서지보호기(SPD)
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SPD (Surge Protective Device)

dot서지(surge)와 SPD의 개념

서지(Surge)란 급격한 상승속도에 비해 상대적으로 서서히 감소하는 특성을 갖는 전기에너지이며 낙뢰나 스위칭개폐로 인하여 발생한다. 서지가 회로에 유입되면 제품이 이상동작하거나 고장나고 수명이 짧아지게 되며 낙뢰에 의한 높은 전압의 서지는 전자제품을 완전히 파손시키기도 한다. 이러한 서지의 피해는 컴퓨터와 같이 회로가 매우 조밀하고 집적화된 전자제품류에서 더욱 크게 나타나며 오늘날 전자제품들이 고도로 정밀화되고 있는 이유로 그 피해는 더욱 커지고 있다. 낙뢰로 인하여 선로에 유입되는 서지는 일반적으로 높은 전압을 갖게 되는데 이러한 높은 전압이 특정경로에서 절연파괴를 일으키거나 과다한 전류를 유도하는 원인으로 작용하여 전자제품을 소손시킨다.

서지가 전원계통에 유입되는 경로는 다양한데 그 경우의 수는 세 가지 정도로 생각할 수 있다. 우선 전원계통의 어느 부분이 직접적으로 낙뢰를 맞는 경우이다. 대부분의 건물구조체나 피뢰침등이 이러한 직접적인 낙뢰에 대한 방호체역할을 하므로 흔히 볼 수 있는 경우는 아니나 일단 피해를 입게 되면 특별히 민감한 전기/전자설비가 아니더라도 온전하기를 기대하기는 어렵다.
낙뢰를 직접 맞지는 않았지만 근접한 위치에 낙뢰가 떨어진 경우에도 낙뢰피해를 입을 수 있다. 전기적으로 절연되어 있으면 피해가 없을 거라고 생각하기 쉽지만 매우 순간적인 고압의 전류가 흐를 때 발생되는 자기장의 변화로 인하여 직격뢰와 맞먹는 수준의 서지가 인근의 도체에 유도전류의 형태로 발생할 수도 있다. 이는 피해의 사례로서 가장 많으며 피해의 수준도 형태와 환경에 따라 차이가 많다.
낙뢰가 떨어지는 장소의 접지저항이 불량한 경우처럼 낙뢰전류가 접지를 통하여 충분히 해소될 수 있는 조건을 갖추지 못한 경우가 있을 수 있다. 이 때에는 주변의 또 다른 접지계통으로 서지가 역유입되어 장비를 소손시킬 수 있다.

실제 서지가 발생할 때 나타나는 전압/전류파형의 통계치를 일반화하여 실험등의 목적으로 사용한다. KS C IEC 61643-11 에서는 8/20㎲의 전류파형과 1.2/50㎲의 전압파형을 사용한다. /(슬래쉬)를 기준으로 앞의 숫자는 파형이 피크상태일 때의 시간(t)값이며 뒤의 숫자는 파형이 피크값에서 점차 줄어들어 절반(50%)의 수치에 이르렀을 때의 시간(t)값이다.(실제로는 규약원점과 같은 보다 상세한 설명이 필요하지만 크게 다르지 않다)


SPD(Surge Protective Device)란 이러한 서지로부터 장비를 보호하기 위하여 전원/신호계통에 설치하는 장치이다. 선로(또는 회로)에 서지가 유입되면 나노초(백만분의 1초)대의 반응속도로 SPD가 동작하여 순간적으로 선로를 접지시킨다. 이 때 대부분의 서지전류가 접지를 통하여 해소되므로 서지로 인하여 높아졌던 선로의 전압이 일정 부분 낮아진다. 부하단에 서지전압을 그대로 전달하지 않으므로 장비는 서지로 부터 보호받게 된다.

SPD는 피뢰시스템 및 접지시스템을 구축하기 위한 장비의 일부이다. 특히 접지가 체계적으로 구축되지 않은 장소에서는 SPD를 설치한다고 해도 효과를 기대하기 어렵다. 그러므로 낙뢰피해를 예방하기 위해 SPD를 사용하고자 할 때는 국제규격에 따라 올바른 접지환경을 구축한 후에 설치하는 것이 바람직하다. 적합한 제품을 선택하는 것 역시 매우 중요한데, 국제규격(IEC 또는 KS)에 부합하는 제품이 권장되며, KSCIEC 61643-12와 같은 기술문서를 참조하면 SPD의 선정, 적용 및 설치에 관한 좋은 정보를 얻을 수 있다. 신뢰성이 좋은 제품을 선택하여 국제표준에 따라 설치하면 그 만큼 낙뢰피해를 효과적으로 예방할 수 있다.

전원용 SPD를 선정하는데 있어서 국내의 접지계통이 일반적으로 TT계통인 것에 유의할 필요가 있다. TN의 접지환경에 국한하여 사용하도록 제조한 제품을 TT계통에 사용할 경우 고압TOV(Temporary Over Voltage)와 같은 고장전압에 대하여 SPD가 위험한 고장을 일으킬 수 있으며 이 때 폭발 또는 화재의 위험이 있다. KS(IEC)에서는 계통 구분에 따른 SPD의 TOV시험값을 구분하는데, TT접지환경에서 사용하도록 제조된 SPD에 대하여 고압 TOV 시험을 할 경우에는 더욱 가혹조건의 고장전압으로 시험하도록 규정한다. TN환경에 국한하여 사용하도록 제조된 SPD는 반드시 해당조건에서만 사용하며 국내에서는 일반적인 경우에는 모두 TT용으로 설계된 제품을 사용하는 것이 권장된다.

[낙뢰서지유입의 경로]



[8/20 서지전류의 파형]



[1.2/50 서지전압의 파형]



[SPD의 장비 보호원리]



dot관련용어

  • 시험등급:

    KS 또는 IEC에서는 SPD를 시험등급에 따라 'I등급, II등급, III등급’으로 분류한다.

  • 공칭방전전류(In) :

    II등급 SPD의 설계값. 8/20㎲의 파형 특성을 보인다. II등급 시험중 잔류전압시험, 동작책무시험과 같은 시험파라미터로 사용된다. SPD 제조자(설계자)가 제품의 특성에 따라 선언한다. 국제규격(IEC)에서는 ‘In’으로 표기한다.

  • 전압보호레벨(Up) :

    SPD 'In'의 범위에서 서지전류를 통전(通電)시킬 때의 전압(II등급에서). 이 수치는 SPD가 동작할 때 피보호장비가 영향을 받는 전압의 수위를 의미하므로 동일한 In에서 낮을 수록 양호한 수치다. 국제규격(IEC)에서는 ‘Up’로 표기한다. 시중에 공칭방전전류를 선언하지 않고 전압보호 레벨만을 1000V 미만으로 표시한 제품들이 많은데 낮은 전압보호수치에 소비자가 현혹될 수 있다. 제조자는 반드시 공칭방전전류 및 각각의 해당되는 보호모드와 함께 전압보호레벨을 표시하는 것이 바람직하다.

  • 최대연속사용전압(Uc) :

    SPD의 성능에 지장을 받지 않고 운용할 수 있는 최대의 전압이다. 국제규격(IEC)에서는 ‘Uc’로 표기한다. 사용자는 반드시 SPD를 설치할 환경의 전압보다 10-40%가량 높은 Uc값을 갖는 제품을 선택하여야 한다. 그렇지 않으면 SPD의 수명이 조기에 소진되거나 위험한 고장을 발생시킬 가능성이 있다.

  • 보호모드 :

    SPD가 설계(또는 설치)된 서지전류의 경로. 예) L-N(상-중선), N-PE(중선-접지)

  • 전압 제한형 SPD :

    서지와 같은 특정 전압 이상에만 반응하여 순간적으로 저항이 낮아지는 특성을 갖는 소자로 SPD를 구성한 경우로서 MOV와 같은 것들이 사용된다. MOV와 같은 소자는 특정전압 이하 에서는 높은 저항값을 보여 거의 전류를 흘리지 않지만 서지와 같은 높은 전압에 반응하여 순간적으로 저항이 낮아지는 특성을 보인다. 대부분의 전원용 SPD에는 MOV가 필수적으로 사용되며 소자의 품질이 SPD의 품질을 크게 좌우한다.

  • 전압 스위칭형 SPD :

    전압 제한형 SPD와 비슷하지만 일반적으로 흘릴 수 있는 서지전류용량이 상대적으로 크며 반응하는 속도가 다소 느리다. 정상적인 저항값으로 복귀하는 데 걸리는 시간이 조금 느린 문제점이 있다. 그러나 반응속도의 문제를 제외하면 MOV에 비하여 실질적인 서지에너지 해소량이 크기 때문에 SPD의 소자로서 많이 사용된다. 중성선(N), 접지선(PE)과 같이 전압이 걸리지 않는 선간에 사용하면 안전성과 전원공급의 지속성을 모두 갖추면서 서지로 부터 계통을 보호할 수 있다.

  • SPD 분리기 :

    SPD에 비정상적인 높은 전압이 가해지는 상황이 지속되면 SPD가 폭주하며 빠른속도로 가열되어 화재나 폭발사고의 위험성을 갖는다. 따라서 신속히 SPD를 선로에서 분리시켜 주는 장치가 필요하다. 이를 위하여 SPD마다의 특성에 맞는 전류차단기, 휴즈등이 사용된다. 일반적으로 위험상황에서 소자가 발생시키는 열적 특성을 이용하여 Thermal cut-off휴즈가 MOV와 밀착된 형태의 제품이 안전성이 높다.

  • SPD의 누설전류 :

    SPD가 운용기간이 길어져서 열화되거나 서지에 노출되는 정도가 누적되면 SPD를 통하여 누설전류가 발생한다. 약간의 누설전류는 문제가 되지 않을 수 있지만 경우에 따라서는 접지계통에 전압이 발생되어 인체에 위험할 수 있으며 화재의 가능성이 있으므로 SPD의 누설전류를 주기적으로 측정하여 필요한 경우에는 즉시 새 제품으로 교체하는 것이 좋다.

[MOV(왼쪽) 및 GDT(오른쪽)]


1) 카테고리 I : 옥내콘센트에 접속 기기(정보통신기기)

2) 카테고리 II : 옥내콘센트, 고정된 전기설비에 접속되는 기기(가전기기, 포터블 기기)

3) 카테고리 III : 옥내 고정된 전기설비에 접속되는 기기(케이블, 버스덕트, 접속함,
                        스위치, 콘센트등의 배선시스템, 공장등에서 영구적으로 접속되는 기기)

4) 카테고리 IV : 전기설비 인입점, 전력량계, 과전류보호장치를 포함한 가공선 등

[서지 강도에 따른 카테고리 구분]


설비의 공칭전압

필요한 임펄스 내전압

3상계통

단상계통

카테고리IV

카테고리III

카테고리II

카테고리I

-

220

4 2.5 1.5 0.8

220/380

-

6 4 2.5 1.5

[카테고리별 기기의 내전압]