 마. 고전압펄스식 ( 이온방사형 )ESE 피뢰침 Griffin, ( 높은전압이존재시이온화현상은자연발생적 작개념상고전압펄스식, 이온방사식, 단속펄스 건으로, 가장높은구조물이라거나, 일찍상승 Plus 는이런초기과정의전하를억제함으로써 으로이루어진) 코로나방전형, 유도광역형등은모두 ESE 피뢰 Streamer 를방출하는것만으로는부족하 상향리더발생에필요한전하를폭발적으로 침의동작과정의한부분을명사화하여사용하 Streamer 가하향리더쪽으로자연스럽게전해 증가시켜하향리더를흡인하게된 이로써 b. 전기자기학적개념 고있는것이 지는열적으로안정된상향리더 (Upward 초기 ESE 피뢰침의기술적난제였던 Leader) 로전환시키기위해서는정확한타이 Masking 현상을해소하게되었 뇌운형성 (2) ESE피뢰침의기본원리선행스트리머방사형 (ESE1) : Early Streamer 밍에방출되어야한 3) ESE 피뢰침의구성및특징 ESE피뢰침내고전압형성대기이온화단발적펄스발생 Emission) 피뢰침에서는자연발생적인이온화현상, 코로나효과및방전현상들을내부장치에의해서극대화시켜상향리더의방사거리가증대되며, 뇌운에서불특정하게근접하는하향리더와의접촉 라. 피뢰의초기과정에서코로나효과에의해방뇌운발생 (1) ESE 피뢰침의구조돌침부, 스파크갭, 전기회로부등으로되어있으며구조에대한구체적인내용은다음과같 최대이온결집코로나효과발생대기중이온방사 시간을단축시킨 따라서의도된뇌격점 ( 피뢰침 ) 으로낙뢰를유도하여건축물을안전하게보호하게된 ESE 방식은피뢰설비의최신기술이며초기의ESE 방식에서더욱개선된방식으로발전되고있 하향리더진행 초기코로나방전억제 하향리더접근 ( 약100[m]) 가. 구성요소 전기장센서코로나발전기뇌격점 스트리머진전하향리더와접촉계획된뇌격점으로낙뢰유도대지방전 [ 그림2] ESE피뢰침동작과정 가. 고전압펄스식이온방사피뢰침은기본원리적으로기존의 ESE피뢰침을개선한방식의피뢰침이 뇌운이접근한초기코로나현상을억제하여 Mas-king 효과를방지하고, 단속적인고전압펄스를방사하며이온방사특성을극대화하게된 이것이기존의 ESE방식에서한단계발전된점이 고전압단속펄스방전 이온방출극대화 뇌격유도및흡인 스파크갭 (Spark gap) 고임피던스회로 에너지저장장치 접지시스템 [ 그림 3] 블록도 (Block Diagram) 발진회로 32 www.keca.or.kr 전기설비 2006/12 33
나. 돌침부 (Air Terminal) 을때내부전기회로가방출전하의양을급 4) ESE 피뢰침의종류및비교검토 격히증가시켜하향리더를용이하게유도한 1 그리핀 (Griffin) (1) ESE 피뢰침의종류 현재많이보급되어사용되어지는 ESE 피뢰침을 [ 그림 4] ESE 피뢰침회로구성예 2 신뢰성ㄱ. ESE 피뢰침은계산된보호범위에한국전기연 분류해보면크게고전압방식과무전압방식의두가지로나누어진 구원테스트를통한안전율을적용하여선정 원뿔형 Body와이온방사성능을높이기위한하부팁 (Tip) 으로구성되어있 상부 TIP에서하부 TIP까지의임계표면적을증대시켜이온화의양과뇌격시뇌격전류의방류를자연스럽게유지시킨 2 플러스 (Plus) 원통형 Body와 Body상부스커트로구성됨 초기코로나방전을억제하고, 하향리더가 100[m] 정도근접시이온방출을극대화하기위한고전압발생장치로이루어진 전기회로부의저항은피뢰침 tip의고압전류에주기적인변화를발생시키고전류소비를제한시키며전위 generator의독립적인내구력을증가시킨 또한방전기를경유하여방전되는낙뢰전류에의한충격에서전위 generator를보호하며이방어효과는저항이증가함에따라같이증가한 (2) ESE 피뢰침의특징 하므로신뢰성이우수하 ㄴ. 선광엘티아이자체고전압실험을통해검증, 확인된제품만을출고하므로제품하자및손상이거의없 3 경제성ㄱ. 동일한보호대상물에일반형돌침에비해저렴한비용으로시설이가능하 ㄴ. 몸체와 Tip은스테인레스스틸로만들어져악조건에서도부식되지않고수명이길 고전압방식 무전압방식 전기식 기계식 단순기계적방식 [ 표 1] ESE 종류 물성적전기소자방식 전자회로식 압전소자식 방사성방식 : 방사성물질에의한이온발생방식으로국제적으로사용이금지된방식임 4 환경성 가. 구조상의특징 ㄱ. 내부전기회로는 tip 의하부에위치한 spark 가. 고전압방식 ESE 피뢰침의기하학적구조는내부전기회로만큼중요하 소형경량화를가능케하고, 낙뢰흡인의마지막단계에서, Masking 효과를차단하여가원활하도록한 gap에의해보호된 ㄴ. Spark gap은수직이고, 오염물 ( 공장연기, 염분 ) 이축적될수없는구조이며, 오염시자기세척기능 (Selfcleaning) 을가진 이것은낙뢰시내부전기회로의손상을방지하고절연체주위의금속이녹는것을방지한 뇌운이근접시능동적으로내부회로에의해고전압을발생하며그방법에의해기계식, 전기적인방식으로구분된 1 전기식 a. 물성적전기소자방식 ( 전기식 ) 나. 성능상의특징 ㄷ. 디자인이세분되게설계되어건축물의미관을헤치지않고모든구조물에설치할수있 낙뢰시능동적으로동작하여고전압을발생시키는내부의특수한전기회로구성요소의물성 3 스파크갭 (Spark Gap) 수직형이고, 특수물질로이루어져오염물이축적되지않고 Self Cleaning이가능하 4 전기회로부 (Electrical Circuit) 1 안전성ㄱ. 기존의일반형돌침에비해뇌격을확실히흡인, 방류하여안전성이우수함. ㄴ. 대부분의피뢰침과달리초기코로나효과를감소시키는데초점을두고있 ㄷ. 하향리더 (Downward Leader) 가전하의자유로운이동이가능한전기장에충분히접근했 5 유지보수성ㄱ. 내부전기회로는유지보수에지장을주지않도록간단하게개발되어왔 ㄴ. 풍압에잘견딜수있는구조로되어있 ㄷ. 스텐레스를주재료로하고외부전원이불필요하므로유지보수가거의불필요하 적, 전기적특성을이용한방식이 pulse power방식상 conductance, Inductance, Resistance (RLC) 공진개념및 pulse power 방식등을바탕으로한 Inductance, capacitance등소자의특성을활용하여일정한 Time을가지고그상태를유지시켜가장효과적인이온방사를실행한 L,C 소자의전기자기학적응용으로뇌격전류의충격에내구성을갖는 34 www.keca.or.kr 전기설비 2006/12 35
[ 표 2] 피뢰방식별비교표 NO 항목 F.R 패러데이 Cage ESE 피뢰침 1 보호이론프랭클린 (1752 년 ) 패러데이원리고전압단속펄스코로나방전원리 2 보호공간확보 3 적용표준 회전구체법적용시보호각내의공간이완전히보호되지못하고, 설치높이가높을수록보호각이좁아진 KS C IEC 61024-1( 한국 ) JIS A 4201( 일본 ) NFPA 780 ( 미국 ) NF C 17-100( 프랑스 ) 원리적인방법으로가장완전한보호이론이나현장에서완벽한 cage 를구현하는것은불가능하 KS C IEC 61024-1( 한국 ) JIS A 4201( 일본 ) NFPA 780( 프랑스 ) NF C 17-100( 프랑스 ) 4 보호공간보호각내부공간보호각내부공간 5 동작원리 대기이온화발생 자연적연속코로나형성 대기이온화발생 자연적연속코로나형성 회전구체법적용시에도충분한보호공간확보가가능하 전기기하학적모델에의거한보호반경적용 NF C 17-102 ( 프랑스 ) UNE 21186-96( 스페인 ) JUS N B4 803( 유고 ) STN 341391( 슬로바키아 ) 회전구체법에의거하여평면에대해설정된보호반경내의공간회전구체법이적용된완전한보호공간확보뇌격전류에따른뇌격거리를계산하여보호반경을산출한 보호평면보호반경내의전체범위에걸쳐광역으로보호공간이설정됨 전기장전계검출 대기이온화급상승 단속코로나펄스발생 강력한 6 내부구성회로없음없음내부전기회로구성 7 8 9 10 외부구조 설치난이도 소요비용 공사기간 3000 m2, 높이 20m 이상기준 (100 평기준 ) 돌침부, 지지대 단위개체당설치는단순하지만설치개수가많아시공복잡 고가.( 비용지수 1.0) 다수피뢰침소요되며피뢰침수를감소하려면매우높은마스트가필요하고시공이곤란. 인하도선다수, 접지개소다수. 장기간 피뢰도체, 지지물 건축물을형태를고려한피뢰도체설치기술이필요 매우고가.( 비용지수 1.3) 다량의평행도체소요인하도선다수접지개소다수. 장기간 돌침부, 변환장치, 지지대 설치가단순 저가.( 비용지수 0.2) 소수피뢰침소요인하도선소수, 접지개소소수 단기간 b. 전자회로식 ( 전자식 ) 고전압을발생시키는원리는동일하지만내부에 L,C소자와함께 Diode, Triac, MOSFET, ZenorDiode Photo Triac 이외에도 Micro process 등반도체소자의집합적사용으로이온을방사하는방식이 2 기계식 ( 압전소자식 ) 초전효과를나타내는결정에의해기계적인압력을가해발생되는압전효과 (piezo-electric) 을응용한방식으로고전압발생의공급원으로사용되는방식이 나. 무전압방식스트리머의상승효과에기인되는코로나효과를단순한도체 ( 충전도체 ) 의기계적구성및가공에의해동작한 이는뇌운존재시발생되는대지전계의공기간격, 절연간격등을응용하여이온을방사하는단순한기계적방식으로일반돌침형피뢰침의개선형이 방사성방식 (Radio Active Air Terminal) 국제적으로사용이금지된피뢰침으로방사성물질을통해이온을증대, 증폭시켜효울적인방식이나방사성물질의많은문제발생으로사용이금지되었 5) ESE피뢰침의선정및기술적배경 (1) 피뢰방식선정시고려사항건축물의완전한 (98% 이상 ) 피뢰를위해서는완벽히시공된패러데이케이지방식또는회전구체법에의한보호가이루어져야한 기존의일반적피뢰방식에서일률적인보호공간 은완전한보호를보장할수없고, 건축물의높이가높을수록보호범위는협소해진 케이지방식도완벽하게시공하는것이거의불가능하며시공이복잡하고미관및유지보수가상당히불리하 그러므로중대형이상의건축물에서는광역보호효과를가지면서도총공사비용이저렴한 ESE 광역보호피뢰침을설치하는것이유리하 (2) ESE의기술적배경 1 기존돌침형피뢰침의문제점ㄱ. 일반적으로보호각에의해설치되는피뢰침설비에대해낙뢰에대한피해사례가많이발생됨을알수있 ㄴ. 피해를최소화하기위해국제적으로뇌격거리의개념을이용한회전구체법에의한보호범위를적용하여낙뢰에대한피뢰설계를적용하여사용되고있으며낙뢰보호에있어서뇌격거리의관점이아닌피뢰침을주체로보면다음과같 a. 스트리머의발생이불규칙적이 피뢰침에서방사되는스트리머는뇌운과의대지전 36 www.keca.or.kr 전기설비 2006/12 37
힘등다양하고복합적인요소등이작용하는점등 을바탕으로한것이며보호범위를산정하기전보호 미국의 NFPA NFC 780 에서는뇌격거리 30m, 이있 등급의산정계산이필요하 45m 를한계로하고있으며, 프랑스 NF C 17-102 에 서는 ESE 피뢰침이우수한성능을발휘하더라도 (3) ESE 피뢰침의기술 (4) 보호효율과보호등급 방사이득시간 (ΔT) 을 60 μs로제한하여 ESE 피뢰침 기존돌침형피뢰침의여러문제점에의한낙뢰피 KS C IEC 61024 의내용과 NF C 17-102 의내용 의상업적과대홍보를금지, 안전성을확보하고있 해를최소화하면서안정적이고신뢰성있는피뢰설 에의하면건축물의피뢰설비설계시에는반드시 비를구축하기위한방법은다음과같 보호등급과보호확률 ( 효율 ) 의비교검토가요구된 그러므로 ESE 피뢰침의뇌격거리또는방사시간 또한 ESE 피뢰침을사용할경우에도무조건적인선 이득을기준으로보호범위를산정한 ㄱ. 규칙적인코로나효과에의한이온화과정을안정되게하여스트리머를규칙적으로발생 정이아니라, 적용방법에대한신중한배려가필요하 Rp= {h(2d-h)+δt(2d+δt)} 시킨 다음의도표를분석해보면회전구체법을기준으 위의공식으로적용된보호반경은보호등급 (NP) ㄴ. 스트리머의방사높이를증가시켜하향리더를 로동일건물에적용하면동일건물에보호등급 3 등 에따른뇌격거리 (D) 의적용으로제품의모양, 기능 계강도에의해피뢰침에서발생되는코로나효과에의해발생된 그러나전계강도에의한초기의코로나효과는불규칙적이고일정하지못하므로불안정하고스트리머발생이불규칙적으로발생된 계획된뇌격점으로유도한 ㄷ. 초기코로나효과를적절하게조정한 ㄹ. 그외에도많은이온의양을포집하여하향스트리머의전진속도에대비하며상향스트리머의방사시간의조정등이필요하 급의뇌격거리 45m 기준시일반돌침식 80~90% ESE피뢰침 95% 의보호확률을가지며이에소요되는경비는일반돌침방식의약 6배이상의비용이추가된 즉, ESE 피뢰침적용시에도보호등급계산에의해올바르게적용해야한 또일반돌침식피뢰 에관계없이보호범위가일정하게되며이는 NF C 17-102에나타나있 따라서적합한피뢰설계를위해서는다음의 3중보호방식의설계가필요하 (1) 보호효율및보호등급의적합한선정 b. Masking effect 우려가높 이온의스트리머형성과정상불규칙적인때이온쉴드에의한이온방사가진전되지못하고방해되는 Masking effect의우려가많 ESE피뢰침은능동적인고전압의발생으로주위대기를일찍이온화시키면서초기코로나효과를적절한시기까지조정, 결집된이온을방사하여대지로내려오는하향리더를계획된지점으로유도하고건축물의피해를최소화한 침설치시 80~90% 의보호효율을가지기때문에 ESE피뢰침의보호확률은 95% 이상으로적용하는것이바람직하 특히건축물의높이가 45m를초과하는경우에는보호등급을상향조정하는것이필요하 (2) 적정한방전시간차 ( T) 의사용 (3) 건축물의경우보호범위의한계 Line은건축물과여유 ( 이격거리 ) 를유지할것 c. 스트리머의방사거리가짧 뇌운에서내려오는하향리더가대지로접근하여지상 100~500m 지점에서뇌격point가거의확정되며피뢰침에서올라오는상향스트리머가짧아건축물에피해사례가발생되기도한 ESE피뢰침의중요한기술적과제는ㄱ. 고전압의발생이안정적이고규칙적일것. ㄴ. 적정한 Pulse를갖는주기적 Time이필요. ㄷ. 초기코로나효과의적절한조정. 보호등급 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 보호효율 95~98% 90~95% 80~90% 0~80% 뇌격거리 (m) 20 30 45 60 이는건축물의주위환경과건축물의구조및형태등의여러가지조건에따라상향스트리머의전진거리가다르며외국의많은논문에따르면 5~25m 정도의스트리머의전진거리를나타내고있 d. 기타그외에도이온의양, 바람의영향, 중력과쿨롱의 등이필요하 이는 Pulse특성, 전압특성, 전류특성, 이온화특성, 절연특성등여러가지요소들이복합적으로어우러져 ESE 피뢰침의효과를증대하여야하며그기술의집결로효율을최대화하는것이필요하 개정된 KSC IEC 61024 의건축물높이에따라적용이다른보호각에의한보호범위는회전구체이론 [ 표3]KS C IEC 61024 보호등급별보호확률 보호등급 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 보호확률 ( 효율 ) 95~98% 80~95% 0~80% 뇌격거리 (m) 20 45 60 [ 표4] NF C 17-102(APPENDIX B) 보호효율 38 www.keca.or.kr 전기설비 2006/12 39