낙뢰 vs 피뢰기: 전기 시스템에서의 주요 차이점

낙뢰는 흐리고 폭풍우 치는 날씨에 발생하는 자연 현상입니다. 낙뢰는 엄청난 빛을 낼 뿐 아니라 10kV/cm의 거대한 전위 기울기와 10kA~90kA 범위의 전류를 가집니다. 기술적으로는 “구름과 대지 사이, 구름 사이, 또는 같은 구름 내 전하 중심 사이의 방전”으로 정의됩니다.

구름이 대지나 인근 구름에 대해 높은 전위 기울기로 대전되면 매질의 절연 강도가 파괴되어 거대한 스파크가 발생합니다. 낙뢰 발생 메커니즘에는 여러 이론이 있지만, 가장 널리 받아들여지는 이론을 소개합니다. 따뜻한 공기가 상승하면서 공기와 미세한 물 입자 간 마찰로 전하가 축적됩니다. 물방울이 형성될 때 큰 방울은 양전하, 작은 방울은 음전하를 띱니다.

이 방울들이 구름에 쌓이면서 구름은 양전하 또는 음전하를 띠게 됩니다. 구름의 전하량이 커지면 다른 구름이나 대지로 방전되는데, 이 현상을 낙뢰라 합니다.

낙뢰 방전 메커니즘

대전된 구름이 대지 위를 지나면 대지에 동량의 반대 전하가 유기됩니다. 전위 기울기가 5~10kV/cm에 도달해 주변 공기가 절연 파괴되면 낙뢰 스트로크가 시작됩니다.

1. 공기가 파괴되자마자 리더 스트리머라 불리는 전하 흐름이 구름에서 대지로 향합니다. 전위 기울기가 유지되지 않으면 리더 스트리머가 중단되고 완전한 스트로크 없이 전하가 소멸합니다. (그림 a)
2. 많은 경우 리더 스트리머는 대지나 대지 상의 물체와 접촉할 때까지 계속됩니다. 리더 스트리머는 충분한 발광도를 가져 최초의 가시 방전을 만듭니다. (그림 b)
3. 리더 스트리머의 경로는 이온화 경로입니다. 완전한 절연 파괴가 일어나며, 음전하를 띤 하향 리더가 대지와 접촉하면 양전하를 띤 귀환 스트리머가 같은 경로로 상승합니다. 이 중성화 과정이 갑작스러운 스파크, 즉 낙뢰를 만듭니다. (그림 c)

피뢰기(서지 어레스터)의 종류와 기능:

접지 차폐선과 가공 지선은 직격뢰를 막아주지만, 기기까지 도달하는 진행파를 막기에는 부족합니다. 피뢰기 또는 서지 다이버터가 이러한 서지로부터 기기를 보호합니다.

기본적인 서지 어레스터는 직렬로 연결된 스파크 갭과 비선형 저항으로 구성됩니다. 한쪽 끝은 보호할 기기에, 다른 쪽은 접지에 연결됩니다. 정상 상태에서는 오프라인 상태로 전류를 흐르지 않지만, 낙뢰 발생 시 스파크 갭 공기가 이온화되어 대용량 전류를 접지로 흘려보냅니다.

피뢰기 종류:

• 봉 갭 어레스터: 가장 단순한 형태입니다. 두 개의 1.5cm 봉을 직각으로 구부려 간격을 두고 배치합니다. 한 봉은 선로에, 다른 한 봉은 접지에 연결합니다. 간격과 절연체 거리는 간격 길이의 1/3 이상이어야 아크가 절연체를 손상시키지 않습니다.

• 혼 갭 어레스터: 작은 공기 간격으로 분리된 두 개의 혼 모양 금속봉 A, B로 구성됩니다. 상단으로 갈수록 간격이 점차 벌어지도록 설계되어 있으며, 도자기 절연체에 장착됩니다. 한 끝은 직렬 저항 R과 초크 코일 L을 통해 선로에, 다른 끝은 확실하게 접지됩니다.

• 다중 갭 어레스터: 여러 금속 실린더가 절연되어 있고 작은 공기 간격으로 분리된 구조입니다. 첫 번째 실린더 A는 선로에, 마지막 실린더는 직렬 저항을 통해 접지에 연결됩니다. 간격을 저항으로 접지해 진행파 영향을 줄입니다. 33kV 이하 시스템에 설치 가능합니다.

• 추출형 어레스터: 33kV 이하 시스템에서 흔히 쓰이며 ‘보호관’이라고도 부릅니다. 기본 구조는 봉 갭과 파이버 튜브 내에 밀폐된 제2 갭이 직렬로 연결된 형태입니다. 파이버 튜브 갭은 두 전극으로 형성되며, 상단은 봉 캡에, 하단은 접지에 연결됩니다. 동작 시 파이버 소재가 소모되므로 동작 횟수가 제한적입니다.

• 밸브형 어레스터: 가장 중요하고 효과적인 피뢰기입니다. 1) 직렬 스파크 갭 어셈블리, 2) 비선형 저항 디스크(티라이트 또는 메트로실) 직렬 어셈블리로 구성되며, 둘 다 밀폐된 도자기 용기에 들어 있습니다.

EE 학생을 위한 완벽 가이드 | 전기 변전소는 어떻게 작동하는가?

코로나 효과가 가공 송전선에 미치는 영향