광역피뢰침
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- 번개는 오랜 옛날부터 인간을 매료시켜 온 하늘의 불꽃놀이이자 죽음과 파괴를 가져오는 위협적인 존재로 인식되어 왔습니다. 이러한 번개는 전세계적으로 시간당 100만번이 치는 것으로 보고 되고 있으며, 이로인한 인명 피해는 물론이고 현대의 첨단 산업 시설에 치명적인 위협이 되고 있어 적절한 대응책이 필요합니다.
뇌운의 발생
- 천둥, 번개 즉 뇌방전의 발생원인이 되는 가장 보편적인 것은 뇌운(雷雲)이지만 그 이외에도 눈보라, 모래폭풍, 화산폭발 등이 원인인 경우도 있습니다.
뇌운이 발생하기 위해서는 기상층의 상부가 불안정한 상태, 즉 상층부에는 차고 밀도가 높은 공기가 존재하고 하층부에는 따뜻하고 습도가 높은 공기가 존재하는 경우인데, 이때 하층부의 따뜻하고 습한 공기가 상승하여 뇌운(구름)이 되고 상층부의 찬 공기는 하강하게 됩니다. 발생한 뇌운은 전기로 충전되어 있어 상단부는 양전하를 띤 얼음결정을 이루고, 하단부는 음전하를 띤 물방울을 이루어 구름 하부에서 음전기에 의한 낙뢰가 발생하게 되는 것입니다.
뇌방전 현상
뇌운 속에서 전하의 축적이 이루어지면 그 바로 아래 지표면에는 운저(雲底) 전하와 역극성 전하가 유기되므로, 양자간 전계강도가 증대하고 공기절연 파괴내력을 넘게 됩니다. 그러면 양자 사이에 불꽃방전이 발생하고 이른바 대지뇌격(낙뢰)이 일어나게 됩니다. 대지뇌격은 다음의 네 가지 유형이 있습니다.
A. 음전하를 띤 구름 - 지면방전- 1) 그림 Ⅱ-2를 보면 음전하를 띤 구름 하단부에서 선도뇌격(또는 선행방전 : tracer, dart leader or downward leader)이 양전하를 띤 지면으로 빠른 속도로 내려옵니다.
- 2) 선도뇌격이 지상 수십~수백 미터까지 내려오는 순간 지면으로부터 구름을 향해 복귀뇌격(또는 주방전 : return stroke)이 올라옵니다.
- 3) 선도뇌격과 복귀뇌격이 만나 방전로(放電路)가 생깁니다.
- 4) 이 방전로를 통해 지면에서 구름을 향해 매우 밝고 속도가 빠른 주방전(主放電)이 일어나며, 낙뢰의 90% 이상이 이 방전에 해당합니다.
- B. 양전하를 띤 지면 - 구름방전
- C. 양전하를 띤 구름 - 지면방전
이와 같은 방전은 음전하를 띤 구름의 하단부가 바람에 의해 없어지고 양전하를 띤 상단부만 남았을 때발생합니다. 이 반응에 의해 지면은 음전하로 충전됩니다. - D. 음전하를 띤 지면 - 구름방전
일반적으로 낙뢰는 대기상태에서 다량의 양전하와 음전하가 분리되어 전계강도가 일정한 값을 초과하는 경우, 공기분자의 전리 파괴가 일어나 전자와 이온에 의한 전도로가 형성되어 발생하게 됩니다. 낙뢰는 태풍과 같은 중간규모의 기층이 상승하거나 대규모의 안정된 기층이 상승할 때는 발생하지 않으며, 주로 공기밀도가 작은 난기를 파고들 때나 여름철 태양에너지가 풍부한 날 오후, 국지적으로 지면에 접한 대기가 가열되어 빠른 속도로 상승할 때 뇌운이 생성되면서 낙뢰가 발생하게 됩니다. 이러한 낙뢰의 90%이상은 대부분 음전하를 띠며 양전하를 띤 낙뢰의 비율은 10%미만 이지만, 음전하를 띤 낙뢰의 뇌격전류가 평균 33kA인 반면, 양전하를 띤 낙뢰의 경우는 75kA 정도의 높은 뇌격전류를 지니고 있어 양전하를 띤 낙뢰로 인한 피해가 훨씬 크다고 할 수 있습니다. 따라서 피뢰침을 선정할 때에는 음전하와 양전하를 띤 낙뢰 모두에 대한 뇌격 흡인효과를 지닌 피뢰침으로 선택하는 것이 무엇보다 중요하다 하겠습니다.
우리나라의 낙뢰발생 현황
2010년 여름철(6월~8월) 우리나라의 낙뢰 발생 횟수는 총 913,096회로 64%(581,661)가 8월에 집중되어 발생하였습니다.(그림 Ⅱ-4) 이 수치는 최근 8년 간의 우리나라 평균 낙뢰 발생 횟수보다 3만 건 이상이 더 발생한 것으로써(그림 Ⅱ-5) 8월과 9월초 우리나라가 북태평양 고기압의 가장자리에 머물면서 대기가 불안정하여 낙뢰를 발생시키는 구름대가 발달했기 때문인 것으로 분석되고 있습니다.
- 낙뢰는 앞에서도 언급한 바와 같이 뇌운(雷雲) 속에서 발생한 전기가 지면을 향해 흐르는 방전 현상으로써 낙뢰의 원인이 되는 뇌운은 강한 일사를 받아 지면 부근의 습한 공기가 가열되어 상승기류가 잘 발생하는 여름철이나 온도차가 큰 한랭전선이 통과할 때 자주 발생하게 됩니다. 또한, 산악지대에서는 지형이 복잡하여 부분적으로 강하게 가열되기 때문에 평야지대보다 뇌운의 형성이 쉽습니다.
- 낙뢰는 앞에서도 언급한 바와 같이 뇌운(雷雲) 속에서 발생한 전기가 지면을 향해 흐르는 방전 현상으로써 낙뢰의 원인이 되는 뇌운은 강한 일사를 받아 지면 부근의 습한 공기가 가열되어 상승기류가 잘 발생하는 여름철이나 온도차가 큰 한랭전선이 통과할 때 자주 발생하게 됩니다. 또한, 산악지대에서는 지형이 복잡하여 부분적으로 강하게 가열되기 때문에 평야지대보다 뇌운의 형성이 쉽습니다.
피뢰방식
일반적으로 피뢰방식은 돌침방식, 수평도체방식 및 케이지 방식 세 종류로 구분됩니다.
돌침방식
- 이 피뢰방식은 피뢰침이 발명된 당초부터의 것으로써 피뢰침이라고 하면 이것이 머리에 떠오를 정도로 가장 보편적인 방식입니다. 낙뢰는 끝이 뾰족한 금속도체 부분에 떨어지기 쉽다는 사실에 기인하여 건축물의 근방에 접근하는 뇌격을 그 선단으로 흡인하고 선단과 대지와의 사이를 연결한 도체를 통하여 뇌격전류를 안전하게 대지로 방류하는 것입니다.
구름에서 출발한 선행방전이 건축물에 접근하는 경우, 건축물 돌침선단의 전계가 강화되면서 리더 선단을 향하여 상향 스트리머가 발생하고 그것이 리더와 결합하여 방전로를 형성하면 뇌격이 그곳에 흡인되게 됩니다.
따라서 피뢰침의 뇌격 흡인력을 높이기 위해서는 돌침선단의 전계를 가능한 강화시켜야 할 필요는 있지만, 종래에 흔히 볼 수 있듯이 항상 돌침선단을 첨예하게 할 필요는 없습니다. 또한 돌침선단을 세 갈래로 하거나 도금한 것 등을 볼 수 있는데 이들은 뇌격 흡인능력과는 특별한 관계가 없는 것으로 알려져 있습니다. 즉, 뇌격 흡인효과와 돌침선단의 첨예도 사이에 커다란 관계가 존재하지 않는 이유는, 돌침선단으로부터 상향 스트리머가 뻗을 때의 전계는 선단의 바로 근방의 전계만으로 결정되는 것이 아니라 돌침선단의 모양이 문제가 되지 않을 정도로 넓은 영역의 평균 전계강도에 의해 결정되기 때문입니다.
한편 국내 건축법 및 소방법에서는 피뢰침 선단의 일정 각도를 피뢰침의 보호범위로 규정하고, 20m이상의 일반 건축물의 경우는 수직에 대하여 60도, 탄약고 및 연소성 물질 보관소 등 위험건축물에 대해서는 45도로 정하고 있으나 이 방식을 높은 구조물에 적용할 경우 측면방전에 노출될 위험이 있고 실제로도 많은 피해 사례가 보고됨에 따라 1990년 스위스에서 개최된 국제전기표준회의(ICE)에서 협의한 20m이내는 45도, 20~40m의 경우에는 30도, 40~60m의 고층 구조물에는 15도를 적용하는 규정을 더 권장하고 있습니다.
또한 일반돌침피뢰방식에 의한 피뢰설계를 회전구체법(Rolling Sphere Method)을 적용하여 분석해 보면 아래 그림 Ⅱ-8과 같은 결점을 나타내기 때문에 이를 보완하기 위해서 건물측면에 Faraday cage라는 가공지선을 통상적으로 추가 설치해야 합니다.
이러한 일반돌침피뢰방식의 결점을 해소하기 위해 약 10여년 전부터 전기ᆞ전자적 또는 기계적인 방식으로 피뢰설비의 돌침선단으로부터 조기에 상향 스트리머를 방사하여 보호범위를 확대하는 피뢰방식인 소위 'ESE 피뢰침'
(Early Streamer Emission lightning conductor)이 개발 보급되고 있습니다. 이 ESE 피뢰침은 가장 최신의 피뢰방식으로써 그 성능의 우수성이 이미 확고히 입증되어 프랑스, 스페인, 호주, 영국 등 많은 선진국에서 국가표준으로 재정하여 사용되고 있습니다.
아래 그림 Ⅱ-10은 건물 위에 일반피뢰침과 ESE 피뢰침이 함께 설치되어 있는 경우의 뇌격 흡인과정을 나타낸 그림입니다. 그림에서 알 수 있듯이 낙뢰시 ESE 피뢰침은 일반피뢰침보다 훨씬 빠른 속도로 원거리의 하향 선도뇌격을 향해 상향 스트리머를 방사하여 뇌격을 흡인합니다. 이와같이 ESE 피뢰침은 일반피뢰침과는 비교되지 않을 정도로 그 성능이 우수하고 넓은 지역을 보호할 수 있는 장점이 있습니다.
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ESE 피뢰침은 일반피뢰침의 거의 모든 결점을 보완하는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
- - 낙뢰시 이온을 방사하여 순간적으로 근처의 직격뢰를 흡인ᆞ방류한다.
- - 보호범위가 일반피뢰침에 비해 5.5~10배로 넓다. (보호반경 : 최대 100미터 이상)
- - 측뢰(side flash)에도 완전한 보호가 가능하다.
- - 방전이 빠르므로 연속적인 직격뢰에도 견딜 수 있다.
- - 보호반경이 넓으므로 피뢰침을 높이 설치할 필요가 없다.
- - 외관이 수려하고 영구적이며 감시나 보수가 필요하지 않다.
- - 동 또는 스테인리스강 재질을 사용하므로 녹슬거나 변형될 염려가 없다.
- - 대규모 시설물의 경우 일반피뢰침보다 가격이 저렴하다.
수평도체 방식
- 이 방식은 피보호 건물 상부에 수평도체를 가설하고 이것이 뇌격을 흡인하여 이것과 대지간을 연결하는 도체를 통하여 뇌격전류를 안전하게 대지로 방류하는 것입니다. 이 방식이 널리 이용되고 있는 것은 송전선의 가공지선으로써 수평도체 보호각은 돌침의 보호각과 본질적으로 같습니다.
케이지 방식
- 피보호물 주위를 적당한 간격의 망상도체로 감싸는 완전한 피뢰방식입니다.
이 방식은 뇌격전류 파두가 급준하지 않으면 케이지 전체가 항상 등전위로 되고 내부 전계는 영(零)이 되므로 내부의 사람과 물건에는 뇌격전류가 흐르는 일이 없어 뇌격으로부터 안전하게 보호됩니다.
이 방식에서는 케이지의 대지전위가 아무리 상승하여도 내부에는 아무런 영향이 없으므로 케이지를 특별히 접지할 필요는 없습니다. 그러나 전등, 전화선이 인입되어 있는 경우에는 케이지 전위가 그들 도체를 통하여 기기에 장애를 일으킬 우려가 있으므로 될 수록 저항값이 낮은 접지극에 접속하여야 합니다.
철골조나 철근 콘크리트조 건물에서는 철골이나 철근이 건물 전체를 둘러싸고 있으므로 케이지를 형성하고 있는 것으로 생각해도 되며 내부는 뇌격에 대해 안전하다고 할 수 있습니다. 다만, 그곳에 인입되어 있는 전등, 전화선에 대한 보호는 별도로 고려하여야 합니다.
피뢰설비의 구성
피뢰설비는 돌침부, 피뢰도선(인하도선) 및 접지극으로 구성되며, 무엇보다 이들 기기와 재료가 규정(KSC IEC 61024-피뢰침)에 적합해야 합니다. 각 부분은 피보호물에 대하여 뇌격을 효과적으로 흡인하고 뇌격전류를 안전하게 대지로 방류하도록 하기 위하여 기능적으로 접속할 필요가 있지만, 철근, 철골 구조 건축물에는 이 구조체를 피뢰설비의 일부로 이용하여 피뢰효과가 향상 되도록 해야만 합니다.
돌침부
- - 돌침부는 건축법에서 규정한 풍하중에 견딜 수 있는 것으로 합니다.
- - 돌침은 동, 알루미늄, 용융아연도금한 철 또는 강(주철 포함)의 지름 12㎜ 이상의 봉 혹은 이와 동등 이상의 강도 및 성능의 것을 사용합니다.
- - 돌침 지지물은 단면적 300㎟이상의 철관 또는 단면적 110㎟, 두께 2㎜ 이상의 알루미늄재를 사용하고, 이를 독립지지물로 하여 사용할 경우 피뢰도선 일부로 사용할 수 있습니다.
- - 돌침 기타 피뢰침의 부분으로 부식성 가스에 직접 노출 되는 것은 두께 1.6㎜ 이상의 연관을 씌워야 합니다.
- - 피뢰도선은 단면적 30㎟ 이상의 동선, 단면적 50㎟ 이상의 알루미늄선 또는 이와 동등 이상의 전도성이 있는 것을 사용합니다.
- - 피뢰도선은 동, 황동 또는 알루미늄의 죄임공구를 사용하여 적당한 간격으로 견고히 피보호물에 부착합니다.
- 접지극은 두께 1.4㎜ 이상으로 면적 0.35㎡(편면)이상의 강판, 두께 3㎜ 이상으로 면적 0.35㎡(편면)이상의 용융아연도금 철판 또는 이와 동등 이상의 접지효과가 있는 봉상, 관상, 띠상, 판상 또는 와권상의 금속제를 사용합니다. 다만, 알루미늄과 기타 이와 유사한 부식하기 쉬운 것은 사용하지 않습니다.