소개
현대 전기 시스템에서 과전압으로부터 장비를 보호하는 것은 운영 연속성과 안전에 매우 중요합니다. “서지 어레스터”와 “피뢰기”라는 용어가 종종 같은 의미로 사용되지만, 이러한 장치는 포괄적인 보호 전략에서 뚜렷한 목적을 수행합니다. 효과적인 전기 보호 시스템을 설계하는 엔지니어, 시설 관리자 및 조달 전문가에게는 서지 어레스터와 피뢰기의 차이점을 이해하는 것이 필수적입니다.
낙뢰는 여전히 자연의 가장 파괴적인 힘 중 하나이며, 100,000암페어를 초과하는 순간적인 서지를 전달할 수 있습니다. 그러나 전기 시스템은 스위칭 과도 현상, 전력 변동 및 유도 과전압을 포함한 수많은 다른 위협에 직면해 있습니다. 이 기사에서는 피뢰기와 서지 어레스터 간의 기술적 차이점을 명확히 하고, 각자의 적용 분야를 검토하며, 시설에 적합한 보호 장치를 선택하기 위한 지침을 제공합니다.
피뢰기란 무엇입니까?
정의 및 주요 목적
피뢰기는 직간접적인 낙뢰로부터 전기 인프라를 보호하도록 특별히 설계된 보호 장치입니다. 주요 임무는 낙뢰로 인한 막대한 전기 서지를 차단하고 이 엄청난 전류를 안전하게 접지로 전환하여 구조물, 송전선 및 연결된 장비에 대한 치명적인 손상을 방지하는 저저항 경로를 제공하는 것입니다.
피뢰기는 일반적으로 서비스 입구, 옥상, 가공 전력선 및 직격 낙뢰에 대한 노출이 가장 높은 변전소에 설치됩니다. 이러한 장치는 종종 10,000암페어(10kA)를 초과하는 매우 높은 방전 전류를 처리하도록 설계되었으며, 낙뢰 이벤트의 특징인 매우 가파른 파면을 가지고 있습니다.
작동 원리
피뢰기는 전압 의존 임피던스 특성을 기반으로 작동합니다. 정상 작동 조건에서 어레스터는 높은 임피던스를 유지하고 회로 작동에 영향을 미치지 않습니다. 낙뢰로 인한 전압 서지가 어레스터의 임계 전압을 초과하면 장치는 빠르게 저임피던스 상태로 전환되어 접지로의 선호되는 전도 경로를 만듭니다.
이 방전 프로세스는 민감한 장비에서 낙뢰 전류를 전환하여 전압을 안전한 수준으로 제한합니다. 서지가 지나가면 어레스터는 자동으로 고임피던스 상태로 돌아가 중단 없이 정상적인 시스템 작동을 복원합니다. 최신 피뢰기는 우수한 비선형 전압-전류 특성 및 자체 복원 기능을 제공하는 금속 산화물 배리스터(MOV) 기술, 주로 산화아연(ZnO)을 사용합니다.
서지 어레스터란 무엇입니까?
정의 및 주요 목적
서지 보호 장치(SPD) 또는 과도 전압 서지 억제기(TVSS)라고도 하는 서지 어레스터는 내부 시스템 장애로 인한 과도 과전압으로부터 전기 및 전자 장비를 보호하도록 설계되었습니다. 이러한 장애에는 스위칭 작업, 커패시터 뱅크 스위칭, 모터 시동, 부하 변동 및 간접적인 낙뢰 유도 서지가 포함됩니다.
직접적인 고에너지 낙뢰를 처리하는 피뢰기와 달리 서지 어레스터는 전기 분배 시스템 내에서 발생하는 더 작고 더 빈번한 전압 스파이크를 처리합니다. 전기 패널 내부, 분기 회로 및 작동 과도 현상으로부터 보호가 필요한 중요한 부하 근처의 민감한 장비에 더 가깝게 설치됩니다.
작동 원리
서지 어레스터는 전기 시스템의 전압을 지속적으로 모니터링하여 작동합니다. 정상적인 조건에서 장치는 회로 작동에 미치는 영향이 최소화된 고임피던스 상태를 유지합니다. 스위칭 이벤트 또는 유도 서지로 인한 과도 과전압이 감지되면 서지 어레스터는 임피던스를 빠르게 줄여 전압을 안전한 수준으로 고정하고 과도한 전류를 접지로 전환합니다.
클램핑 전압(전압 보호 수준 또는 Up이라고도 함)은 서지 이벤트 중에 보호된 장비 단자에 나타나는 최대 전압을 결정하는 중요한 사양입니다. 고품질 서지 어레스터는 빠른 응답 시간(일반적으로 나노초에서 마이크로초)과 정밀한 전압 제한을 제공하여 민감한 전자 부품을 손상이나 열화로부터 보호합니다.
피뢰기와 서지 어레스터의 주요 차이점
포괄적인 비교
두 장치 모두 과전압으로부터 보호하지만 설계, 적용 및 보호 기능은 크게 다릅니다.
| 측면 | 피뢰기 | 서지 어레스터 |
|---|---|---|
| 주요 목적 | 직접적인 낙뢰 및 관련 고에너지 서지로부터 보호 | 스위칭 과도 현상 및 작동 과전압으로부터 보호 |
| 보호 범위 | 외부 전기 인프라, 서비스 입구, 가공선 | 내부 장비, 분기 회로, 민감한 전자 장치 |
| 에너지 처리량 | 매우 높음(최대 100+ kA의 전류 처리) | 중간에서 낮음(일반적으로 유형에 따라 5-40 kA) |
| 전압 범위 | 고전압 시스템(3 kV ~ 1000 kV); 저전압(0.28-0.5 kV) | 주로 저전압(≤1.2 kV, 일반적으로 220-380V) |
| 설치 위치 | 서비스 입구, 변전소, 송전탑, 옥상 | 분배 패널, 분기 회로, 보호된 장비 근처 |
| 응답 시간 | 빠름(마이크로초) | 매우 빠름(나노초에서 마이크로초) |
| 전류 파형 | 10/350 μs(낙뢰 임펄스) | 8/20 μs(스위칭 서지) |
| 표준 | IEEE C62.11, IEC 60099-4 | IEC 61643-11, UL 1449, IEEE C62.62 |
| 물리적 크기 | 외부 절연 요구 사항으로 인해 더 큼 | 컴팩트하고 패널 장착에 적합 |
| 적용 맥락 | 낙뢰에 대한 첫 번째 방어선 | 2차/3차 보호 계층 |
기능적 차이
피뢰기 는 직접적인 낙뢰로 인한 막대하고 순간적인 에너지 방전을 처리하도록 특화되어 있습니다. 극도로 가파른 상승 시간(마이크로초)으로 피크 전류를 견디고 10메가줄을 초과할 수 있는 에너지를 안전하게 소산해야 합니다. 그들의 구조는 높은 방전 용량과 견고한 외부 절연을 우선시합니다.
서지 피뢰기 는 정상적인 시스템 작동 중에 발생하는 더 작고 더 빈번한 과도 과전압을 억제하는 데 중점을 둡니다. 반복적인 서지 노출로 인한 열화로부터 민감한 전자 회로, 계측 및 제어 시스템을 보호하기 위해 미세 조정된 전압 클램핑을 제공합니다.
피뢰기의 종류
1. 로드 갭 피뢰기
미리 결정된 갭 거리가 있는 로드 전극을 특징으로 하는 가장 간단한 설계입니다. 전압이 항복 임계값을 초과하면 갭을 가로질러 아크가 형성되어 서지 전류를 접지로 전도합니다. 이러한 어레스터는 후속 전류를 효과적으로 차단할 수 없기 때문에 적용이 제한적이며 주로 저전압 시스템에 사용됩니다.
2. 혼 갭 피뢰기
공기 갭으로 분리된 두 개의 혼 모양 전극을 특징으로 하는 로드 갭 설계의 개선입니다. 낙뢰가 발생하면 아크가 가장 좁은 지점에서 형성된 다음 전자기력과 열 대류로 인해 상승합니다. 갭 거리가 증가하면 아크를 자연스럽게 소멸시키는 데 도움이 됩니다. 혼 갭 어레스터는 중전압 애플리케이션(일반적으로 최대 33kV)에 적합합니다.
3. 다중 갭(배출형) 피뢰기
이 설계는 섬유 튜브 또는 챔버가 있는 여러 개의 직렬 갭을 통합합니다. 작동 중 아크는 아크를 소멸시키고 후속 전류를 차단하는 데 도움이 되는 가스 압력을 생성합니다. 다중 갭 어레스터는 단순 갭 유형보다 더 나은 보호 기능을 제공하지만 최신 설계로 크게 대체되었습니다.
4. 밸브형 피뢰기
스파크 갭과 직렬로 비선형 저항(일반적으로 실리콘 카바이드)을 통합한 중요한 발전입니다. 비선형 저항은 서지 조건에서 낮은 저항을 제공하고 정상 작동 중에는 높은 저항을 제공하여 후속 전류를 효과적으로 제한합니다. 밸브형 어레스터는 우수한 보호 특성을 제공하며 중전압 및 고전압 애플리케이션에 널리 사용되었습니다.
5. 금속 산화물(MOV) 피뢰기
오늘날 가장 발전되고 널리 사용되는 기술인 금속 산화물 어레스터는 직렬 갭 없이 산화아연(ZnO) 배리스터 요소를 사용합니다. 산화아연의 고도로 비선형적인 전압-전류 특성은 다음을 제공합니다.
- 우수한 서지 흡수 능력
- 후속 전류 문제 없음
- 우수한 전압 제한 성능
- 성능 저하를 최소화한 긴 서비스 수명
- 컴팩트한 디자인
- 서지 이벤트 후 자체 복원
MOV 어레스터는 저전압(1kV 미만)에서 초고전압(800kV 초과)에 이르는 모든 전압 레벨에 사용할 수 있으며 최신 전기 시스템의 산업 표준이 되었습니다.
서지 어레스터의 종류(서지 보호 장치)
IEC 61643-11 및 관련 표준에 따라 서지 어레스터는 보호 수준 및 일반적인 설치 위치에 따라 분류됩니다.
유형 1(클래스 I) SPD
특성:
- 10/350 μs 임펄스 파형으로 테스트됨
- 최고 에너지 흡수 능력
- 직격뢰 전류를 처리하도록 설계됨
- 일반적인 임펄스 전류 (Iimp): 25 kA ~ 100 kA
- 최대 방전 전류: 50 kA ~ 100 kA
애플리케이션:
- 서비스 입구의 주 배전반
- 외부 낙뢰 보호 시스템 (LPS)이 있는 건물
- 낙뢰 위험이 높은 지역의 시설
- 1차 보호 계층 (LPZ 0 ~ LPZ 1 전환)
Type 2 (Class II) SPD
특성:
- 8/20 μs 임펄스 파형으로 테스트됨
- 중간 정도의 에너지 흡수
- 간접 낙뢰 및 스위칭 서지로부터 보호
- 일반적인 공칭 방전 전류 (In): 5 kA ~ 40 kA
- 가장 일반적으로 사용되는 SPD 유형
애플리케이션:
- 하위 배전반
- 산업 제어 패널
- 상업용 전기 설비
- 2차 보호 계층 (LPZ 1 ~ LPZ 2 전환)
Type 3 (Class III) SPD
특성:
- 복합파 (1.2/50 μs 전압, 8/20 μs 전류)로 테스트됨
- 최저 에너지 용량
- 민감한 장비를 위한 미세 조정 보호
- 일반적인 방전 전류: 1.5 kA ~ 10 kA
- 매우 낮은 전압 보호 수준
애플리케이션:
- 민감한 장비 근처의 콘센트
- 최종 분기 회로
- IT 장비, 계측 및 제어 시스템
- 3차 보호 계층 (LPZ 2 ~ LPZ 3 전환)
조정된 SPD 보호
현대적인 보호 전략은 여러 보호 영역 (낙뢰 보호 영역 – LPZ)에 걸쳐 캐스케이드 또는 조정된 SPD 설치를 구현합니다. 서비스 입구의 Type 1 SPD는 고에너지 서지를 처리하고, 배전반의 Type 2 SPD는 중간 보호를 제공하며, 최종 사용 위치의 Type 3 SPD는 중요한 장비에 대한 최종 미세 보호를 제공합니다.
기술 사양 비교
| 매개변수 | 피뢰기 | 서지 어레스터 (SPD) |
|---|---|---|
| 정격 전압 | 3 kV ~ 1000 kV (HV); 0.28-0.5 kV (LV) | ≤1.2 kV; 일반적으로 230-690V AC |
| 최대 연속 작동 전압(MCOV) | 시스템에 따라 다름, 일반적으로 0.8-0.84 pu | 1.05-1.15 × 공칭 전압 |
| 방전 전류 용량 | 10 kA ~ 100+ kA (10/350 μs) | Type 1: 25-100 kA; Type 2: 5-40 kA; Type 3: 1.5-10 kA (8/20 μs) |
| 전압 보호 수준(Up) | 장비 BIL과 조정됨 | ≤2.5 × 시스템 전압 |
| 응답 시간 | <100 나노초 (MOV 유형) | <25 나노초 (Type 3); <100 나노초 (Type 1/2) |
| 에너지 흡수 | 매우 높음 (>10 MJ) | Type 1: 높음 (250-500 kJ); Type 2: 중간 (50-150 kJ); Type 3: 낮음 |
| 후속 전류 차단 | 자가 소화 (MOV 유형) | 자가 소화 |
| 작동 온도 범위 | -40°C ~ +60°C | -40°C ~ +85°C |
| 서비스 수명 | 20-30년 | 10-25년 (서지 노출에 따라 다름) |
| 주요 구성 요소 | ZnO 배리스터, 세라믹 하우징 | MOV, GDT (가스 방전 튜브), TVS 다이오드, 필터 |
응용 분야 및 설치 위치
피뢰기 응용 분야
전력 전송 및 배전:
- 가공 송전선 (모든 전압 레벨)
- 전기 변전소 (HV, MV, LV)
- 배전 변압기
- 패드 장착 변압기
- 폴 장착 라이저 폴
산업 시설:
- 낙뢰가 잦은 지역의 제조 공장
- 화학 및 석유 화학 시설
- 채굴 작업
- 물 처리 공장
- 중공업 단지
인프라:
- 통신 타워
- 철도 전철화 시스템
- 공항 시설
- 태양열 및 풍력 발전 단지 집전 시스템
서지 보호 장치(SPD) 적용 분야
상업용 건물:
- 오피스 빌딩
- 쇼핑 센터
- 호텔 및 숙박 시설
- 의료시설
- 교육 기관
산업 제어 시스템:
- 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)
- 분산 제어 시스템(DCS)
- 가변 주파수 드라이브(VFD)
- 모터 제어 센터
- SCADA 시스템
IT 및 통신:
- 데이터 센터
- 서버 룸
- 네트워크 장비
- 통신 시스템
- 빌딩 자동화 시스템
재생 에너지:
- 태양광(PV) 시스템
- 풍력 터빈 시스템
- 에너지 저장 시스템
- 마이크로그리드
Standards and Compliance
국제 표준
IEC 표준:
- IEC 61643-11: 저전압 SPD 요구 사항 및 시험 방법(서지 보호 장치에 대한 기본 표준)
- IEC 60099-4: AC 시스템용 갭 없는 금속 산화물 서지 보호 장치(피뢰기)
- IEC 62305: 낙뢰 보호(전체 보호 시스템 설계)
IEEE 표준:
- IEEE C62.11: AC 전원 회로용 금속 산화물 서지 보호 장치(피뢰기)
- IEEE C62.41: 서지 환경 특성화
- IEEE C62.62: SPD에 대한 시험 사양
- IEEE C62.72: SPD 적용 지침
지역 표준:
- UL 1449 (4판): SPD에 대한 미국 표준
- EN 61643-11: IEC 표준의 유럽 채택
- CSA C22.2 No. 269: 캐나다 SPD 표준
준수 고려 사항
피뢰기 또는 서지 보호 장치를 지정할 때는 다음 사항을 준수해야 합니다.
- 전압 레벨 요구 사항 시스템에 적합
- 방전 전류 용량 예상되는 서지 환경과 일치
- 전압 보호 수준 장비 절연 내력과 호환
- 온도 정격 설치 환경에 적합
- 인증 마크 공인 시험 기관(UL, CE, TÜV, CB)에서 획득
- 설치 기준 NEC Article 285(미국) 또는 현지 전기 규정에 따름
자주 묻는 질문(FAQ)
1. 서지 보호 장치가 피뢰기를 대체할 수 있습니까?
아니요, 서지 보호기는 직격뢰 보호를 위해 피뢰기를 대체할 수 없습니다. 피뢰기가 작은 서지에 대한 어느 정도의 보호를 제공할 수 있지만, 서지 보호기는 직격뢰를 안전하게 처리하는 데 필요한 높은 방전 전류 용량(10/350 μs 파형)이 부족합니다. 포괄적인 보호를 위해서는 조정된 시스템에서 두 장치가 모두 필요합니다. 주 보호를 위한 서비스 입구에 피뢰기를 설치하고, 2차 보호를 위해 배전 및 최종 사용 위치에 서지 보호기를 설치해야 합니다.
2. 어떤 유형의 SPD(Type 1, 2 또는 3)가 필요한지 어떻게 결정합니까?
SPD 선택은 낙뢰 보호 구역(LPZ) 개념에 따라 달라집니다.
- 유형 1 SPD: 외부 낙뢰 보호 시스템이 있는 건물 또는 낙뢰 위험이 높은 지역의 LPZ 0-1 경계(서비스 입구)에 설치
- 유형 2 SPD: 일반 건물 보호를 위해 LPZ 1-2 경계(배전반, 하위 보드)에 설치
- 유형 3 SPD: 추가 보호가 필요한 경우 LPZ 2-3 경계(민감한 장비 근처)에 설치
대부분의 시설에는 최소 Type 2 SPD가 필요합니다. LPS가 있거나 위험이 높은 지역에 있는 경우 Type 1을 추가하십시오. 중요한 전자 장비에는 Type 3을 포함하십시오.
3. MOV와 GDT 서지 보호 기술의 차이점은 무엇입니까?
금속 산화물 배리스터(MOV):
- 산화 아연을 사용하는 전압 의존 저항기
- 뛰어난 에너지 흡수
- 낮은 클램핑 전압
- 반복적인 서지로 인해 점진적으로 저하됨
- 고에너지 서지 억제에 가장 적합
가스 방전관(GDT):
- 전극이 있는 가스 충전 세라믹 튜브
- 매우 높은 서지 전류 용량
- 더 높은 클램핑 전압
- 느린 응답 시간
- 통신 및 신호 라인에 이상적
최신 SPD는 종종 두 기술을 결합합니다. 높은 전류 용량을 위한 GDT와 빠른 응답 및 전압 클램핑을 위한 MOV.
4. 피뢰기와 서지 보호기는 얼마나 자주 테스트하거나 교체해야 합니까?
피뢰기:
- 육안 검사: 매년
- 전기 테스트 (절연 저항, 전원 주파수 전압): 1-3년마다
- 교체: 20-30년 또는 심각한 낙뢰 발생 후
- 장착된 경우 상태 표시기 모니터링
서지 보호기 (SPD):
- 육안 검사: 6-12개월마다
- 상태 표시기 확인 (있는 경우): 매월
- 전기 테스트: 제조업체 권장 사항에 따름
- 교체: 심각한 서지 발생 후 또는 표시기에 고장이 나타날 때
- 일반적인 수명: 서지 노출에 따라 10-25년
장치 상태를 추적하기 위해 모든 유지 보수 활동 및 서지 이벤트 카운터 (사용 가능한 경우)를 문서화하십시오.
5. 피뢰기 또는 SPD가 고장나면 어떻게 됩니까?
고장 모드는 설계에 따라 다릅니다.
안전한 고장 (선호):
- 내장된 열 차단기가 작동합니다.
- 장치가 개방 회로가 됩니다.
- 시각적/전기적 표시기가 고장을 알립니다.
- 시스템은 계속 작동하지만 서지 보호는 제공되지 않습니다.
치명적인 고장:
- 단락 상태가 발생할 수 있습니다.
- 상류 과전류 보호 (퓨즈/브레이커) 장치를 격리해야 합니다.
- 열 보호가 부적절한 경우 화재 위험
VIOX Electric과 같은 평판이 좋은 제조업체의 고품질 장치는 열 차단기, 압력 릴리프 및 고장 표시기를 포함한 여러 안전 장치를 통합하여 안전한 고장 모드를 보장합니다.
6. 시설에 지하 전원 공급 장치가 있는 경우 낙뢰 보호가 필요합니까?
예, 지하 공급 장치가 있더라도 낙뢰 보호는 여전히 중요합니다. 지하 케이블은 전력선에 대한 직접적인 낙뢰 위험을 제거하지만 낙뢰는 다음과 같은 방식으로 시설에 여전히 영향을 미칠 수 있습니다.
- 건물 구조 자체에 대한 낙뢰
- 토양을 통해 전파되는 인근 낙뢰로 인한 유도 서지
- 통신선, 수도관 또는 기타 도체를 통해 유입되는 서지
- 유틸리티 그리드 작동으로 인한 스위칭 과도 현상
최소 보호 장치로 Type 2 SPD를 설치하십시오. 건물에 외부 낙뢰 보호 시스템이 있거나 위험이 높은 지역에 있는 경우 Type 1 SPD를 고려하십시오.
결론: 포괄적인 서지 보호에 대한 VIOX Electric의 약속
서지 보호기와 피뢰기의 차이점을 이해하는 것은 효과적인 전기 보호 시스템을 설계하는 데 기본입니다. 피뢰기는 서비스 입구에서 직접적인 낙뢰 및 고에너지 서지에 대한 첫 번째 방어선 역할을 하는 반면, 서지 보호기는 시설의 배전 네트워크 전체에서 작동 과도 현상 및 유도 과전압에 대한 중요한 2차 보호를 제공합니다.
포괄적인 서지 보호 전략에는 IEC 61643-11, IEEE C62.11 및 해당 지역 표준에 따라 적절하게 지정된 두 기술의 조정된 배포가 필요합니다. 선택은 전압 레벨, 방전 전류 용량, 전압 보호 레벨 및 특정 애플리케이션 요구 사항을 고려해야 합니다.
VIOX Electric 는 엄격한 국제 표준을 충족하도록 설계된 고품질 피뢰기 및 서지 보호 장치 제조를 전문으로 합니다. 당사의 제품 포트폴리오에는 다음이 포함됩니다.
- 모든 전압 등급의 금속 산화물 피뢰기
- Type 1, Type 2 및 Type 3 서지 보호 장치
- 산업, 상업 및 재생 에너지 애플리케이션을 위한 조정된 서지 보호 솔루션
- 특수 보호 요구 사항을 위한 맞춤형 설계
당사의 기술 팀은 시설의 특정 위험 프로필 및 운영 요구 사항에 맞춘 최적의 심층 보호 전략을 설계하는 데 도움이 되는 전문가 상담을 제공합니다. 전기 시스템 보호에 대해 타협하지 마십시오. 신뢰할 수 있는 인증된 서지 보호 솔루션을 위해 VIOX Electric과 협력하십시오.
VIOX Electric에 문의 오늘 자세한 보호 시스템 평가를 위해 연락하여 당사의 고급 피뢰기 기술이 낙뢰 및 서지 이벤트로부터 중요한 인프라를 어떻게 보호할 수 있는지 알아보십시오.
