번개, 낙뢰(AC)에 의한 서지(Surge)

1. Surge 란?
서지(Surge)는 원래 AC전압이 평상시의 공급전압 범위보다 5~6%정도 상승한 상태를 말하며,
같이 AC전압의 싸인파형(Sine Waveshape) 사이클로 표현되고 보통 8 Cycle 정도 지속하다가 사라진다.
만약 전압 상승이 8 cycle 보다 길게 지속되면 이는 과전압(Over-Voltage)으로 분류된다.
그리고 일억분의 일초 (Nanosecond), 백만분의 일초(Microsecond), 천만분의 일초(Millisecond) 단위의 시간대에서
수천 볼트까지 치솟는 임펄스나 스파이크 같은 전압상승현상을 과도써지전압이라고 부르는데,
위에서 말한 써지와는 본질적으로 다르지만 써지 업계에서는 모두 써지전압이라 부른다.
그림 Ⅱ-3에서 보는바와 같은 임펄스의 과도써지 전압은 최대전압(Peak Voltage), 파형(Waveshape), 상승속도(Rise Time)로 표현된다.

전압 임펄스와 스파이크 같은 과도써지전압은 일종의 고주파 성격을 띠고 있으므로 변압기의 1차측에서 2차측으로
쉽게 뛰어 넘을 수 있고 일단 장비의 전자회로에 침입하면 반도체 부품에 치명적인 손상을 입힌다.

2. 써지의 발생원인

낙뢰 :직격뢰와 간접뢰, 유도뢰에 의한 방전

개폐 :유도성 부하 개폐 및 기동

정전기 :정전기 방전에 의해서 발생

핵폭발에 의한 Surge

​전자폭탄에 의한 전자파 Surge

전력 송배선 주위에서 번개가 치면 전력선 또는 통신선 주위에 자장이 형성되면서 수천, 수만 볼트의 써지기 발생하여 수십킬로 밖까지 전달된다.

 

번개나 낙뢰가 전신주에 떨어지면 각 전신주에 설치된 피뢰기(1)를 통하여 땅으로 방전되기 시작한다.
그러나 일시에 땅으로 방전되는 전류가 워낙 크기 때문에 전선과 땅 사이에
100,000볼트 이상의 전위차가 발생하여 전선을 타고 양방향 먼 곳까지 전달된다.
전선을 타고 전달되는 도중 전신주에 설치된 피뢰기(2)에 의해 부분 방전되고 변압기(3) 1차측에 설치된 Gap Arrester에 의해 다시 방전된다.
나머지 잔류 써지는 변압기 2차측으로 배전반(4), 분전함과 배선망(5)을 통하여 사무실이나 일반 가정 전원 콘센트(6)로 전달되며
써지의 크기는 최고 6,000볼트로 줄어든다.
즉, 원발생지에서의 크기 100,000볼트가 출력에서는 6,000볼트 이하로 감소된다.

써지전압의 전달 경로

기타원인

변전소에서 고압전력 공급선을 스위칭할 때 최고 6,000볼트, 분전함 주전원 스위치를 작동할 때는 최고 3,000볼트의 개폐 써지가 유입될 수 있다.
그리고 중장비 시동때도 최고 3,000볼트의 전압 임펄스가 발생된다.
이 외에 주위에서 아크용접기, 컴프레셔, 진공청소기, 사무기기 등을 사용할 때도 400~1,000볼트의 임펄스와 노이즈가 발생한다.
그림 그림 Ⅱ-7은 IBM의 연구결과로서, IBM의 발표에 의하면 월 평균 120건 이상의 기기 장애를 일으킬 수 있는 유해전기가 전원선으로 유입되는데
이들 중 약 90%가 전압 임펄스나 스파이크와 같은 과도전압이라고 한다.
전기 품질이 미국보다 취약한 우리나라에서는 이 보다 더 많은 과도 써지전압이 매월 유입되는 것으로 추정된다.

IBM 유해전기 유입 통계자료

기기의 장애는 번개나 낙뢰로 인한 대형 써지전압으로만이 일어날 수 있다고 생각한다면 잘못이다.
작은 써지전압들이 자주 유입되면 IC반도체 회로의 수명이 단축되어 결국은 이유가 분명치 않은 고장이 자주 일어나게 된다.

 

3. 써지 패해의 결과

첨단의 전기, 전자기기들을 써지로부터 보호하지 않을 경우, 시스템에 다음과 같은 결과가 초래될 수 있다.

통신기기의 I/O카트, 네트워크 LAN카드 및 중요 IC칩 파손
컴퓨터 및 첨단 제어기기의 반도체 부품 파손
컴퓨터 및 통신기기의 오작동 또는 데이터 손실

상기 사고들로 인한 전산업무의 마비, 정보 처리의 지연 및 고가 기기 보수로 인한 막대한 경제적 손실 초래

4. 써지보호기의 필요성

현대의 전기, 전자, 통신기기는 반도체 기술의 발달로 초고집적 IC칩으로 내장되어 있어 항시 써지전압의 피해로부터
무방비 상태로 노출되어 있고 실제로 그 피해가 날로 증가되고 있다.
이러한 이유 때문에 미국을 비롯한 선진국에서는 군과 산업체는 물론 일반 가정에까지도 써지보호기가 널리 보급되어
써지전압에 의한 피해로부터 모든 전기, 전자, 통신기기를 보호하고 있다.
그러나 우리나라는 선진국과 비교해 볼 때 아직 전기 및 통신 사정이 불안전한 실정임에도 불구하고 써지보호기의 필요성 인식과 보급은 매우 미약하다.
그 뿐 아니라 최근 들어 세계적인 기후환경의 변화로 인해 어느 때보다도 천둥, 번개가 많은 현상이 나타나고 있어
여러 분야에서 전기? 전자, 통신기기의 잦은 고장과 순간적인 오작동의 빈도가 증가되고 있다.
이러한 상황에서 고가의 첨단 전기.전자, 통신기기를 써지전압으로부터 안전하게 보호하기 위해서는
써지보호기(Surge Protector or Suppressor)의 설치가 최선의 선택이다.
써지보호기는 일명 TVSS(Transient Voltage Surge Suppressor)라고도 불리며 전압 임펄스나 스파이크과 같은 과도써지전압이
기기에 도달하기전에 차단하여 기기를 보호하는 장치이다.

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5. 써지보호기 관련 규격

써지보호기 제조자나 사용자가 써지보호기의 성능을 평가하기 위한 시험방법과 적용 요소들에 대한 공학적인 표준화가 끊임없이 요구되어 왔으며,
이러한 요구에 부응하여 IEEE, IEC, UL, ANSI 등과 같은 국제적인 전기, 전자 관련 기관에서 그 동안 쌓아온 여러 현장의 계측결과와
오랜 연구를 통해 써지에 대한 표준화 작업을 수행하여 실험규정을 설정, 써지보호기에 대한 성능 평가방법으로 사용하게 되었다.
써지 규격은 전자계 환경 하에서 발생하는 여러 형태의 써지를 전기, 전자기기에 유입하여 그 특성상 실제 상황과 매우 유사한 형태로
재현이 가능한 가상의 써지파형을 규격화하여 시험방법을 정한 것이다.
써지 시험에 적용되는 파형은 크게 임펄스와 진동파형으로 구분된다.

임펄스 - 단극성파형(Unidirectional Waveshape)으로 지수함수에 따라 상승하는 전압파두장(1.2×50㎲)과 전류파두장(8×20㎲)을 갖는다.
"이중지수파형"이라칭한다.

진동파형 - 급격히 상승하는 파두치와 진동 감쇠하는 파미를 가지며, "Ring Wave"라 칭한다.0.5㎲/100㎑와 같이
파두장과 파미장의감쇠 진동 주파수로 표시한다.

1.2×50㎲ 전압파형

전압파형(Voltage Waveshape)

그림 Ⅱ-8은 전압파형의 개략적인 형태이다.
전압파형은 유도된 임펄스가 상흥하기 시작하면서 최고치(Vpk)의 30%에서부터 90%까지 올라가는데 1.2㎲의 시간이 걸리고,
하강할 때 최고치의 50%까지 도달하는데 50㎲의 시간이 소요된다.
전압파형은 전류파형에 비해 상승시간이 짧으나 지속되는 시간은 두배 이상 걸린다.

8×20㎲ 전압파형

전류파형(Current Waveshape)

전류파형(그림 Ⅱ-9)은 상승곡선 10%에서 최대전류치(Ipk)dml 90%까지 소요시간은 8 ㎲, 하강곡선의 50%까지 떨어지는데 20 ㎲가 소요된다.

0.5㎲/100㎑ Ring Wave

진동파형(Ring Wave)

그림 Ⅱ-10은 진동파형을 나타낸 것이다.
전압파형(1.2×50㎲) 및 전류파형(8×20㎲)이 낙뢰, 전기사고, 대용량 설비의 스위칭 등 옥외 및 인입구에서 발생하는 써지인 반면,
진동파형(0.5㎲/100㎑)은 옥내에서 발생하는 써지에 직접적으로 영향을 미치는 것이 진동파형이므로,
실제로 진동파형에 대해 어떻게 대처할 것인가를 고려한 설계 기준의 설정이 임펄스의 경우보다 훨씬 중요하다.

국제 써지시험 규격

우리나라에는 써지에 관한 시험규격이 없을 뿐 아니라 이에 대한 연구도 대단히 부족한 상태여서 외국 공인기관의 써지시험 규격을 준용하여
성능평가 시험 및 특성 파악을 수행하고 있다.
표 Ⅱ-1,2,3은 외국의 대표적인 공인 기관의 써지시험 규격을 나타낸 것이다.

6. 써지보호기의 선택기준

써지보호기용으로 사용되고 있는 부품은 Silicon Avalanche Diode(SAD), Metal Oxide Varistor(Mov) 및 Gas Tube Arrestor(GTA) 3종류가 있으며,
성능 및 기능상 각각 장단점을 지니고 있다
(표 Ⅱ-4).

따라서 써지 보호기 설계시에는 각 부품의 장단점을 잘 조화시킨 하이브리드 시스템(Hybrid System)으로 설계하여야만
완벽한 성능과 기능을 가진 써지보호기를 만들 수 있다.
그러나 현재 국내에 시판되고 있는 값싼 국산 써지보호기는 MOV 한 개만으로 설계되어 써지보호기 상표로 판매되고 있지만 그 성능이 한정되어 있고,
더욱이 여러 차례 써지와 접하게 되면 MOV의 성능이 약화되면서 콘센트 기능만 남게된다.
그러므로 이러한 값싼 써지보호기를 구입하여 큰 써지로부터 컴퓨터나 기타 첨만 전기, 전자기기의 피해를 막아보려는 것은
피뢰침 없이고층빌딩을 낙뢰로부터 보호하려는 의도와 같다.
완전한 써지보호기 제품을 설계하는 것은 고가의 첨단 전기, 전자기기 소유자들에게 전기장애로 인한 피해보험에 가입하는 것과
똑같은 역할을 한다고 할 수 있다.
이러한 완전한 써지보호기를 구입하려고 할 때는 다음의 성능 유무를 반드시 확인할 필요가 있다.

보호기능의 작동상태를 확인시켜주는 "표시등"

하이브리드 회로의 설계로 다단계 보호기능을 보유해야 함.

최대 잔류통과전압(Clamping Voltage)이 110VAC 전원용이면 400볼트이하, 220VAC 전원용이면 700볼트 이하이어야 함.

안전하고 깨끗한 전기를 공급할 수 있는 EMI/RFI Noise Filter가 장착되어야 함.

지락사고로 인한 과전압 유입시에도 장비를 안전하게 보호할 수 있어야 함.

전기 및 화재 안전을 위한 Circuit Breaker, 온도퓨즈 등이 장착 되어야 함.