피뢰기란 무엇입니까?

전기 시스템 주변에서 충분히 오랫동안 작업하면 번개에 대한 건전한 존경심이 생기기 시작합니다. 사람들이 산 위로 폭풍이 몰아치는 것을 볼 때 갖는 낭만적인 존경심은 아닙니다. 실용적인 종류, 작업 전에 접지 연결을 다시 확인하고{2}}배전선이 머리 위 또는 지하로 흐르는지 현장 엔지니어에게 물어보는 종류입니다.

피뢰기는 전 세계 거의 모든 건물, 변전소, 통신 타워를 조용히 보호함에도 불구하고 전기 업계 외부의 대부분의 사람들이 생각해 본 적이 없는 장치 중 하나입니다. 이 기사에서는 피뢰기의 정의, 작동 방식, 존재하는 유형, 그리고 많은 구매자가 인식하는 것보다 피뢰기 선택이 더 중요한 이유를 자세히 설명합니다.

피뢰기

피뢰기의 실제 역할

기본적으로 피뢰기는 전압-제한 장치입니다. 이는 전기 도체와 접지 사이에 연결되어 있으며 정상적인 작동 조건에서는 전혀 아무 일도 하지 않습니다. 전력선에 직접 낙뢰가 발생하거나 대형 변압기가 꺼질 때 발생하는 전압 스파이크로 인해 서지가 도달하는 순간 어레스터가 활성화되어 일시적으로 낮은-저항 접지 경로를 생성하고 서지 에너지를 하류의 모든 것에서 멀리 보냅니다. 서지가 지나가고 라인 전압이 다시 정상으로 떨어지면 어레스터는 비활성 상태로 돌아갑니다.

마지막 부분은 주목할 가치가 있습니다. 회로를 보호하기 위해 자신을 희생하는 퓨즈와 달리 적절한 정격의 어레스터는 소진되지 않고 반복되는 서지 이벤트를 처리하도록 설계되었습니다. 자동으로 재설정되며 대부분의 경우 보호되는 장비는 어떤 일이 발생했는지도 등록하지 않습니다.

내가 가장 유용하다고 생각하는 비교는 싱크대의 배수구입니다. 물은 정상적인 속도로 유입되고 배수는 아무런 노력 없이도 계속 유지됩니다. 그러나 누군가가 한 번에 가득 찬 양동이를 쏟아 붓는다면, 배수구가 갑작스러운 급증을 처리하고 싱크대가 넘치지 않습니다. 피뢰기는 배수구입니다. 변압기, 개폐기, 건물 내부의 민감한 전자 장치는 싱크대입니다.

이름이 혼란스러워지는 곳

사람들이 이 주제에 대해 조사를 시작할 때 가장 먼저 접하게 되는 것 중 하나는 중복되는 용어 더미입니다. 피뢰기, 서지 피뢰기, 서지 보호기, 서지 전환기, 피뢰기 절연체. 이러한 용어는 때때로 같은 의미로 사용되며, 때로는 말하는 사람과 상황에 따라 완전히 다른 의미를 갖습니다.

차이점에 대해 생각하는 실용적인 방법은 다음과 같습니다.

피뢰침(기술적으로 에어 터미널이라고 함)은 구조물 상단에 장착된 외부 장치입니다. 그 임무는 직접적인 타격을 차단하고 전류가 하향 도체를 통해지면으로 제어되는 경로를 제공하는 것입니다. 건물의 구조물에 화재가 발생하거나 물리적인 손상이 발생하는 것을 방지합니다. 내부의 전기 장비에는 아무런 영향을 미치지 않습니다.

전통적인 의미의 피뢰기는 송전탑과 실외 배전선에 설치된 장치를 의미합니다. 이들은 선로를 따라 이동하는 서지 에너지를 차단하고 변전소나 건물에 도달하기 전에 방향을 전환합니다. 많은 설계에서 어레스터는 라인 도체와 직접 접촉하지 않습니다. 병렬로 배치되어 전압이 설정된 임계값을 초과할 때만 활성화됩니다.

서지 피뢰기 또는 서지 보호기는 건물 내부, 일반적으로 주 전기 패널에 설치됩니다. 이는 실외 보호 레이어를 통해 이미 발생한 과전압 과도 현상을 처리합니다.

완벽한 보호에는 세 가지가 모두 필요합니다. 인입 라인에 피뢰침이 없는 피뢰침은 여전히 ​​도체를 따라 전달되는 서지에 전기 시스템을 노출시킵니다. 패널-레벨 서지 보호 장치가 없는 라인의 어레스터는 마지막 마일을 보호되지 않은 상태로 둡니다. 피뢰침을 완전히 건너뛰는 것은 건물에 대한 직접적인 공격이 다른 모든 것을 압도할 수 있다는 것을 의미합니다. 각 계층은 서로 다른 위협을 처리하며 함께 작동하도록 되어 있습니다.

장치 내부 작동 방식

대부분의 최신 피뢰기는 일반적으로 MOV라고 불리는 금속 산화물 배리스터를 중심으로 제작됩니다. 활성 물질은 산화아연이며 디스크로 압축되어 어레스터 하우징 내부에 쌓입니다. 산화아연은 ​​유용한 특성을 가지고 있습니다. 산화아연의 전기 저항은 인가되는 전압에 따라 극적으로 변합니다.

일반 라인 전압에서 산화 아연은 매우 높은 저항을 나타냅니다. 이를 통해 전류가 거의 흐르지 않으며 피뢰기는 회로에 효과적으로 보이지 않습니다. 서지가 피뢰기의 보호 수준 이상으로 전압을 높이면 산화아연의 저항은 마이크로초 단위로 몇 배나 떨어집니다. 현재의 홍수는 어레스터를 통해 보호 장비를 우회하여 지면으로 유입됩니다. 서지가 끝나고 전압이 다시 정상으로 떨어지면 저항이 다시 올라가고 피뢰기는 다시 조용해집니다.

이전 설계에서는 산화아연 대신 스파크 갭과 탄화규소 디스크를 사용했으며 이전 설치에서도 이러한 것을 여전히 찾을 수 있습니다. 예를 들어 로드 갭 어레스터는 두 개의 금속 로드가 서로 가깝게 배치되어 있으며 그 사이에 작은 에어 갭이 있습니다. 전압이 충분히 높아지면 공기가 이온화되고 스파크가 틈을 뛰어넘어 방전 경로를 제공합니다. 간단하고 견고하지만 부정확하며 아크가 깨끗하게 소멸되지 않아 시스템에 후속 문제가 발생할 수 있습니다.- 밸브- 유형 어레스터는 서지 후 후속 전류를 제한하는 데 도움이 되는 실리콘 카바이드 블록을 추가하여 로드 갭 설계를 개선하면서도 MOV 기술이 최종적으로 제공할 수 있는 수준에는 여전히 미치지 못합니다.

아래 표는 발생할 수 있는 주요 어레스터 유형을 간략하게 비교한 것입니다.

주택 자재가 사소한 세부 사항이 아닌 이유

20세기 대부분 동안 피뢰기 하우징은 도자기나 강화 유리로 만들어졌습니다. 두 재료 모두 깨끗하고 안정적인 환경에서 적절하게 작업을 수행합니다. 그러나 적절함은 이상적인 것과 같지 않으며 수십 년에 걸친 현장 경험을 통해 한계가 분명해졌습니다.

도자기는 무겁습니다. 어려운 지형을 통과하는 송전탑에서는 도자기 피뢰기의 무게가 더해집니다. 더 중요한 것은 극심한 서지 조건에서 장치가 고장 나면 도자기가 격렬하게 부서진다는 것입니다. 활선 변전소 구조물에서 폭발하는 도자기 하우징은 근처에서 작업하는 사람에게 심각한 위험을 초래하고 주변 장비에 2차 결함을 유발할 수 있습니다.

유리에도 비슷한 문제가 있습니다. 두 물질 모두 시간이 지남에 따라 오염을 축적하며, 특히 염수 분무가 표면에 침전되는 해안 지역이나 화학 오염물질이 흔히 발생하는 산업 현장 근처에서는 더욱 그렇습니다. 더러운 도자기나 유리 표면은 습한 날씨에 플래시오버를 일으킬 만큼 전도성이 충분히 높아질 수 있으며, 이는 애초에 피뢰기의 목적을 무산시킵니다.

폴리머 하우징, 특히 실리콘 고무 복합재로의 전환은 이러한 문제의 대부분을 실용적인 방법으로 해결했습니다. 에이폴리머 피뢰기일반적으로 동일한 정격 전압의 도자기 제품보다 무게가 80~90% 가볍습니다. 실리콘 고무 표면은 자연적으로 소수성이므로 얇은 전도성 필름으로 물이 퍼지는 대신 물방울이 떨어져 나옵니다. 이러한 소수성은 표면이 오염되고 세척된 후에도 회복되는데 이는 세라믹 소재에는 없는 특성입니다.

폴리머 어레스터가 실패하면 통제된 방식으로 실패합니다. 하우징이 폭발하지 않고 균열이 생기거나 통풍구가 나옵니다. 이는 직원의 안전과 주변 장비의 연속적인 손상 방지 측면에서 매우 중요합니다.

이 중 어느 것도 도자기 어레스터가 더 이상 사용되지 않는다는 의미는 아닙니다. 이 제품은 여전히 ​​많은 기존 설치에서 안정적으로 작동하며 열 특성이 이점을 제공하는 응용 분야가 있습니다. 그러나 신축 공사, 특히 까다로운 환경의 실외 배전선에서 폴리머 하우징에 대한 엔지니어링 사례를 반박하기는 어렵습니다.

VICTORY 폴리머 피뢰기

설치 및 접지

적절하게 접지되지 않은 어레스터는 실제로 아무것도 보호하지 못합니다. 장치는 원하는 대로 서지 전류를 접지 단자로 전환할 수 있지만 접지 전극의 저항이 높거나 어레스터를 접지에 연결하는 도체가 너무 길면 서지 에너지가 충분히 빨리 소멸되지 않고 손상을 주는 전압이 보호 장비 전체에 계속해서 나타납니다.

접지 도체는 가능한 한 짧고 직접적이어야 합니다. 도체의 추가 미터마다 인덕턴스가 추가되며 이는 서지 조건에서 추가 전압으로 변환됩니다. 구동 막대, 매설 플레이트 또는 건물 기초의 콘크리트로 둘러싸인 전극이든 접지 전극 자체는 시스템의 보호 요구 사항을 충족할 수 있을 만큼 낮은 저항을 달성해야 합니다. 대부분의 배전 애플리케이션에서 이는 접지 저항이 10Ω 이하임을 의미하며, 민감한 전자 설비에서는 목표가 1Ω 미만인 경우가 많습니다.

변전소에서는 각 변압기 터미널과 모든 들어오고 나가는 라인에 피뢰기가 설치됩니다. 이러한 위치 지정을 통해 선로를 따라 이동하는 서지가 변전소에서 가장 비싸고 교체가 가장 적은 구성 요소인 변압기 권선에 도달하기 전에 차단할 수 있습니다. 주거용 및 경상업용 건물에서는 서비스 입구 패널에 있는 전체{2}}건물 어레스터가 표준 접근 방식이며 때로는 서버나 의료 기기와 같은 민감한 장비의 사용 지점 장치로 보완되기도 합니다.

올바른 피뢰기 선택

전압 정격만을 기준으로 어레스터를 선택하는 것은 흔한 실수입니다. 여러 매개변수가 애플리케이션과 일치해야 합니다.

연속 작동 전압(COV)은 결함 상태에서 발생하는 모든 전압 상승을 포함하여 정상적인 시스템 작동 중에 어레스터가 볼 수 있는 최대 연속 전압과 최소한 같아야 합니다. COV의 크기를 줄이면 열 폭주가 발생하여 피뢰기가 정상 전압에서 가열되어 결국 작동하지 않게 됩니다.

에너지 등급은 피뢰기가 손상되지 않고 흡수할 수 있는 서지 에너지의 양을 결정합니다. 노출된 언덕 꼭대기 송전선의 어레스터와 같이 자주 또는 높은 에너지 충격에 직면하는 장치는 낮은-노출 환경에서 실내 패널을 보호하는 장치보다 더 높은 에너지 등급이 필요합니다.

정격 방전 전류에서의 잔류 전압으로 표현되는 보호 수준은 서지 중에 보호 장비가 실제로 얼마나 많은 전압을 보게 될지를 결정합니다. 잔류 전압이 낮을수록 민감한 장비에 대한 보호 수준이 향상되지만 일반적으로 가격이 높아집니다. 보호 수준은 다운스트림의 충격 저항 등급과 일치해야 합니다.

고분자 피뢰기 제품 라인은 넓은 전압 범위에 걸쳐 이러한 선택 요구 사항 중 다수를 해결하며, 실외 배전 응용 분야의 경우 MOV 기술과 실리콘 고무 하우징의 조합은 어려운 환경에서 성능, 무게 및 장기 신뢰성 측면에서 현대 전력망 운영자가 찾고 있는 대부분을 충족합니다.{0}}

표준에 대한 참고 사항

유틸리티 및 산업용 애플리케이션용 어레스터는 시장에 따라 IEC 60099 또는 IEEE C62에 대해 테스트되었습니다. 이러한 표준은 반복적인 낙뢰를 시뮬레이션하는 작동 의무 테스트부터 장기간에 걸쳐 하우징을 염무 및 산업 오염 물질에 노출시키는 오염 테스트까지 모든 것을 다룹니다. 이러한 표준에 대한 인증을 받은 어레스터를 구입하는 것은 대부분의 전문 응용 분야에서 선택 사항이 아닙니다. 이는 실제 급증이 발생했을 때 장치가 실제로 주장된 대로 작동할 것이라는 확신을 가질 수 있는 유일한 방법입니다.

변전소 보호 계획에 대한 비용을 절약하기 위해 인증되지 않은 피뢰기를 구입하는 것은 잘못된 경제입니다. 고장난 변압기 또는 스위치기어 조립 비용은 어레스터 비용보다 몇 배나 작아집니다.

마무리 생각

낙뢰 보호는 엔지니어링이 잘 이해되고 작업을 적절하게 수행하는 도구가 존재하고 널리 사용 가능한 분야 중 하나입니다. 낙뢰 보호에 있어서 대부분의 실패는 기술이 부적절해서가 아니라 설계 또는 설치 중에 모서리가 절단되거나, 환경에 맞게 잘못된 제품이 지정되거나, 접지 시스템이 눈에 띄지 않고 매력이 없어 무시되는 경우에 발생합니다.

피뢰기는 올바른 위치에 올바른 정격으로 올바르게 설치되고 견고한 접지에 연결되어 기본적으로 유지 관리가 필요 없이 수십 년 동안 전기 인프라를 보호합니다. 이는 적당한 투자에 대한 합리적인 수익이며 아마도 이 장치가 배전 초기부터 전력 시스템 설계의 표준 부분이었던 이유일 것입니다.