[재생 가능 에너지와 뇌 보호 시스템] 서지 방호 디바이스(SPD)의 현황

게재월 | 2014 - 07 조회149948 추천0

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SPD는 GDT나 MOV 단체로 사용하는 경우, 복수형 회로를 구성하여 사용하는 경우 등 다양하지만 SPD의 상시 급전과 신호에 영향을 미치지 않아야 하고 SPD의 동작 전압·동작 중의 전압을 피보호 기기의 내전압 이하로 해야 한다. 뇌보호 대책을 세울 때는 이 점을 고려해야 한다. 


서지 방호 디바이스(SPD)의 종류와 특성


서지 방호 디바이스는 Surge Protective Device의 머리글자를 취해 SPD라고 하며, 보안기, 피뢰기, 어레스터, 서지 흡수체 등을 총칭해 일컫는다. 

SPD에는 다양한 종류와 특성이 있으며, 분류된 내용을 표 1에 정리했다. 또 각 보드의 표시 예를 그림 1에, 전압 스위칭형 SPD, 전압 제한형 SPD 및 복합형 SPD의 표시 예를 그림 2~4에 나타냈다.


▲ 표 1. SPD의 종류와 특성


▲ 그림 1. SPD의 구조 표시 예


▲ 그림 2. 전압 스위칭형 SPD의 표시 예


▲ 그림 3. 전압 제한형 SPD의 표시 예


▲ 그림 4. 복합형 SPD의 표시 예


아래에서는 가스 주입 방전관, 서지 방호 사이리스터, 금속 산화물 배리스터, 전자사태 항복 소자(AVD ; avalanche breakdown diode)에 대해 해설한다. 

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전압 스위칭형 SPD


(1) 가스 주입 방전관(GDT)

가스 주입 방전관은 Gas Discharge Tube의 머리글자로, 흔히 피뢰관을 말한다. GDT의 구조는 금속 전극과 세라믹 등의 외주기로 구성되어 있으며, 내부를 저압 가스로 채운 것이다. 

GDT는 정전용량이 1pF 정도로 작아 수GHz의 고주파 회선에서도 사용할 수 있다. 일반적인 직경 8mm의 2극관·3극관의 GDT 중에도 8/20μs·10~20kA의 임펄스 전류 내량인 것이 있다. 단, 단독으로 GDT를 전류 라인으로 이용하면 속류(續流, 뇌 서지가 GDT에 인가되어 방전을 시작하면 뇌 전류를 방류하지만 뇌 서지가 사라진 후 회로에 공급되는 전류에 의해 방전이 계속되는 것) 문제가 있기 때문에 단독으로 전류 라인에 사용하는 것은 피하는 것이 좋다. 

① 구조·외관

그림 5에 GDT의 기본적인 구조·외관 예를 나타냈다. 부재는 금속 전극과 세라믹 외부를 둘러싼 기기로 구성되며, 내부에 봉입되는 가스는 He, Ar 등의 불활성 가스가 이용된다. 방전 개시 전압을 안정시키기 위해 전극의 표면에 활성제를 도포한다. 또 임펄스 방전 개시 전압을 낮추기 위해 세라믹 외주기 내면에는 트리거선 당김을 한다. 요구되는 사양에 따라 GDT의 크기, 모양, 봉입 가스의 종류, 혼합비, 압력 등을 고려해야 한다. 


▲ 그림 5. 2극관·3극관 GDT의 구조 및 외관 예


② 종류

전기·전자기기의 뇌보호 대책에서 자주 이용하는 것은 8mm의 GDT이다. 철도, 전력설비 등의 뇌보호 대책에 이용되는 대전류를 반복 통전시키는 경우에도 충분히 견딜 수 있는 직경 49mm의 GDT도 있다. 최근에는 직경 4mm 정도의 2극관·3극관의 표면실장형 GDT도 있고, 8/20μs·2.5~10kA의 임펄스 전류 내량을 실현했다. 

③ 특성

a. 직류 방전 개시 전압 : GDT의 양 단자 간에 완만하게 상승하는 100V/s 등의 전압을 인가했을 때, GDT에 전류가 흐르고 단자 전압이 저하되기 시작할 때의 단자 간 전압이다. DC75V~DC12,000V 범위의 직류 방전 개시 전압이 사용된다. 

b. 임펄스 방전 개시 전압 : GDT의 양 단자에 충분히 높은 임펄스 전압을 인가했을 때, GDT가 방전을 개시하는 단자 간의 전압이다. 그림 6은 직류 방전 개시 전압이 400V인 GDT에 각 준도의 임펄스 전압을 인가했을 때의 전압-시간 특성 예이다. 그림에서 임펄스 전압의 준도가 급격해지면 임펄스 방전 개시 전압도 높아지는 것을 알 수 있다. 


▲ 그림 6. 직류 방전 개시 전압 400V의 GDT 전압-시간 특성 예


GDT의 방전 지연은 수μs 정도로 인가 전압의 피크를 넘어 방전한다고 말하는 사람도 있다. 그림 7은 직류 방전 개시 전압이 400V인 GDT에 1,500V/ns의 전압 파형을 인가했을 때 GDT의 방전 파형 예를 나타낸 것이다. 


▲ 그림 7. 1,500V/ns의 전압 파형을 인가했을 때 GDT 방전 파형 예


그림에서 알 수 있듯이 GDT는 1,400V로 파고치는 높지만 ns 오더의 상승 인가 파형에서도 확실히 방전하는 모습이 확인된다. 그림 6에 1,400V/ns를 플롯하면 동그라미 표시를 한 주변이 된다. 단, 1,400V로 방전 전압이 높아 내전압이 낮은 기기를 대상으로 하는 경우, GDT 단독으로는 보호가 어려운 경우가 있으므로 주의가 필요하다. 

c. 전압-전류 특성 : 그림 8은 서서히 전류를 증가시켰을 경우의 GDT의 전압-전류 특성 예를 나타낸 것이다. GDT의 양 단자 간에 전압을 인가하고 전압을 상승시키면 GDT는 갑자기 전류가 흐르기 시작한다(그림 8 A 참조). 이때의 전압을 방전 개시 전압이라고 한다. 전류를 증가시키면 단자 간의 전압은 GDT의 종류에 따라 다르지만, 50~200V의 거의 일정한 전압의 글로 방전 영역(그림 8 B-C 참조)이 된다. 


▲ 그림 8. GDT의 전압-전류 특성 예


전류를 더욱 증가시키면 이상 글로 방전 영역(그림 8 C 참조)을 거쳐 아크 방전 영역(그림 8 D-E 참조)이 되고, 10~20V의 저전압에서 방전을 계속한다. GDT가 아크 방전 영역으로 이동한 후, 통전시키는 전류를 줄이면 다시 글로 방전 영역으로 복귀, 마침내 방전을 유지할 수 없게 되어 방전 정지된다. 그림 8에서 방전 경과를 나타내면 A(방전 개시)→B→C→D→E→D→F→G→B→A(방전 정지)가 된다. 


(2) 서지 방호 사이리스터(TSS)

TSS(Thyristor Surge Suppressors)는 자기 온 타입 사이리스터의 일종으로 동작 정지 전류(유지 전류)를 크게 한 것이다. 전화 관련 기기의 뇌보호 대책에 이용되는 SPD의 주요 구성 부품 중 하나이다. TSS는 규정 전압치를 초월한 뇌서지가 인가되면 즉시 클리핑 동작을 개시하고, 순식간에 전압이 켜진 상태가 됨으로써 과전압을 억제하여 뇌서지를 분류하는 특성을 갖고 있다. 저전압 온 상태에 스위칭 동작하는 특성이 있기 때문에 소형이면서 비교적 큰 임펄스 전류 내량을 확보할 수 있는 반면, 뇌서지가 사라진 후에도 온 상태를 유지하는 속류 현상에 주의해야 한다. 그림 9에 TSS의 전압-전류 특성 예를 나타냈다. 


▲ 그림 9. TSS의 전압-전류 특성 예(쌍방향 형)


전압 제한형 SPD


(1) 금속 산화물 배리스터(MOV)

MOV(Metal Oxide Varistors)는 산화아연(ZnO)을 주성분으로 한 금속 산화물로 구성된 것이 많고, 인가되는 전압에 의해 저항이 변화하는 전압-전류 특성을 갖고 있다. MOV의 전압-전류 특성 예를 그림 10에 나타냈다. 


▲ 그림 10. MOV의 전압-전류 특성 예

(그림의 사진은 Panasonic의 ZnO 배리스터)


MOV의 전압-전류 특성은 그림 10에 나타낸 바와 같이 실선으로 나타낸 오른쪽으로 올라간 곡선을 그리고 있다. 일반적으로 MOV에 1mA의 전류를 통전시켰을 때의 전압을 배리스터 전압이라고 한다. 

실선의 곡선은 MOV 선정 등을 고려하여 배리스터 전압을 경계로 비연속적인 점선으로 표시한다. 이것은 1mA 이상의 영역은 뇌서지를 제한하는 것을 고려해야 하므로 제한 전압의 최대치를 나타내고, 1mA 미만의 영역은 사용되는 회로 전압에 대해 누설 전류를 고려해야 하기 때문에 전압에 대한 누설 전류의 최대치를 나타낸다. 

MOV는 GDT에 비해 정전 용량이 크고, 고주파 회선에 사용할 때는 큰 손실이 생기는 경우가 있기 때문에 신중하게 검토해야 한다. 또 열화 등의 영향으로 누설 전류가 증가해 최악의 경우 소손되기도 한다. 이것을 방지하기 위해서는 분리하는 기구를 설치해야 한다.  


(2) 전자사태 항복 다이오드(ABD)

ABD(Avalanche Breakdown Diode)는 실리콘계 반도체의 PN 접합 애벌란시 브레이크다운을 이용한 것으로, 특히 뇌서지 보호용으로 디바이스화된 것이다. 일반적으로는 제너 다이오드라는 호칭으로 알려져 있다. 

ABD는 애벌란시 브레이크다운에 의한 빠른 응답 특성과 평탄한 클램프 특성을 갖고 있으며, 용량 전류치 이하의 반복 전류를 통전해도 열화가 매우 적다는 장점이 있다. ABD를 2개의 역방향으로 직렬 접속한 쌍방향 ABD 전압-전류 특성 예를 그림 11에 나타냈다. 


▲ 그림 11. 쌍방향 ABD의 전압-전류 특성 예


ABD는 통신·신호선 보호용이나 ESD(정전기 방전) 보호용 등으로 사용된다. 또한 클램프 전압은 수 V에서 수백 V까지의 등급이 있다. ABD는 뇌서지에서의 억압 특성이 우수하기 때문에 통신·신호선으로 접속되는 취약한 전기·전자기기의 과전압 억압 소자로서 널리 사용된다. 단, 임펄스 전류 내량은 GDT나 MOV와 비교하여 작기 때문에 복합형 SPD의 후단 소자나 기구 내부의 뇌서지 보호용 소자로서 사용되는 경우가 많다. 


SPD와 피보호 기기와의 보호 협조


전기·전자기기는 뇌서지에 대한 내전압을 갖고 있으며, 내전압 이상의 뇌서지가 인가되면 기기는 파손된다(그림 12 참조). 뇌보호 대책을 하는 경우, 피보호 기기에 인가되는 뇌서지를 내전압 이하로 할 필요가 있다. 


▲ 그림 12. 전기·전자기기의 내전압 파손 예


SPD가 뇌서지에 동작했을 때, 동작 개시 전압 및 동작 후의 동작 중 전압이 피보호 기기의 내전압 이하가 되는 전기적 특성의 SPD를 사용하면 보호 협조가 도모되어 기기가 보호된다. 이들 관계를 그림 13에 나타냈다. 


▲ 그림 13. 전기·전자기기의 내전압과 SPD의 동작 파형 관계


또한 SPD의 요구 조건은 다음과 같다. ① 보통은 절연 상태에서 전송 신호나 회로 전압에 영향을 주지 않을 것 ② 동작 개시 전압, 동작 중의 전압이 피보호 기기와의 보호 협조가 도모될 것 ③ 예측되는 뇌전류를 안전하게 방류할 수 있을 것 ④ 뇌전류 통전 후는 신속하게 원 상태로 복귀, 반복해서 사용할 수 있어야 한다. 

SPD를 설치해도 피보호 기기가 파손되는 경우도 있는데, 앞서 언급한 바와 같이 SPD와 피보호 기기와의 보호 협조가 도모되지 않는 경우가 많다. 기기를 적절히 보호하는 노하우는 분명 있는 만큼 뇌보호 대책을 검토한다면 SPD 업체에 상담해 볼 것을 권한다. 


다양한 장소에서 사용되는 SPD군


그림 14와 같이 뇌보호 관련 JIS에서는 각 LPZ(뇌보호존)으로 구분해 LPZ0에서 LPZ1, LPZ1에서 LPZ2로 인입되는 전원선과 통신선 등의 메탈선에는 SPD를 설치하게 된다. 


▲ 그림 14. 각 LPZ에서 사용하는 SPD 설치 예


바깥선 쪽에서 뇌서지가 침입하여 SPD가 동작하면 뇌서지를 피보호 기기의 내전압 이하로 억제하고 접지에 뇌서지를 방류시켜 기기를 보호한다. SPD는 방류형 뇌보호 대책에 유효하다. 또 전기·전자기기를 절연하여 보호하는 내뢰 변압기는 절연형 뇌보호 대책으로 유효하다. 

아래에서는 다양한 장소에서 사용되는 SPD와 내뢰 변압기에 대해 해설한다. 


(1) 전원용 SPD(저압용)

그림 14와 같은 LPZ의 경계에서 사용되는 전원용 SPD에는 클래스Ⅰ 시험 대응용(클래스Ⅰ용) SPD, 클래스Ⅱ 시험 대응용(클래스Ⅱ용) SPD가 있으며, 클래스Ⅰ용 SPD는 직격뢰 대응용, 클래스Ⅱ용 SPD는 유도뢰 대응용이다. 

① 클래스Ⅰ용 SPD

클래스Ⅰ용 SPD의 외관 예와 전기적 특성을 그림 15에 나타냈다. 


▲ 그림 15. 클래스Ⅰ용 SPD의 외관 예와 전기적 특성 예


② 클래스Ⅱ용 SPD

클래스Ⅱ용 SPD의 외관 예와 전기적 특성을 그림 16에 나타냈다. SPD에는 열화 상황의 파악하기 위해 SPD가 갖고 있는 분리 기구에 의해 외부에 접점 정보를 송출할 수 있는 것이 있다. 단, 열화 상황의 트렌드를 파악할 수 없다는 단점이 있다. 최근에는 클래스Ⅱ용 SPD 본체에 서지 카운터가 있어, 침입한 뇌전류를 계측하여 카운트 표시하거나 교환 권장 시기를 표시하기도 한다. 또 LAN에 의한 원격 감시가 가능한 옵션 기기도 있고, 떨어진 장소에 설치된 PC가 열화 상황의 트렌드를 확인할 수도 있다. 이 시스템에 의한 시각화로 유지보수의 효율성을 높일 수 있다. 


▲ 그림 16. 클래스Ⅱ용 SPD의 외관 예와 전기적 특성 예


(2) 통신용 SPD

통신기기의 내전압은 전원 기기의 내전압과 비교하여 일반적으로 낮다. 앞에서도 언급한 바와 같이 기기와 SPD의 보호 협조가 도모되지 않으면 통신기기를 보호할 수 없다. 따라서 SPD의 동작 전압을 낮게 억제하는 회로를 구성할 필요가 있다. 통신용 SPD 중에서도 대표적인 것을 다음에 나타낸다. 

① 선로~접지 간, 선 간 내전압이 낮은 기기에 이용하는 SPD

그림 17(a)와 같이 이 회로는 선로~접지 간에 인가된 뇌서지를 ABD로 제한하고, 기기에 더해지는 전압을 ABD의 동작 중 전압으로 제한한다. 이때, 기기의 선 간에는 두 쌍의 ABD의 차전압(수V 정도)밖에 더해지지 않는다. 


▲ 그림 17. 선간~접지 간, 선 간의 내전압이 낮은 기기에 이용하는

SPD의 회로 예와 전기적 특성 예


저항 R은 ABD의 전류 제한을 위해 사용한다. 저항에 의한 전압 강하와 ABD 동작 중의 전압의 합계가 GDT의 동작 전압 이상이 되면 GDT가 동작하고, GDT에 의한 뇌서지를 접지에 바이패스한다. SPD의 전기적 특성 예를 그림 17(b)에 나타냈다. 

② LAN용 SPD

최근에는 LAN 케이블을 이용하여 다양한 데이터 전송이 이루어진다. LAN 관련 기기 간의 LAN 케이블이 실외로 연장되거나 아래위층으로 연장되어 있는 경우, 낙뢰의 영향으로 LAN 케이블에 뇌서지가 침입하여 기기가 손상되는 경우가 있다. 

LAN 관련 기기를 보호하는 것으로서 그림 18과 같은 LAN용 SPD가 있다. LAN용 SPD의 회로는 그림 17(a)와 같이 기본 구성은 같지만 고주파에 대응할 수 있다. 그림 18(a)와 같이 1000BASE-T, 100BASE-TX, 10BASE-T, IEEE802.3af(PoE), IEEE802.3at(PoE Plus)로 대응 회선은 다양하다. 


▲ 그림 18. LAN용 SPD의 외관 예와 전기적 특성 예


(3) 내뢰 변압기

절연형 뇌보호 대책인 내뢰 변압기는 무선 중계소 등의 중요 시설에서 이용하고 있다. 내뢰 변압기도 SPD와 마찬가지로 국제 규격인 IEC 규격으로 받아들이는 움직임이 있다. 내뢰 변압기는 LIT(Lightning Isolation Transformer)라는 용어로 통일될 예정이다. 

내뢰 트랜스는 1차 권선~2차 권선 간 및 1차 권선~접지 간 내전압을 임펄스 1.2/50μs·30kV 등으로 높이고, 대접지 간에 더해지는 뇌서지를 절연하여 2차 측에 칩입하는 것을 막아 선 간에 가해지는 상용 주파수나 신호는 거의 손실 없이 통전시킨다. 

전원용에 대해서는 1차 권선과 2차 권선 간에 정전 차폐를 설치해 접지함으로써 서지 이행률을 1/1000 이하로 낮춘다. 전원용 내뢰 변압기(삼상용)의 회로 예를 그림 19에 나타냈다. 


▲ 그림 19. 전원용 내전 변압기(삼상용)의 회로 예


다른 층에 설치된 통신 시스템 간, 또 다른 급전계에서 수전하는 통신 시스템 간에 사용하고, 메탈선에 발생하는 미주(迷走) 전류를 절연하여 장치의 오동작을 방지하는 동시에 낙뢰에 의해 발생하는 뇌서지를 절연함으로써 장치의 파괴를 방지하는 통신용 내뢰 변압기도 있다. 전력회사의 변전소용 통신설비나 철도 신호설비, NTT의 센터 빌딩 등에서 사용된다. 임펄스 내전압은 1.2/50μs·30kV나 50kV이다. 그림 20은 NTT의 센터 빌딩 등에서 사용되는 통신용 내뢰 변압기의 외관이다. 


▲ 그림 20. 통신용 내전 변압기의 외관 예


이상으로 SPD에 대한 내용을 간단히 설명했다. 각 소자의 특성, SPD와 피보호 기기와의 보호 협조의 관계도 이해했을 것으로 생각된다. 

SPD는 GDT나 MOV 단체로 사용하는 경우, 복수형 회로를 구성하여 사용하는 경우 등 다양하지만 SPD의 상시 급전과 신호에 영향이 없어야 하고, SPD의 동작 전압·동작 중의 전압을 피보호 기기의 내전압 이하로 하는(보호 협조를 도모한다) 것이 중요하다. 뇌보호 대책을 세울 때는 이 점을 고려해야 한다.


이토 히데토시(伊藤 秀敏)

(주)산코샤 낙뢰 컨설팅부 부부장


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.

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게재월 | 2014 - 07 조회 149948 추천 0

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