피뢰기(避雷器, lightning arrester, LA)는 전력 계통에서 낙뢰 또는 개폐 서지 등으로 발생하는 이상 과전압으로부터 전기 설비를 보호하기 위해 설치하는 장치이다. 영문 명칭인 lightning arrester를 줄여 LA라고도 표기한다.
정의 및 기능
피뢰기는 상용 주파수 범위의 정상 전압에 대해서는 대지 간에 절연을 유지하지만, 일정 수준 이상의 이상 전압이 침입하면 신속하게 방전하여 서지 전류를 대지로 흘려보냄으로써 전압 상승을 제한한다. 방전이 종료된 후에는 속류(續流, follow current)를 신속히 차단하여 계통이 정상 상태로 복귀하도록 하는 기능을 가진다. 즉, 과전압 발생 시 회로를 일시적으로 단락시켜 보호 대상을 보호하고, 이상이 사라지면 다시 절연 상태로 복귀하는 특성을 지닌다.
구성 및 원리
피뢰기는 기본적으로 특성요소(비직선 저항 소자)와 직렬갭(series gap)으로 구성된다. 평상시에는 직렬갭이 절연 상태를 유지하다가 이상 전압이 인가되면 갭이 방전을 개시하고, 특성요소를 통해 전류가 대지로 흐르면서 단자 간 전압을 제한전압 이하로 억제한다.
종류
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밸브저항형 피뢰기(SiC-Gap형): 탄화규소(SiC)를 주재료로 한 특성요소와 직렬갭을 조합한 방식이다. 정상 전압에서는 높은 저항을 유지하지만 대전류 통과 시 저항이 급격히 낮아지는 비직선 특성을 이용한다. 속류 차단을 위해 직렬갭이 필요하다.
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산화아연형 피뢰기(ZnO Gapless형): 산화아연(ZnO)을 주원료로 한 소결체를 특성요소로 사용한다. SiC에 비해 비직선 특성이 월등히 우수하여 정격 전압에서 누설 전류가 수십 μA 정도에 불과하므로 직렬갭 없이도 기능을 수행할 수 있다. 구조가 간단하고 소형·경량화가 가능하며 제한전압이 낮고 응답 속도가 빠르다는 장점이 있어 현재 발변전소용 및 배전선로용 피뢰기의 주류를 이루고 있다.
주요 특성 및 용어
- 정격전압(Rated Voltage): 피뢰기가 소정의 동작 책무를 수행할 수 있는 상용 주파수 전압의 최고 한도(실효값)이다. 속류를 차단할 수 있는 최고 교류 전압으로 정의되기도 한다.
- 공칭방전전류(Nominal Discharge Current): 피뢰기의 보호 성능 및 회복 성능을 표현하기 위해 사용하는 방전 전류의 규정치(파고값)이다.
- 제한전압(Residual Voltage): 피뢰기 방전 중 양단자 간에 잔류하는 충격 전압의 파고값이다. 피보호 기기의 기준충격절연강도(BIL)보다 충분히 낮아야 한다.
- 충격방전개시전압(Impulse Sparkover Voltage): 충격 전압 인가 시 피뢰기가 방전을 개시하는 순간의 전압이다.
- 속류(Follow Current): 방전 현상이 실질적으로 끝난 후에도 계통 전압에 의해 피뢰기에 계속 흐르는 상용 주파수 전류이다.
- 방전내량(Discharge Capacity): 피뢰기가 손상되지 않고 견딜 수 있는 방전 전류의 최대 허용 한계이다.
설치 및 적용
피뢰기는 보호 대상 기기(특히 주변압기)에 최대한 가깝게 설치하는 것이 원칙이다. 이격 거리가 멀어지면 진행파의 반사 현상으로 인해 피보호 기기 단자에 더 높은 전압이 가해질 수 있기 때문이다. 접지 저항은 가능한 한 낮게 유지해야 하며, 일반적으로 10Ω 이하(계통 전압에 따라 상이)로 시공한다. 피뢰기의 정격 전압은 계통의 접지 방식, 접지계수, 최고 전압 등을 고려하여 선정한다.
관련 표준
피뢰기에 관한 국제 표준으로는 IEC 60099 시리즈가 있으며, 한국에서는 KS C 4610(고압 피뢰기) 및 KEMC 1118(전력용 피뢰기) 등의 규격이 적용된다.
