풍력발전 및 PV에 관해서는 TC82(PV 시스템) 및 TC88(풍력 터빈), 전기설비에 관해서는 TC64(전기설비 미치 감전 보호)의 각 TC가 관련된 규격을 제정하고 있으며, 각각의 규격 중에서 뇌보호에 관한 규격도 제정됐다. 여기서는 IEC 규격에 대해 뇌보호에 관한 규격 및 재생 가능 에너지에 대한 뇌보호에 관해 개설한다.

2011년 동일본 대지진 이후 재생 가능 에너지 도입을 촉진하는 사례가 많아졌고, 특히 풍력발전 설비 및 태양광발전(이하 : PV) 설비가 각지에서 활발히 건설되고 있다. 한편으로는 이들 설비의 낙뢰 피해가 다발하고 있어 피해 방지 대책이 시급하다. 

고도정보화가 진행됨에 따라 사회에 낙뢰의 영향이 점점 증가하고 있어, 세계적으로도 피해 방지를 위한 대책을 연구하고 있다. 이 성과는 IEC(International Electrotechnical Commission, 국제전기표준협회) 규격으로 순차 제정되어 왔다. 

IEC 규격은 IEC 내의 관련 TC(Technical Committee, 전문위원회)에서 심의, 발행되고 있다. 뇌보호와 관련해서는 TC81(뇌보호)이 뇌보호에 관한 기본적인 규격을, 전기기기의 뇌보호용 피뢰기 및 저압 서지 방호 디바이스(이하 SPD)에 관해서는 TC37(피뢰기) 및 SC37(저압 SPD)가 각각 관련된 규격을 제정해 왔다. 

풍력발전 및 PV에 관해서는 TC82(PV 시스템) 및 TC88(풍력 터빈), 전기설비에 관해서는 TC64(전기설비 및 감전 보호)의 각 TC가 관련된 규격을 제정하고 있으며, 각각의 규격 중에서 뇌보호에 관한 규격도 제정됐다.

이렇게 제정된 IEC 규격에 대해 뇌보호에 관한 규격 및 재생 가능 에너지에 대한 뇌보호에 관해 개설한다.  

뇌보호의 기본(TC81 : IEC 62305 참조)

TC81에서는 뇌보호 대책의 기본을 규정하고 있으며, 구조물, 내부의 사람 및 전기·전자설비의 뇌보호에 대해 이 규격 시리즈가 기본 규격이 된다.

(1) IEC 62305-1 : 일반 원칙

이 규격은 뇌보호의 기본적 개념 및 공통적인 항목을 규정하고 있으며, 시리즈 전반의 일반 원칙이 된다. 적용 범위는 ‘내용물, 설비 및 사람을 포함하는 건축물’이지만, 내용적으로 다른 분야에 적용해도 상관없다. 

여기서는 먼저 뇌현상을 전자기적인 사고로 파악하여 과거의 관측 결과에서 낙뢰 시의 뇌전류 파라미터를 정의하여 이들 수치를 근거로 각종 해석, 시험 또는 시뮬레이션 등에 적용, 각종 보호 대상의 근거로 삼는다. 

뇌피해는 광범위하게 미치는데, 영향을 주는 낙뢰, 영향을 받는 대상물과 피해에 의한 손상·손실 등을 각각 종류별로 분류하고, 이에 관련된 리스크를 평가하여 허용 리스크와의 대비에 의해 뇌보호 대책의 필요성을 결정할 수 있다(IEC 62305-2 참조).

뇌보호 대책으로는 건물 및 사람을 대상으로 하는 경우는 LPS(IEC 62305-2 참조), 내부의 전기·전자설비를 대상으로 하는 경우는 SPM(IEC 62305-4 참조)을 설치한다. 

(2) IEC 62305-2 : 리스크 매니지먼트

자연재해인 뇌피해 방지를 위한 대책을 실시하는 데 있어 대상물에 대한 보호의 필요성을 판단하는 데서 시작해 필요하다고 판단되는 경우에는 인명의 위험, 사회적 영향의 정도 또는 문화적·경제적인 가치에 맞는 적절한 대책을 실시해야 한다. 

손상의 원인을 낙뢰 위치에 따라 4종류(S1~S4), 그 결과의 손상을 3종류(D1~D3), 그 결과의 손실을 4종류(L1 : 인명 손실, L2 : 공공 서비스 손실, L3 : 문화유산 손실, L4 : 경제적 가치의 손실)로 분류하고, 이에 대한 손실을 발생시킬 위험을 각각 R1~R4로 해 관련된 리스크 컴포넌트를 평가, 계산한다. 

이들 합계의 리스크(R)와 허용되는 리스크(RT)를 대비하여 허용 리스크를 초월하는 경우에는 대책을 강구해 허용 리스크 이하로 할 수 있다. 허용 리스크의 값은 각국의 관련 당국이 정할 수 있는데, 대표적인 값을 표 1에 나타냈다. 

▲ 표 1. 허용 리스크 RT의 대표적인 값

(3) IEC 62305-3 : 건축물의 물적 손상과 인명의 위험 

이 규격은 낙뢰에 의한 건축물의 물적 손상과 내부 인간의 보호를 목적으로 하며, 보호 대책으로서의 뇌보호 시스템(이하 LPS)의 상세에 대해 규정하고 있다. 

이 LPS에는 낙뢰의 직접적인 뇌격을 포착하여 뇌전류를 안전하고 신속하게 지중으로 방류하기 위한 외부 LPS 및 건물 내부의 인간의 감전 보호 및 화재나 폭발의 위험이 있는 유해한 불꽃 방전을 방지하기 위한 내부 LPS로 되어 있다. 이들 대책은 건축물에 한정되지 않고, 대상이 되는 공작물이나 구조물에 대해서도 효과적인 방법이다. 

외부 LPS는 수뢰부 시스템, 인하 도선 시스템, 접지 시스템으로 구성된다. 수뢰부 시스템에 의한 보호 범위는 회전구체법(그림 1 참조)에 의한 것이 기본이며 메시법, 각도법 등도 이용된다. 

▲ 그림 1. 회전구체법을 이용한 수전부 시스템의 설계

접지 시스템은 뇌전류를 지중으로 효율적으로 분산시켜 전위 경도를 최대한 작게 유지하도록 하기 위해 환상 접지나 메시 접지 등을 권장한다. 

그리고 접지 저항값에 관한 규정값은 없고, 건축물이 입지해 있는 토양의 저항률에 따른 접지극 시스템의 치수에 대해 규정하고 있다(그림 2 참조).

▲ 그림 2. 보호 레벨에 대응한 접지극의 최소 길이

내부 LPS는 뇌전류가 외부 LPS를 통과할 때 발생하는 유해한 과전압을 방지하기 위해 건축물 내의 금속간을 직접 접속하는 등전위 본딩이 기본적인 대책이다. 이 개념은 뇌보호의 기본이다. 특히 아래에서 설명하는 설비에 대한 대책으로도 효과가 높다. 

(4) IEC 62305-4 : 전기·전자 시스템

이 규격은 건물 내의 전기·전자 시스템의 뇌보호에 관한 것으로 뇌전류, 이에 기인하는 전자계 및 케이블 내에 발생한 서지(과도한 과전압 및 과전류)에 대해 특히 전자기기의 보호를 목적으로 한 보호 대책에 관해 규정하고 있다. 

우레 에너지로부터 전자기기를 지키기 위해서는 다음과 같은 방법이 기본이다. 

① 뇌보호 존(이하 LPZ)의 구축

우레에 의한 전자기적인 환경을 차폐나 SPD 등의 대책에 따라 구분하는 방법으로 우레의 강도를 단계적으로 저감하고, 보호해야 할 대상물에 적합한 환경을 구축하는 개념을 나타냈다(그림 3 참조).

▲ 그림 3. LPZ로 분할하는 기본적 원칙

② 접지와 본딩

이 방법은 뇌보호의 기본이 되는 것으로 특히 전자기기의 과전압 보호를 위한 등전위 본딩은 가장 기본적인 대책이다. 

③ 자기 차폐와 배선 루트

이 방법은 뇌전류에 따라 케이블 내에 발생하는 유도 서지의 억제에 효과가 있고, 아래에 설명하는 SPD의 설치에 대해 효과적인 처치이다. 

④ SPD의 설치

케이블 내에 침입한 서지(과도적 과전압)는 특히 과전압에 약한 전자기기를 파괴시킬 우려가 있다. 따라서 침입 서지를 피보호 기기의 임펄스 내전압 수준까지 제한할 수 있는 SPD를 설치하는 것이 필요하다. SPD의 설치에는 최단 접속선, 접지의 공통화, 설비의 인입구 또는 기기의 직전에 설치하는 등 유의하는 것이 중요하다. 

⑤ 절연화

내뢰 변압기 또는 광케이블을 이용한 서지 침입의 방지도, 서지 대책의 한 방법이다. 특히 신호 회로계에서의 광케이블 채용은 매우 효과가 있다. 

SPD(SC37 : IEC 61643 참조)

침입 서지를 접지 측에 분류하고, 일정 전압까지 제한함으로써 전자기기의 과전압 파괴를 방지하는 SPD는 내부에 비선형 소자를 하나 이상 내장하고 있다. 

종류는 전원회로용과 통신·신호회로용이 있고, 각각 적용하는 회로 전압에 따라 선정한다. 뇌전류의 분류용 또는 유도과전압 대응 등에 따라 종류가 나뉘며, 종류에 따라 규격이 정비되고 있으며 각 규격에 따라 적절한 SPD의 선정과 적용이 매우 중요하다. 

현재 PV용 DC(직류) 회로에 적용하는 SPD의 규격에 대해 IEC SC37A 위원회에서 심의하고 있으며, 가까이에 IEC 규격(IEC 61643-31, -32)으로서의 발행이 기대된다. 

PV 시스템에서의 DC 회로에서는 특유의 요건이 필요하고, 이에 대한 SPD의 특성과 시험 방법 및 선정과 적용 방법에 관해 상세한 규정의 심의가 개시됐다.  

풍력발전 시스템의 뇌보호(IEC 61400-24 참조)

자연현상에 의해 풍력발전 설비의 운전 정지나 기기 손상 피해가 증가하고 있다. 특히 서해 연안 지역에서의 겨울철 우레에 의한 블레이드 피해 등 장기간에 걸친 정지 등이 발생하고 있다. 풍력발전의 뇌보호에 관한 IEC 규격을 개설한다. 

이 규격은 풍력발전 장치 및 시스템의 뇌보호에 적용한다. 풍차에 대한 뇌환경 및 풍차의 리스크 평가 조건의 적용, 날개, 구조 부품, 전기 및 제어 시스템을 우레로부터 보호하기 위한 요소 사항을 규정하고 있다. 

(1) 풍차의 뇌환경과 뇌피해의 영향 평가

풍차의 뇌환경이나 리스크 평가는 기본적으로는 뇌보호의 규격 IEC 62305-1, -2의 규정에 수반하게 된다. 단, 낙뢰 밀도가 비교적 높은 장소에 설치하는 일이 많고, 또 높게 돌출된 구조로 날개가 회전하는 등의 특수성을 충분히 고려할 필요가 있다. 

(2) 구성 부품의 뇌보호

날개를 제외하고 다른 구성 부품류는 기본적으로 앞서 언급한 IEC 62305-3, -4의 규정에 따라 구조물 및 내부의 전기·전자설비의 보호를 실시하는 것이 가능하다. 

너셀 및 기타 부품을 보호하기 위해 가능한 대형 금속 구조체 자체의 구성 부재를 이용하는 것이 바람직하다. 

또한 다수의 베어링이나 가동 부분에는 뇌전류의 통전 경로를 별도로 확보해야 하는 경우가 있다. 전기·전자설비에 대해서는 필요한 LPZ를 상정하여 확실한 LPZ의 구축 및 적절한 SPD의 설정과 설치가 중요하다. 

근대적인 풍차의 날개는 유리섬유 강화 플라스틱 등의 복합재로 제조된 대형 중공 구조로 돼 있다. 이 날개의 뇌피해가 많은데, 표면 복합 재료의 층간 녹리·소손, 포착점이 되는 금속 부품의 가열 또는 용융 등을 들 수 있다. 

그중에서도 우레에 의한 높은 에너지의 아크에 의해 침입한 날개 내 수분의 폭발에 의한 파손과 같은 심각한 피해도 많이 보고되고 있다.

풍차 날개의 뇌보호는 날개 내의 뇌 아크 형성을 막는 것이 기본 방법이며, 뇌전류를 날개의 포착점에서 날개 축 부분까지 안전하게 전도하는 것이다. 

이를 위해 날개 표면에 리셉터를 설치하고 인하 도선을 날개에 따라 설치하는 각종 방법을 취할 수 있다. 

이들 주요 구조의 개념도를 그림 4에 나타냈다. 

▲ 그림 4. 대형 풍차 날개의 뇌보호 개념도

(3) 접지와 등전위 본딩

뇌전류를 방류하여 풍차의 손상을 막고, 기기의 효율적인 접지 시스템을 구축하는 것은 필수불가결하다. 또 기기의 과전압 보호와 인체의 안전을 확보하기 위해서라도 효과적인 접지 시스템과 등전위 본딩이 요구된다.

윈드 팜의 경우, 각 풍차의 접지 시스템뿐 아니라 윈드 팜 전체에서 접지 시스템을 형성하기 위해 가능한 경우에는 수평 도체로 접속하는 것이 좋다. 

(4) 인체의 안전성

육상에서 대형 풍차를 건설하는 데는 적어도 며칠이 걸리고, 공사 기간에 인부의 안전 확보를 위해 우레에 관한 안전 수순을 확립할 필요가 있다.

(5) 일본의 겨울뢰

IEC 규격에서는 유럽의 우레 관측 결과에 기초해 뇌전류 파라미터를 규정하고 있으며, 일본에서도 일반적으로는 그 값에 준거하여 보호를 실시하고 있다. 그러나 일본의 풍력발전의 설치 장소는 비교적 풍력이 안정적이어서 서해 연안에 많이 구축된다. 

서해 연안의 겨울철 우레는 앞서 소개한 우레 파라미터와 약간 달라, 지속 시간이 길고 파고치는 같아도 전하량이 큰 것이 관측되고 있다. 

그 결과 IEC 규격에서는 LPZ1의 최대 전하량이 300C(크론)에 대해 1,000C를 넘는 것도 관측되고 있지만, 일본에서는 최대 전하량을 6000C로 했다. 

PV 시스템

PV 시스템에 대한 규격은 TC82(PV 시스템) 및 TC64(전기설비 및 감전보호)에서 검토하고 있으며, 우레에 대한 보호에 관한 내용에 대해서는 아직 IEC 규격이 발행되지 않았다. 

TC82에서는 IEC62548 TS ‘PV 어레이에 대한 설계상의 요구사항’을 심의 중에 있으며 조만간 발행할 예정이다. 내용에는 우레의 위험에 대해서는 필요에 따라 보호 대책을 강구한다고 돼 있으며, 직격뢰에 대한 LPS에 대해서는 IEC 62305-3의 규정에 따라 설치할 것을 권장하고 있다. 뇌과전압에 대한 설비 보호에 대해서는 케이블의 배치 방법을 포함하여 뇌서지에 대한 영향을 줄이는 동시에 SPD의 선정과 설치 장소에 관해 적절히 실시하는 것이 중요하다. 

SPD의 설치 예를 그림 5에 나타냈다.

▲ 그림 5. PV 어레이 시스템에의 SPD 설치 예(IEC 62548 TS(82/746/DTS)인용)

TC64에서는 IEC 60364-7-712 Ed.2 「저압 전기설비 : 특수 설비 또는 특수 장소를 위한 요구사항-PV 시스템」의 개정안을 심의하고 있으며, Ed.1(제1판)에는 없는 뇌과전압에 대한 규정이 추가됐다. 

여기서도 우레의 직접적인 영향에 대한 보호에 관해서는 IEC 62305 시리즈에 따르고, 전기설비 일반에 대한 뇌과전압 보호를 다룬 IEC 60364-4-443에서 규정하고 있는 원칙에 따르도록 하고 있다. PV 시스템에 대해 특히 직류 측 적용에 대해 교류 측의 적용에 추가하여 규정하고 있다. SPD의 설치 예를 그림 6에 나타냈다. 

▲ 그림 6. PV 어레이 시스템에의 SPD 설치 예(IEC 60364-7-712(64/1799/CD)인용)

이상으로 재생 가능 에너지의 뇌보호에 관해 IEC 규격의 동향에 대해 개설했다. 현재 IEC에서는 PV용의 직류용 SPD 규격화 심의를 서두르고 있어 이들 에너지에 대한 관심이 점점 높아지는 가운데 이 글이 조금이나마 도움이 되길 바란다.

아라이 케이노스케 (新井 慶之輔)

(주)에스디방재연구소 소장

本 記事는 日本 OHM社가 發行하는  「OHM」誌와의 著作權協約에 依據하여 提供받은 資料입니다.