피뢰침
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1. 개요
피뢰침은 낙뢰로부터 건물이나 구조물을 보호하기 위해 사용되는 장치이다. 1754년 프로코프 디비시에 의해 처음 발명되었으며, 벤자민 프랭클린이 독자적으로 개발하여 널리 알려지면서 피뢰 시스템의 이해와 적용을 발전시켰다. 피뢰침은 낙뢰를 안전하게 접지로 유도하여 건물 손상과 화재를 예방하며, 공중 단자, 도체, 접지 전극으로 구성된다. 피뢰침의 종류와 설계 방식은 다양하며, 뾰족한 형태와 둥근 형태의 논쟁이 있었으나, 롤링 구체 방법과 같은 기술 발전을 통해 보호 범위를 결정한다. 설치 및 유지보수, 관련 표준을 통해 피뢰 시스템의 효과적인 작동을 보장한다.
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| 피뢰침 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 피뢰침 (避雷針) |
| 영어 명칭 | Lightning rod |
| 문화어 명칭 | 벼락촉 |
| 설명 | 구조물을 낙뢰로부터 보호하기 위한 금속 막대 |
| 작동 원리 | |
| 유도 | 낙뢰를 유도하여 안전하게 땅으로 흘려보냄 |
| 보호 범위 | 피뢰침을 중심으로 하는 일정 범위 내의 구조물 보호 |
| 구성 요소 | |
| 수뢰부 | 낙뢰를 직접 맞는 부분 (금속 침) |
| 인하도선 | 수뢰부에서 받은 전류를 접지극으로 전달하는 전선 |
| 접지극 | 전류를 땅속으로 흘려보내는 장치 |
| 재료 | |
| 주요 재료 | 구리 또는 알루미늄 |
| 특징 | 전기 전도성이 우수하고 녹이 슬지 않는 재료 사용 |
| 설치 | |
| 설치 위치 | 보호 대상 구조물의 가장 높은 곳 |
| 설치 방법 | 건물 구조에 따라 다양한 방법으로 설치 |
| 역사 | |
| 발명 | 벤저민 프랭클린이 1752년에 발명 |
| 초기 형태 | 뾰족한 금속 막대를 지붕에 설치 |
| 규격 및 표준 | |
| 관련 규격 | 각 국가별 건축 법규 및 전기 설비 규정 준수 |
| 주의사항 | |
| 정기 점검 | 피뢰 설비의 정상 작동 여부를 정기적으로 점검 |
| 접지 저항 | 접지 저항 값을 낮게 유지하여 낙뢰 전류를 효과적으로 방전 |
2. 역사
체코의 사제이자 과학자인 프로코프 디비시는 1754년에 접지된 피뢰침을 발명했다. 그의 실험 장치는 "날씨 기계"로 알려져 있으며, 벤저민 프랭클린의 피뢰침보다 먼저 만들어졌다. 그러나 프랭클린은 디비시의 연구를 알지 못한 채 독자적으로 피뢰침을 개발하여 널리 알렸다.[4]
미국에서는 1752년 벤저민 프랭클린이 뾰족한 피뢰침(접지되지 않음)을 발명했으며, '피뢰기' 또는 '프랭클린 막대'라고도 불렸다. 19세기에는 피뢰침이 장식용 유리 구슬[3]로 장식되기도 하고 풍향계에 사용되기도 했다.
1820년 윌리엄 스노우 해리스는 선박용 피뢰침 시스템을 발명했지만, 영국 해군은 1842년에야 채택했고, 러시아 제국 해군은 이미 채택한 상태였다.
네뱌스크 사탑은 1721년에서 1745년 사이에 건설되었는데, 첨탑에 스파이크가 달린 금속 막대가 장식되어 있고, 이는 철근 골조를 통해 접지되어 있어 피뢰침이었을 가능성이 있다. 이는 벤저민 프랭클린의 실험보다 28년 앞선 것이지만, 금속 지붕과 철근의 진정한 의도는 알려지지 않았다.
유럽의 많은 교회 탑은 도시에서 가장 높은 구조물이었기에 번개에 맞을 가능성이 높았다. 페터 아르워르츠는 번개를 피하려는 사람들에게 교회 안이나 주변을 제외한 다른 곳으로 피신하라고 조언했다.[11]
높은 건물이 건설됨에 따라 낙뢰의 위협도 커졌다. 낙뢰는 화재를 유발하고 건물을 파괴할 수 있다. 기독교 교회에서는 기도를 통해 낙뢰 피해를 막으려 했다.
니콜라 테슬라는 프랭클린의 피뢰침의 단점을 보완하는 새로운 피뢰침을 개발했다. 끝이 뾰족한 기존 피뢰침은 주변의 공기를 이온화하여 공기를 전도성으로 만들기 때문에 낙뢰의 위험성이 증가한다는 것이었다.
1990년대, 워싱턴 D.C.의 미국 국회의사당 돔 꼭대기에 있는 자유의 여신상을 재건했을 때, 피뢰침도 다시 설치되었다.[60] 워싱턴 기념탑에도 여러 개의 피뢰침이 있다.[61] 뉴욕의 자유의 여신상에는 번개가 떨어진 적이 있지만, 피뢰침 설비 덕분에 무사히 넘길 수 있었다.
일본에는 안세이 연간에 피뢰침 기술이 전해졌다고 알려져 있다.[62] 1856년에 간행된 『대지진력년고』에는 지붕에 끝이 뾰족하고 구리로 도금한 쇠 각주를 세우고, 쇠사슬을 사방에 뻗어 우물에 담그는 방식이 설명되어 있다.
일본 뇌 보호 시스템 공업회의 연구에 따르면, 일본 최초의 피뢰침은 이시카와현 가나자와시에 있는 오야마 신사의 신문으로 여겨졌다. 1875년 11월 25일에 준공되었으며, 설계 및 준공은 쓰다 요시노스케, 피뢰기 공수는 이마무라 키치스케라고 명기되어 있었다.
그러나 도미오카 제사 공장 건설 중 사진에는 쇠 굴뚝 최상부에 피뢰침이 달려 있는 것이 확인된다. 도미오카 제사 공장의 주요 건물은 1872년 7월경에 준공되었으므로, 도미오카 제사 공장의 피뢰침이 오야마 신사의 피뢰침보다 오래되었다.
2. 1. 피뢰침의 발명과 초기 발전
최초의 피뢰침은 체코의 사제이자 과학자인 프로코프 디비시가 1754년에 발명했다. 디비시의 피뢰침은 번개를 유도하여 안전하게 땅으로 전달하기 위한 접지된 와이어가 달린 수직 철 막대였다.[4] 디비시의 실험 장치는 "날씨 기계"로 알려졌으며, 벤저민 프랭클린의 피뢰침보다 먼저 만들어졌다. 프랭클린은 디비시의 연구를 알지 못했지만, 독자적으로 피뢰침을 개발하여 널리 알렸다. 프랭클린의 연구는 피뢰 시스템의 이해와 적용을 크게 발전시켰지만, 디비시의 초기 개념적 연구는 전기 안전 공학 역사에서 중요한 이정표로 남아 있다.미국에서는 뾰족한 피뢰침(접지되지 않음)을 '피뢰기' 또는 '프랭클린 막대'라고도 불렀으며, 1752년 벤저민 프랭클린이 전기에 대한 획기적인 탐구의 일환으로 발명했다. 프랭클린은 뾰족한 철 막대가 "전기 불꽃이 치기 전에 구름에서 조용히 빠져나올 것이다"라고 추측했다.
19세기에는 피뢰침이 장식적인 모티프로 사용되기도 했다. 피뢰침은 장식용 유리 구슬[3](현재 수집가들이 소중히 여기는)로 장식되었다. 이 유리 구슬은 풍향계에도 사용되었으며, 번개로 인한 파손이나 낙하를 통해 번개 피해의 증거를 제공하는 역할을 했다.
선박에 처음 설치된 피뢰 도체는 번개가 예상될 때 게양하는 방식이었고 성공률이 낮았다. 1820년 윌리엄 스노우 해리스는 나무로 된 범선에 피뢰 보호 장치를 장착하는 데 성공적인 시스템을 발명했지만, 영국 해군은 1842년이 되어서야 이 시스템을 채택했다. 러시아 제국 해군은 이미 이 시스템을 채택한 상태였다.
네뱌스크 사탑은 1721년에서 1745년 사이에 건설되었는데, 첨탑에 스파이크가 달린 금속 막대가 장식되어 있고, 이는 철근 골조를 통해 접지되어 있어 피뢰침이었을 가능성이 있다. 이는 벤자민 프랭클린의 실험보다 28년 앞선 것이지만, 금속 지붕과 철근의 진정한 의도는 알려지지 않았다.
많은 유럽 도시의 교회 탑은 도시에서 가장 높은 구조물이었기에 번개에 맞을 가능성이 높았다. 페터 아르워르츠는 번개를 피하려는 사람들에게 교회 안이나 주변을 제외한 다른 곳으로 피신하라고 조언했다.[11]
프레몽트레 수도회 사제 프로코프 디비시가 1754년 6월 모라비아 (현재 체코의 일부인 즈노이모)에 세운 "기상 기계"는 피뢰침의 개별 발명으로 간주될 수 있는지에 대한 논쟁이 있다. 디비시의 장치는 독립된 기둥에 설치되었고, 당시 프랭클린의 피뢰침보다 접지가 더 잘 되어 있었기에 피뢰침의 역할을 했다.[12]
2. 2. 19세기 이후의 발전
높은 건물이 건설됨에 따라 낙뢰의 위협도 커졌다. 낙뢰는 돌, 나무, 콘크리트, 강철 등 대부분의 재료로 된 건축물에 손상을 입힌다. 대전류가 흘러 고온이 되면서 화재의 원인이 되기도 하고, 건축 자재에 수분이 포함된 경우에는 수분이 순간적으로 비등하면서 수증기 폭발로 내부에서 파괴되거나 건물의 강도를 잃게 하는 등 특히 피해가 커진다.
미국에서는 벤저민 프랭클린이 전기에 관한 획기적인 실험을 했고, 그 과정에서 1752년에 피뢰침을 발명했다. 프랭클린은 유명한 연 실험을 하기 몇 년 전부터 피뢰침에 대해 생각하고 있었다. 그는 필라델피아의 크라이스트 처치가 완공되기를 기다리는 데 지쳐서, 그 교회의 탑 꼭대기에 피뢰침을 설치해 볼 수 있었다. 교회 측은 그러한 금속 막대를 설치하는 것에 대해 "신의 뜻에 반한다"며 약간의 저항을 했다. 보스턴의 올드 사우스 교회의 성직자 토마스 프린스는 1755년 "지진은 신의 섭리이며, 신의 정당한 불만의 징표"라는 제목의 설교에서, 번개를 피뢰침으로 땅으로 유도하면 그것이 땅 속에 축적되어 지진이 일어난다는 의미를 언급했다[57]。
프랭클린은 지붕에는 비를 막는 것 외에 종교적인 문제는 없으며, 번개도 거대한 전기 스파크라는 자연 현상이며, 비를 막는 것과 다를 바 없다고 반박했다. 필란트로피의 관점에서, 프랭클린은 이 발명의 특허를 취득하지 않았다.
19세기에는 피뢰침에 장식적인 의미도 더해졌다. 피뢰침에는 장식으로 유리 구슬이 장식되었다[58] (이 유리 구슬은 수집 대상이 되었다). 이러한 장식용 유리 구슬은 풍향계에도 사용되었다. 다만, 이 유리 구슬에는 그것이 깨졌는지 여부에 따라 낙뢰가 있었는지 알 수 있다는 역할이 있었다. 폭풍우 후, 피뢰침의 유리 구슬이 깨져 있다면, 그 건물 소유자는 내부나 피뢰침 및 도선에 손상이 없는지 확인할 필요가 있었다.
유리 구슬은 배 등에서 낙뢰를 방지하는 데 사용되었다. 이는 과학적으로는 잘못되었지만, 주목할 만하다. 유리는 부도체이며, 좀처럼 번개의 직격을 받지 않는다. 그래서 선원들은 유리에 번개를 피하는 힘이 있다고 생각하여, 나무로 만든 배의 가장 높은 마스트의 선단에 유리 구슬을 설치했다.
초기 배용 피뢰침은 낙뢰가 예상되는 날씨가 되면 펴서 사용하는 방식이었지만, 그다지 잘 작동하지 않았다. 1820년, 윌리엄 스노우 해리스가 목조 범선용 피뢰침을 발명했다. 1830년부터 시험이 진행되어 성공했으나, 영국 해군은 1842년까지 그 시스템을 채택하지 않았다. 그 무렵에는 이미 러시아 제국 해군에서도 그 시스템을 채택한 상태였다.
니콜라 테슬라는 프랭클린의 피뢰침의 단점을 보완하는 새로운 피뢰침을 개발했다. 끝이 뾰족한 기존 피뢰침은 주변의 공기를 이온화하여 공기를 전도성으로 만들기 때문에, 낙뢰의 위험성이 증가한다는 것이 단점이었다.
듀폰의 폭약 공장은 주변에 소나무를 심었다. 소나무 잎은 뾰족하고, 소나무 상단의 잎 끝은 지면보다 전위가 높고, 그 때문에 구름과의 전위차가 약간 작아진다. 이것에 의해 소나무 숲으로 둘러싸인 공장 부지 내는 단위 면적당 낙뢰 수가 적었다.
1990년대, 워싱턴 D.C.의 미국 국회의사당 돔 꼭대기에 있는 자유의 여신상을 재건했을 때, 피뢰침도 다시 설치되었다[60]。 워싱턴 기념탑에도 여러 개의 피뢰침이 있다[61]。 뉴욕의 자유의 여신상에는 번개가 떨어진 적이 있지만, 피뢰침 설비 덕분에 무사히 넘길 수 있었다.
2. 3. 한국으로의 전래
일본에는 안세이 연간에 피뢰침 기술이 전해졌다고 알려져 있다.[62] 1856년에 간행된 『대지진력년고』에는 지붕에 끝이 뾰족하고 구리로 도금한 쇠 각주를 세우고, 쇠사슬을 사방에 뻗어 우물에 담그는 방식이 설명되어 있다.일본 뇌 보호 시스템 공업회의 연구에 따르면, 일본 최초의 피뢰침은 이시카와현 가나자와시에 있는 오야마 신사의 신문으로 여겨졌다. 1875년 11월 25일에 준공되었으며, 설계 및 준공은 쓰다 요시노스케, 피뢰기 공수는 이마무라 키치스케라고 명기되어 있었다.
그러나 도미오카 제사 공장 건설 중 사진에는 쇠 굴뚝 최상부에 피뢰침이 달려 있는 것이 확인된다. 도미오카 제사 공장의 주요 건물은 1872년 7월경에 준공되었으므로, 도미오카 제사 공장의 피뢰침이 오야마 신사의 피뢰침보다 오래되었다는 것이 확인된다.
오야마 신사의 대목(공사장)인 쓰다 요시노스케가 도미오카 제사 공장의 피뢰침 기술을 오야마 신사에도 가져왔다고 추정된다. 1872년 6월경 쓰다는 가나자와 제사 공장 건설을 위해 도미오카 제사 공장에 파견되어 기술을 습득했다.
1872년 봄, 제2대 가나자와 시장은 가나자와 제사 공장의 설비를 도미오카 제사 공장의 기계와 건물을 모방하기로 결정했다. 이 임무를 맡은 쓰다 요시노스케와 오타 아쓰타카는 도미오카 제사 공장을 시찰하고, 쓰다는 1주일간 머물며 도면을 제작했다. 이 도면을 바탕으로 1874년 8월 16일 가나자와 제사 공장이 조업을 시작했다.
결론적으로, 쓰다 요시노스케는 도미오카 제사 공장의 건물 축척도를 작성하여 가나자와 제사 공장을 건설하고, 후에 오야마 신사 신문을 건설하면서 도미오카 제사 공장의 피뢰침을 모방하여 설치한 것으로 추정된다.
도미오카 제사 공장에서는 피뢰침에 '제뢰침'이라는 표현을 사용한 것이 현재까지 파악된 유일한 사례이다.
3. 작동 원리 및 구성 요소
피뢰침의 역할은 방전 전류가 주위에 해를 입히지 않고 땅 속으로 유도하는 것이다. 이를 위해 굵은 구리선을 사용하고, 접지 저항을 작게 하기 위해 커다란 동판을 땅 속에 묻거나 선이 접히지 않도록 주의해야 한다.[6]
피뢰 시스템은 공중 단자(피뢰침), 결합 도체, 접지 단자, 그리고 모든 커넥터 및 지지대로 구성된다. 공중 단자는 지붕 구조물의 상단에 배치되며, 결합 도체("다운 도체" 또는 "다운리드")에 의해 전기적으로 연결된다. 이 도체는 하나 이상의 접지 단자로 가장 직접적인 경로를 통해 연결된다.[8] 접지 전극 연결은 낮은 저항과 낮은 자기 인덕턴스를 가져야 한다.
이상적인 피뢰침 어셈블리의 지하 부분은 높은 접지 전도성을 가진 지역에 위치해야 한다. 지하 케이블이 부식에 잘 견딜 수 있다면 소금으로 덮어 땅과의 전기적 연결을 개선할 수 있다. 공중 단자와 접지 사이 피뢰침의 전기 저항도 중요하지만, 도체의 유도 리액턴스가 더 중요할 수 있다. 하강 도선의 경로는 짧게 유지하고, 모든 곡선은 큰 반경을 갖도록 한다. 이러한 조치를 취하지 않으면 번개 전류가 도체에서 만나는 저항 또는 리액턴스 장애물 위로 아크를 발생시켜 피뢰침을 손상시키거나 다른 전도 경로를 찾아 화재나 재해를 일으킬 수 있다. 접지에 대한 낮은 저항이 없는 접지 시스템도 구조물을 번개 피해로부터 보호하는 데 효과적일 수 있다. 접지 토양이 전도성이 좋지 않거나 얕거나 없는 경우, 접지 시스템을 접지봉, 카운터포이즈 (접지 링) 도체, 건물에서 뻗어 나가는 케이블 래디얼을 추가하거나, 콘크리트 건물의 철근을 접지 도체(우퍼 접지)로 사용하여 보강할 수 있다.[14]
구조물 위 또는 내부에 있는 전도성 물체와 피뢰 보호 시스템 사이의 측면 플래시(섬광)를 방지하기 위해 추가적인 예방 조치를 취해야 한다. 피뢰 보호 도체를 통해 흐르는 번개 전류의 서지는 그 주변의 모든 전도성 물체 사이에 전압 차이를 생성하며, 이는 위험한 측면 플래시 (스파크)를 일으킬 수 있다. 효과적인 본딩은 두 물체의 전압 전위가 동시에 상승하고 하강하도록 하여 측면 플래시의 위험을 제거한다.[15]
피뢰 시스템을 구성하는 데 상당한 재료가 사용되므로, 피뢰침이 가장 큰 보호 기능을 제공할 위치를 신중하게 고려해야 한다.
3. 1. 작동 원리
피뢰침의 역할은 낙뢰 전류를 주위에 해를 입히지 않고 땅 속으로 유도하는 것이다. 이를 위해 굵은 구리선을 사용하고, 접지 저항을 낮추기 위해 큰 동판을 땅 속에 묻거나 선이 접히지 않도록 주의해야 한다.
'''피뢰 시스템'''은 낙뢰로부터 구조물을 보호하기 위해 낙뢰를 가로채어 극도로 높은 전류를 안전하게 접지로 흘려보내도록 설계되었다. 피뢰 시스템은 잠재적인 낙뢰에 대해 낮은 임피던스 경로를 제공하는 공중 단자, 전기 도체 결합, 접지 전극 네트워크를 포함한다.
피뢰 시스템은 낙뢰로 인한 구조물 피해를 방지한다. 낙뢰 전류를 위한 낮은 임피던스 경로를 제공하여 가연성 구조 재료를 통과하는 전류의 발열 효과를 줄여 화재 위험을 완화한다. 낙뢰가 다공성이거나 물이 포화된 재료를 통과하면, 높은 전류로 인해 발생한 열에 의해 물의 함량이 증기 폭발로 변하면서 폭발할 수 있다. 나무가 낙뢰에 의해 산산조각 나는 이유가 바로 이것이다.
낙뢰와 관련된 높은 에너지와 전류 수준(전류는 150,000A를 초과할 수 있음)과 낙뢰의 매우 빠른 상승 시간 때문에, 어떤 보호 시스템도 낙뢰로부터의 절대적인 안전을 보장할 수 없다. 낙뢰 전류는 접지로 가는 모든 전도 경로를 따라 분산되며, 분산된 전류조차도 손상을 일으킬 수 있다. 2차적인 "측면 섬광"만으로도 화재를 일으키거나, 벽돌, 돌, 콘크리트를 파괴하거나, 구조물 또는 건물 내의 거주자를 다치게 할 수 있다. 그러나 기본적인 피뢰 시스템의 장점은 이미 1세기 이상 분명하게 나타났다.[6]
[어떤 낙뢰 조사 연구]의 실험실 규모 측정 결과는 자연 낙뢰를 포함하는 응용 분야로 확장되지 않는다.[7] 현장 응용 분야는 주로 고도로 복잡하고 가변적인 현상에 대한 최선의 실험실 연구를 기반으로 한 시행착오를 통해 파생되었다.
피뢰 시스템의 구성 요소는 공중 단자(피뢰침 또는 충격 종단 장치), 결합 도체, 접지 단자(접지 또는 "어싱" 막대, 판 또는 메시) 및 시스템을 완성하는 모든 커넥터 및 지지대이다. 공중 단자는 일반적으로 지붕 구조물의 상단 지점 또는 그 주변에 배치되며, 결합 도체("다운 도체" 또는 "다운리드")에 의해 전기적으로 함께 연결된다. 이 도체는 하나 이상의 접지 또는 어싱 단자로 가장 직접적인 경로를 통해 연결된다.[8] 접지 전극에 대한 연결은 낮은 저항뿐만 아니라 낮은 자기 인덕턴스를 가져야 한다.
낙뢰에 취약한 구조물의 예는 나무로 된 헛간이다. 헛간에 낙뢰가 칠 경우, 나무 구조물과 그 내용은 구조물의 일부를 통해 전도되는 낙뢰 전류에 의해 발생한 열에 의해 점화될 수 있다. 기본적인 피뢰 시스템은 공중 단자와 접지 사이에 전도성 경로를 제공하여, 낙뢰 전류의 대부분이 피뢰 시스템의 경로를 따르도록 하고, 가연성 물질을 통과하는 전류는 상당히 줄어들게 한다.
원래 과학자들은 공중 단자와 "다운리드"로 구성된 이러한 피뢰 시스템이 낙뢰의 전류를 지구로 유도하여 "소멸"시킨다고 믿었다. 그러나 고속 사진 촬영은 낙뢰가 실제로 구름 구성 요소와 반대 전하의 지상 구성 요소로 구성되어 있음을 명확하게 보여주었다. "구름에서 지상으로" 낙뢰가 발생하면, 이러한 반대 전하 구성 요소는 일반적으로 지구 상공에서 "만나" 이전에 불균형했던 전하를 균형을 이룬다. 이 전류가 가연성 물질을 통과하면서 생성되는 열은 피뢰 시스템이 낙뢰 전기 네트워크의 낮은 저항 경로를 제공함으로써 완화하려는 위험이다. 어떤 피뢰 시스템도 낙뢰를 완전히 "제어"하거나 "통제"하는 데 의존할 수 없으며(그리고 지금까지는 낙뢰를 완전히 방지하는 데에도), 대부분의 낙뢰 발생 시 상황 개선에 크게 도움이 되는 것으로 보인다.
강철 프레임 구조는 구조 부재를 접지에 전기적 결합하여 피뢰를 제공할 수 있다. 금속 깃대에 기초가 있는 구조는 그 자체로 매우 간단한 피뢰 시스템이다. 그러나 낙뢰가 칠 때 깃대에서 펄럭이는 깃발은 완전히 소각될 수 있다.
오늘날 사용되는 대부분의 피뢰 시스템은 전통적인 프랭클린 디자인이다.[8] 프랭클린형 피뢰 시스템에서 사용되는 기본 원리는 낙뢰가 건물에 손상을 주지 않고 접지에 도달하기 위해 통과하는 충분히 낮은 임피던스 경로를 제공하는 것이다.[9] 이것은 건물을 일종의 페러데이 케이지로 둘러싸는 것으로 달성된다. 낙뢰가 건물에 떨어지기 전에 가로채기 위해 피뢰 도체 및 피뢰침 시스템이 건물의 지붕에 설치된다.
피뢰기는 전력 시스템 및 통신 시스템에서 시스템의 절연체와 도체를 번개로 인한 손상으로부터 보호하기 위해 사용되는 장치로, 본질적으로 전선과 접지 사이의 공극이다. 일반적인 피뢰기는 고전압 단자와 접지 단자를 가지고 있다.
전신 및 전화에서 피뢰기는 전선이 구조물로 들어가는 지점에 설치되어 구조물 내부의 전자 장비에 대한 손상을 방지하고 구조물 근처의 개인의 안전을 보장하는 장치이다. 피뢰기의 소형 버전은 서지 보호기라고도 하며, 전력 또는 통신 시스템의 각 전기 전도체와 접지 사이에 연결되는 장치이다. 이러한 장치는 정상적인 전력 또는 신호 전류가 접지로 흐르는 것을 방지하지만 고전압 번개 전류가 흐르는 경로를 제공하여 연결된 장비를 우회한다. 피뢰기는 통신 또는 전력선에 번개가 쳤거나 번개 근처에 있을 때 전압 상승을 제한하는 데 사용된다.
가공 전선 시스템에서 전력을 전송하는 데 특별히 사용되지 않는 철탑의 상단에 하나 또는 두 개의 더 가벼운 접지선을 설치할 수 있다. 종종 "정적", "파일럿" 또는 "차폐" 와이어라고 하는 이 도체는 고전압선 자체가 아닌 번개 종단의 지점이 되도록 설계되었다. 이 도체는 주요 전력 도체를 낙뢰로부터 보호하기 위한 것이다.
이 도체는 전주 또는 철탑의 금속 구조를 통해 또는 선을 따라 정기적으로 설치된 추가 접지 전극을 통해 접지된다. 일반적으로 50 kV 미만의 전압을 가진 가공 전선에는 "정적" 도체가 없지만 50 kV 이상을 전달하는 대부분의 선에는 있다. 접지 도체 케이블은 데이터 전송을 위한 광섬유 케이블을 지원할 수도 있다.
구형 전선은 전도선을 지구와 직접 연결하는 것을 절연하는 피뢰기를 사용할 수 있으며 저전압 통신선으로 사용될 수 있다. 번개 종단과 같이 전압이 특정 임계값을 초과하면 절연체를 "뛰어넘어" 지구로 통과한다.
변전소의 보호는 피뢰침 자체만큼 다양하며 종종 전기 회사의 전유물이다.
무선 마스트 방사기는 기저부의 스파크 갭으로 접지로부터 절연될 수 있다. 번개가 마스트를 치면, 이 갭을 뛰어넘는다. 마스트와 튜닝 장치 사이의 급전선에 있는 작은 인덕턴스(보통 한 번 감기)는 전압 상승을 제한하여 송신기를 위험할 정도로 높은 전압으로부터 보호한다.
송신기는 안테나의 전기적 특성을 모니터링하는 장치를 갖춰야 한다. 이는 매우 중요한데, 번개가 치고 난 후 전하가 남아 갭이나 절연체를 손상시킬 수 있기 때문이다.
모니터링 장치는 안테나가 부적절한 동작을 보일 때, 예를 들어 원치 않는 전하의 결과로 송신기를 끈다. 송신기가 꺼지면 이러한 전하는 소멸된다. 모니터링 장치는 다시 켜기 위해 여러 번 시도한다. 여러 번 시도한 후에도 안테나가 구조적 손상의 결과로 부적절한 동작을 계속 보이면 송신기는 꺼진 상태로 유지된다.
이상적으로는 피뢰침 어셈블리의 지하 부분은 높은 접지 전도성을 가진 지역에 위치해야 한다. 지하 케이블이 부식에 잘 견딜 수 있다면 소금으로 덮어 땅과의 전기적 연결을 개선할 수 있다. 공중 단자와 접지 사이의 피뢰침의 전기 저항도 중요하지만, 도체의 유도 리액턴스가 더 중요할 수 있다. 이러한 이유로, 하강 도선의 경로는 짧게 유지하고, 모든 곡선은 큰 반경을 갖는다. 이러한 조치를 취하지 않으면 번개 전류가 도체에서 만나는 저항 또는 리액턴스 장애물 위로 아크를 발생시킬 수 있다. 적어도 아크 전류는 피뢰침을 손상시키고, 건물 배선이나 배관과 같은 다른 전도 경로를 쉽게 찾아 화재나 기타 재해를 일으킬 수 있다. 접지에 대한 낮은 저항이 없는 접지 시스템도 구조물을 번개 피해로부터 보호하는 데 효과적일 수 있다. 접지 토양이 전도성이 좋지 않거나, 매우 얕거나, 존재하지 않는 경우, 접지 시스템은 접지봉, 카운터포이즈 (접지 링) 도체, 건물에서 뻗어 나가는 케이블 래디얼을 추가하거나, 콘크리트 건물의 철근을 접지 도체(우퍼 접지)로 사용할 수 있다. 이러한 추가 사항은 어떤 경우에는 시스템의 저항을 줄이지 않더라도, 구조물에 손상을 주지 않고 번개를 지구로 분산시킬 수 있게 한다.[14]
구조물 위 또는 내부에 있는 전도성 물체와 피뢰 보호 시스템 사이의 측면 플래시를 방지하기 위해 추가적인 예방 조치를 취해야 한다. 피뢰 보호 도체를 통해 흐르는 번개 전류의 서지는 그 주변의 모든 전도성 물체 사이에 전압 차이를 생성한다. 이 전압 차이는 두 물체 사이에 위험한 측면 플래시 (스파크)를 일으킬 수 있을 정도로 커서, 특히 가연성 또는 폭발성 물질을 보관하는 구조물에 심각한 피해를 줄 수 있다. 이러한 잠재적 손상을 방지하는 가장 효과적인 방법은 피뢰 보호 시스템과 측면 플래시에 취약한 모든 물체 간의 전기적 연속성을 보장하는 것이다. 효과적인 본딩은 두 물체의 전압 전위가 동시에 상승하고 하강하도록 하여 측면 플래시의 위험을 제거한다.[15]
피뢰 시스템을 구성하는 데 상당한 재료가 사용되므로, 피뢰침이 가장 큰 보호 기능을 제공할 위치를 신중하게 고려하는 것이 현명하다. 벤 프랭클린의 진술에서 비롯된 번개에 대한 역사적 이해는 각 ''피뢰침''이 45도의 원뿔을 보호한다고 가정했다.[16] 이는 건물의 측면에 번개가 칠 수 있기 때문에 더 높은 구조물을 보호하는 데 만족스럽지 않은 것으로 밝혀졌다.
번개의 종단 목표에 대한 더 나은 이해를 바탕으로 한 모델링 시스템인 롤링 구체 방법(Rolling Sphere Method)이 티보르 호르바스 박사에 의해 개발되었다. 이 방법은 전통적인 프랭클린 로드 시스템을 설치하는 표준이 되었다. 이것을 이해하려면 번개가 어떻게 '이동'하는지에 대한 지식이 필요하다. 번개 볼트의 단계 리더가 땅을 향해 이동하면서 경로에 가장 가까운 접지된 물체를 향해 이동한다. 각 단계가 이동할 수 있는 최대 거리를 ''임계 거리''라고 하며, 이는 전기 전류에 비례한다. 물체가 이 임계 거리보다 리더에 더 가까이 있으면 번개가 칠 가능성이 높다. 지면 근처에서 구체의 반경을 46 m로 근사하는 것이 표준 관행이다.[17]
임계 거리 밖에 있는 물체는 임계 거리 내에 단단히 접지된 물체가 있는 경우 리더에 의해 쳐질 가능성이 낮다. 번개로부터 안전하다고 간주되는 위치는 구름에서 땅으로 이동하는 구체로 리더의 잠재적 경로를 상상함으로써 결정될 수 있다. 번개 보호를 위해 모든 가능한 구체가 잠재적 충격 지점에 닿는다고 고려하는 것으로 충분하다. 충격 지점을 결정하기 위해 지형 위를 구르는 구체를 고려한다. 각 지점에서 잠재적인 리더 위치가 시뮬레이션된다. 번개는 구체가 땅에 닿는 곳에서 칠 가능성이 가장 높다. 구체가 지나갈 수 없고 닿을 수 없는 지점은 번개로부터 가장 안전하다. 피뢰기는 구체가 구조물에 닿는 것을 방지할 수 있는 곳에 배치해야 한다. 그러나 대부분의 번개 전환 시스템의 약점은 번개 막대에서 접지로 캡처된 방전을 운반하는 것이다.[18] 피뢰침은 일반적으로 평평한 지붕의 가장자리나 경사진 지붕의 꼭대기를 따라 막대의 높이에 따라 6.1m 또는 7.6m 간격으로 설치된다.[19] 평평한 지붕의 치수가 15 m x 15 m보다 큰 경우, 지붕 중앙에 15 m 이하 간격으로 사각형 격자 패턴으로 추가적인 피뢰침이 설치된다.[20]
피뢰침의 팁에 대한 최적의 모양은 18세기부터 논란이 되어 왔다. 영국과 미국의 식민지 사이의 정치적 대립 기간 동안, 영국의 과학자들은 피뢰침이 끝에 공 모양을 가져야 한다고 주장했고, 미국의 과학자들은 뾰족한 모양이어야 한다고 주장했다. 현재까지 이 논쟁은 완전히 해결되지 않았다.[21]
적절한 통제 실험이 거의 불가능하기 때문에 이 논쟁을 해결하기는 어렵지만, 찰스 B. 무어 등이 2000년에 수행한 연구[22]는 이 문제에 대한 몇 가지 실마리를 제공했으며, 적당히 둥글거나 뭉툭한 팁의 피뢰침이 약간 더 나은 낙뢰 수용체 역할을 한다는 것을 발견했다. 그 결과 미국에서는 대부분의 새로운 시스템에 둥근 팁의 피뢰침이 설치되고 있지만, 기존 시스템의 대부분은 여전히 뾰족한 피뢰침을 사용하고 있다. 연구에 따르면,
또한, 구조물에 대한 피뢰기의 높이, 그리고 지구 자체의 높이도 모두 영향을 미친다.[23][24]
전하 전달 이론은 보호 대상 구조물에 대한 번개 피해를 예방하기 위해 보호 대상 구조물과 뇌우 사이의 전위차를 줄일 수 있다고 주장한다. 이는 전하를 전달함으로써 이루어진다(예: 인근 지구에서 하늘로 또는 그 반대로).[25][26] 지구에서 하늘로 전하를 전달하기 위해 구조물 상단에 여러 개의 뾰족한 지점을 가진 공학 제품을 설치한다. 뾰족한 물체가 실제로 주변 대기로 전하를 전달하며,[27][28] 뇌우가 머리 위에 있을 때와 같이 전계가 존재할 때 뾰족한 지점에서 이온화가 발생하여 도체를 통해 상당한 전류가 측정될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
미국에서 전미 방화 협회(NFPA)는 현재 번개 피해를 예방하거나 줄일 수 있는 장치를 지지하지 않는다. NFPA 표준 위원회는 분산 배열[tm] 시스템 및 전하 전달 시스템을 다루는 프로젝트에 대한 요청에 따라 이러한 기술에 대한 표준을 제정하는 것을 거부했다(그러나 위원회는 기본 기술과 과학의 유효성을 입증하는 신뢰할 수 있는 자료가 제출된 후 향후 표준 개발을 배제하지 않았다).[29]
초기 스트리머 방출 이론은 피뢰침에 그 끝 부분 근처에서 이온화를 생성하는 메커니즘이 있다면 번개 포획 영역이 크게 증가한다고 제안한다. 처음에는 1930년부터 1980년 사이에 소량의 방사성 동위원소(라듐-226 또는 아메리슘-241)를 이온화원으로 사용했으며, 이후 다양한 전기 및 전자 장치로 대체되었다.[30] 초기 특허에 따르면 대부분의 피뢰 보호 장치의 접지 전위가 상승하기 때문에, 이온화원은 상승된 접지점까지의 경로 거리가 더 짧아 더 강한 전장(단위 거리당 볼트 단위로 측정)을 생성하고 해당 구조가 이온화 및 파괴되기 쉽다.[31]
프랑스 국가 표준화 기관인 AFNOR는 이 기술을 다루는 표준인 NF C 17-102를 발행했다. NFPA도 이 주제를 조사했으며 미국에서 유사한 표준을 발행하자는 제안이 있었다. 처음에는 NFPA의 독립적인 제3자 패널이 "\[초기 스트리머 방출] 피뢰 기술은 기술적으로 건전한 것으로 보인다"고 밝혔으며 "물리적 관점에서 \[초기 스트리머 방출] 에어 터미널 개념 및 설계에 대한 적절한 이론적 근거"가 있다고 언급했다.[32]) 같은 패널은 또한 "권장되는 \[NFPA 781 표준] 피뢰 시스템은 과학적으로나 기술적으로 검증된 적이 없으며, 프랭클린 로드 에어 터미널은 뇌우 조건에서 현장 테스트에서 검증되지 않았다"고 결론지었다.
이에 대응하여 미국 지구물리학 연합은 "브라이언 패널은 기존 피뢰 시스템의 효과 및 과학적 근거에 대한 연구 및 문헌을 거의 검토하지 않았으며, 표준에 근거가 없다는 결론을 내린 것은 오류였다"고 결론지었다. AGU는 보고서에서 기존 시스템에 대한 제안된 수정 사항의 효과를 평가하려는 시도를 하지 않았다.[33] NFPA는 초기 스트리머 방출 기반 보호 시스템이 기존 에어 터미널보다 효과가 증가했다는 증거 부족으로 인해 표준 781의 초안을 철회했다.
국제 번개 보호 회의 (ICLP) 과학 위원회 위원들은 초기 스트리머 방출 기술에 반대하는 공동 성명을 발표했다.[34] ICLP는 2016년까지 ESE 및 관련 기술과 관련된 정보를 담은 웹 페이지를 유지했다.[35] 그럼에도 불구하고 ESE 피뢰 시스템을 갖춘 건물 및 구조물의 수는 유럽, 아메리카, 중동, 러시아, 중국, 한국, 동남아시아 국가 연합 국가 및 호주에서 온 ESE 에어 터미널 제조업체의 수와 함께 증가하고 있다.[36]
3. 2. 구성 요소
피뢰 시스템은 낙뢰로부터 구조물을 보호하기 위해 설계되었으며, 낙뢰를 가로채 극도로 높은 전류를 안전하게 접지로 흘려보낸다. 피뢰 시스템은 공중 단자, 전기 도체 결합, 접지 전극 네트워크를 포함하며, 잠재적인 낙뢰에 대해 낮은 임피던스 경로를 제공한다.[6]피뢰 시스템의 구성 요소는 다음과 같다.
- 공중 단자 (피뢰침 또는 충격 종단 장치): 일반적으로 지붕 구조물의 상단 지점 또는 그 주변에 배치된다.
- 결합 도체 ("다운 도체" 또는 "다운리드"): 공중 단자와 전기적으로 연결되어 하나 이상의 접지 또는 어싱 단자로 가장 직접적인 경로를 통해 연결된다.[8]
- 접지 단자 (접지 또는 "어싱" 막대, 판 또는 메시): 낮은 저항뿐만 아니라 낮은 자기 인덕턴스를 가져야 한다.[8]
- 커넥터 및 지지대: 시스템을 완성한다.
낙뢰 전류는 접지로 가는 모든 전도 경로를 따라 분산되며, 분산된 전류조차도 손상을 일으킬 수 있다. 2차적인 "측면 섬광"은 화재를 일으키거나, 벽돌, 돌, 콘크리트를 파괴하거나, 구조물 또는 건물 내 거주자를 다치게 할 수 있다. 그러나 기본적인 피뢰 시스템의 장점은 이미 1세기 이상 분명하게 나타났다.[6]
강철 프레임 구조는 구조 부재를 접지에 전기적 결합하여 피뢰를 제공할 수 있다. 금속 깃대에 기초가 있는 구조는 그 자체로 매우 간단한 피뢰 시스템이지만, 낙뢰가 칠 때 깃발은 완전히 소각될 수 있다.
오늘날 사용되는 대부분의 피뢰 시스템은 전통적인 프랭클린 디자인이다.[8] 프랭클린형 피뢰 시스템은 낙뢰가 건물에 손상을 주지 않고 접지에 도달하기 위해 통과하는 충분히 낮은 임피던스 경로를 제공한다.[9] 이는 건물을 일종의 페러데이 케이지로 둘러싸는 것으로 달성된다.
피뢰침의 지하 부분은 높은 접지 전도성을 가진 지역에 위치해야 하며, 부식에 잘 견디는 지하 케이블을 소금으로 덮어 땅과의 전기적 연결을 개선할 수 있다. 공중 단자와 접지 사이 피뢰침의 전기 저항도 중요하지만, 도체의 유도 리액턴스가 더 중요할 수 있다. 하강 도선의 경로는 짧게 유지하고, 모든 곡선은 큰 반경을 갖도록 한다. 이러한 조치를 취하지 않으면 번개 전류가 도체에서 만나는 저항 또는 리액턴스 장애물 위로 아크를 발생시켜 피뢰침을 손상시키거나 다른 전도 경로를 찾아 화재나 재해를 일으킬 수 있다. 접지에 대한 낮은 저항이 없는 접지 시스템도 구조물을 번개 피해로부터 보호하는 데 효과적일 수 있다. 접지 토양이 전도성이 좋지 않거나 얕거나 없는 경우, 접지 시스템을 보강할 수 있다.[14]
구조물 위 또는 내부에 있는 전도성 물체와 피뢰 보호 시스템 사이의 측면 플래시를 방지하기 위해 추가적인 예방 조치를 취해야 한다. 피뢰 보호 도체를 통해 흐르는 번개 전류의 서지는 그 주변의 모든 전도성 물체 사이에 전압 차이를 생성하며, 이는 위험한 측면 플래시 (스파크)를 일으킬 수 있다. 효과적인 본딩은 두 물체의 전압 전위가 동시에 상승하고 하강하도록 하여 측면 플래시의 위험을 제거한다.[15]
4. 피뢰침의 종류 및 설계
피뢰침은 막대 형태의 도체로, 보호 대상인 건축물 등의 윗부분에 설치된다. 낙뢰 시에는 이 부분으로 벼락을 유도하여 접지로 연결함으로써 해당 건축물 등의 피해를 방지한다. 피뢰침에 의해 형성되는 보호 범위, 즉 낙뢰로 인한 피해가 발생하지 않는(극히 발생하기 어려워지는) 범위를 "방호 범위"(Lightning Protection Zones)라고 한다.
낙뢰 시, 벼락의 큰 전류가 피뢰침에 도달하기 때문에, 접지선을 피뢰침 본체에서 지면까지 연결하여 지중에 매설된 동판 등에 접속해야 한다. 내선 규정에서는 동판 등의 접지 저항 값을 10Ω 이하(전용 접지극의 경우 30Ω 이하)로 규정하고 있지만, 최대한 낮은 접지 저항 값을 가지는 것이 바람직하다.
방호 범위를 넓히기 위해 피뢰침 외에 옥상 도체(긴 막대 형태의 도체를 지붕 등에 설치) 등을 병용하기도 한다. 이는 큰 빌딩이나 높이가 있는 문화재 등 피뢰침만으로는 충분한 방호 범위를 확보하기 어려운 경우에 사용된다.
일본에서는 건축 기준법에 의해 20미터를 초과하는 건축물에는 피뢰침(피뢰 설비) 설치가 의무화되어 있다.
피뢰침의 방호 범위를 결정하는 방법에는 보호각법과 회전구체법이 있다.
- 보호각법: 구JIS A 4201에서는 피뢰침 선단에서 꼭지각 45도 또는 60도의 원뿔형 내에 들어가는 부분을 낙뢰로부터 보호되는 범위로 간주했다.
- 회전구체법: 2003년 IEC 규격에 맞춰 JIS A 4201이 개정되면서, 큰 건물 등에서는 회전구체법에 의해 구해지는 나팔 모양의 부분을 낙뢰로부터 보호되는 범위로 간주한다. 피뢰침의 효과는 반경 30미터 이내로 제한된다.[54]
피뢰침의 방호 범위는 "이 안에서는 절대로 낙뢰가 없다"는 것을 의미하지는 않는다. 피뢰침 자체에 낙뢰가 발생할 수 있으며, 피뢰침이나 연결된 도선 등에 접촉하거나 근처에 있으면 벼락을 맞아 사망할 수 있다. 또한, 이러한 장소에 전기 기기 등을 배치하면 뇌전류 자체의 분류나 전자 유도 작용에 의해 파괴될 수 있다.
피뢰침에 낙뢰가 발생하면 피뢰침 접지극으로부터 2.5미터 범위 내 대지의 전위 기울기가 매우 급격하여 위험하다.[55] 따라서 피뢰침에 낙뢰가 발생할 때, 피뢰침 시스템 및 그 주변에는 높은 전압이 발생한다는 점에 주의해야 한다. 옥외 지상에서 매설 표지 등을 보고 피뢰침 시스템으로부터 충분한 거리를 확보했다고 생각해도, 피뢰침에 연결된 도선이나 접지극의 크기, 넓이 등은 눈에 보이지 않아 위험하므로, 벼락을 만났을 때는 옥외 피뢰침 방호 범위로 대피하는 것이 아니라, 건물 내로 즉시 대피해야 한다.
최근에는 피뢰침을 개량하여 미리 번개를 유인하는 뇌 스트리머를 방출하여 넓은 범위를 커버할 수 있는 피뢰 시스템(ESE:Early Streamer Emission, 조기 스트리머 방출형 피뢰침)이 개발되고 있다.[50] 또한, "수뢰침"이라는 이름으로 돌침 선단을 개량하여 효과를 높인 것이나,[51] 수평 방향으로 뻗은 우산형 피뢰침도[52] 개발되었다. 유럽에서는 뇌 스트리머를 방출하지 않고 낙뢰 자체를 억제하는 소이온 용량형 피뢰침(PDCE), 미국에서는 이온 전하를 상공으로 방출하여 지상으로 낙뢰하지 않도록 하는 이온 방산형 피뢰침(DAS)도 개발·연구되고 있지만, 효과에 대한 객관적인 평가가 없다는 비판도 있다.[53]
4. 1. 피뢰침의 종류
피뢰침의 종류는 다음과 같다.| 종류 | 설명 |
|---|---|
| 프랭클린 피뢰침 | 오늘날 사용되는 대부분의 피뢰 시스템은 전통적인 프랭클린 디자인이다.[8] 낙뢰가 건물에 손상을 주지 않고 접지에 도달하기 위해 통과하는 충분히 낮은 임피던스 경로를 제공한다.[9] |
| 피뢰기 | 전력 시스템 및 통신 시스템에서 시스템의 절연체와 도체를 번개로 인한 손상으로부터 보호하기 위해 사용되는 장치로, 전선과 접지 사이의 공극이다. 전신 및 전화에서 피뢰기는 전선이 구조물로 들어가는 지점에 설치되어 구조물 내부의 전자 장비에 대한 손상을 방지하고 구조물 근처의 개인의 안전을 보장한다. |
| 접지선 | 가공 전선 시스템에서 전력을 전송하는 데 특별히 사용되지 않는 철탑의 상단에 설치되는 하나 또는 두 개의 더 가벼운 접지선이다. "정적", "파일럿" 또는 "차폐" 와이어라고도 불리며, 고전압선 자체가 아닌 번개 종단의 지점이 되도록 설계되었다. |
| 무선 마스트 방사기 | 기저부의 스파크 갭으로 접지로부터 절연될 수 있다. 번개가 마스트를 치면, 이 갭을 뛰어넘는다. |
| ESE 피뢰침 (Early Streamer Emission, 조기 스트리머 방출형 피뢰침) | 소량의 방사성 동위원소 등의 장치를 피뢰침 위에 배치하여, 선단 부근에서 이온화를 생성함으로써 광범위한 뇌격을 유도하기 쉽도록 한다는 이론으로 만들어진 피뢰침이다. |
| 소거 이온 용량형 피뢰침 (PDCE, Para-ryos Desionnizador Carge Electrostatica, 절연 전극형 피뢰침) | |
| 레이저 피뢰침 | 플라즈마 채널을 형성하여 낙뢰를 보다 유도하기 쉽게 하는 장치이다.[63] |
4. 2. 피뢰침 설계
피뢰침의 역할은 낙뢰 전류를 주위에 피해 없이 땅 속으로 유도하는 것이다. 이를 위해 구리선을 굵게 하고, 접지 저항을 낮추기 위해 큰 동판을 땅 속에 묻거나 선이 접히지 않도록 주의해야 한다.[8]피뢰 시스템은 낙뢰로부터 구조물을 보호하기 위해 낙뢰를 가로채어 높은 전류를 안전하게 접지로 흘려보내도록 설계되었다. 피뢰 시스템은 공중 단자, 전기 도체 결합, 접지 전극 네트워크를 포함하여 낙뢰에 대해 낮은 임피던스 경로를 제공한다.
피뢰 시스템은 낙뢰로 인한 구조물 피해를 방지하고 화재 위험을 완화한다. 낙뢰 전류를 위한 낮은 임피던스 경로를 제공하여 가연성 재료를 통과하는 전류의 발열 효과를 줄인다. 낙뢰가 다공성, 수분 포화 재료를 통과하면 증기 폭발로 인해 재료가 폭발할 수 있는데, 나무가 낙뢰에 산산조각 나는 이유가 바로 이것이다.
낙뢰의 높은 에너지와 전류(150,000A 초과 가능), 빠른 상승 시간 때문에 절대적인 안전을 보장하는 시스템은 없다. 낙뢰 전류는 접지로 가는 모든 전도 경로를 따라 분산되며, 분산된 전류조차도 손상을 일으킬 수 있다. 2차적인 "측면 섬광"은 화재, 벽돌, 돌, 콘크리트 파괴, 구조물 내 거주자 부상을 유발할 수 있다. 그러나 기본적인 피뢰 시스템의 장점은 1세기 이상 분명하게 나타났다.[6]
어떤 낙뢰 조사 연구의 실험실 규모 측정 결과는 자연 낙뢰를 포함하는 응용 분야로 확장되지 않는다.[7] 현장 응용은 복잡하고 가변적인 현상에 대한 최선의 실험실 연구를 기반으로 한 시행착오를 통해 파생되었다.
피뢰 시스템 구성 요소는 공중 단자(피뢰침 또는 충격 종단 장치), 결합 도체, 접지 단자(접지 또는 "어싱" 막대, 판 또는 메시), 커넥터 및 지지대이다. 공중 단자는 지붕 구조물 상단 또는 주변에 배치되며, 결합 도체("다운 도체" 또는 "다운리드")에 의해 전기적으로 함께 연결된다. 이 도체는 하나 이상의 접지 또는 어싱 단자로 가장 직접적인 경로를 통해 연결된다.[8] 접지 전극 연결은 낮은 저항뿐만 아니라 낮은 자기 인덕턴스를 가져야 한다.
낙뢰 취약 구조물의 예로 나무 헛간이 있다. 헛간에 낙뢰가 치면, 나무 구조물과 그 내용은 구조물을 통과하는 낙뢰 전류에 의해 발생한 열에 의해 점화될 수 있다. 기본적인 피뢰 시스템은 공중 단자와 접지 사이에 전도성 경로를 제공하여 낙뢰 전류 대부분이 피뢰 시스템 경로를 따르도록 하고, 가연성 물질을 통과하는 전류는 줄어들게 한다.
과학자들은 원래 피뢰 시스템이 낙뢰 전류를 지구로 유도하여 "소멸"시킨다고 믿었다. 그러나 고속 사진 촬영은 낙뢰가 구름과 반대 전하의 지상 구성 요소로 구성됨을 보여주었다. "구름에서 지상으로" 낙뢰 발생 시, 반대 전하 구성 요소는 지구 상공에서 "만나" 전하 불균형을 해소한다. 이 전류가 가연성 물질을 통과하며 생성되는 열은 피뢰 시스템이 낮은 저항 경로를 제공함으로써 완화하려는 위험이다. 어떤 피뢰 시스템도 낙뢰를 완전히 "제어"하거나 "통제"할 수 없지만(낙뢰 방지 역시 불가능), 대부분의 낙뢰 발생 시 상황 개선에 크게 도움이 되는 것으로 보인다.
강철 프레임 구조는 구조 부재를 접지에 전기적 결합하여 피뢰를 제공할 수 있다. 금속 깃대에 기초가 있는 구조는 매우 간단한 피뢰 시스템이다. 그러나 낙뢰 시 깃발은 완전히 소각될 수 있다.
오늘날 사용되는 대부분의 피뢰 시스템은 전통적인 프랭클린 디자인이다.[8] 프랭클린형 피뢰 시스템의 기본 원리는 낙뢰가 건물에 손상을 주지 않고 접지에 도달하기 위해 충분히 낮은 임피던스 경로를 제공하는 것이다.[9] 이는 건물을 일종의 페러데이 케이지로 둘러싸는 것으로 달성된다. 낙뢰가 건물에 떨어지기 전에 가로채기 위해 피뢰 도체 및 피뢰침 시스템이 건물의 지붕에 설치된다.
피뢰기는 전력 및 통신 시스템에서 절연체와 도체를 번개로부터 보호하는 장치로, 전선과 접지 사이의 공극이다. 일반적인 피뢰기는 고전압 단자와 접지 단자를 가진다.
전신 및 전화에서 피뢰기는 전선이 구조물로 들어가는 지점에 설치되어 구조물 내부 전자 장비 손상 방지 및 구조물 근처 개인의 안전을 보장한다. 피뢰기의 소형 버전은 서지 보호기라고도 하며, 전력 또는 통신 시스템의 각 전기 전도체와 접지 사이에 연결된다. 이러한 장치는 정상 전류가 접지로 흐르는 것을 방지하지만 고전압 번개 전류가 흐르는 경로를 제공하여 연결된 장비를 우회한다. 피뢰기는 통신 또는 전력선에 번개가 쳤거나 번개 근처에 있을 때 전압 상승을 제한하는 데 사용된다.
가공 전선 시스템에서 전력 전송용이 아닌 철탑 상단에 하나 또는 두 개의 접지선을 설치할 수 있다. "정적", "파일럿", "차폐" 와이어라고 하는 이 도체는 고전압선 자체가 아닌 번개 종단의 지점이 되도록 설계되었다. 이 도체는 주요 전력 도체를 낙뢰로부터 보호한다.
이 도체는 전주 또는 철탑의 금속 구조를 통해 또는 선을 따라 정기적으로 설치된 추가 접지 전극을 통해 접지된다. 50 kV 미만 전압의 가공 전선에는 "정적" 도체가 없지만, 50 kV 이상은 대부분 있다. 접지 도체 케이블은 데이터 전송을 위한 광섬유 케이블을 지원할 수도 있다.
구형 전선은 전도선을 지구와 직접 연결하는 것을 절연하는 피뢰기를 사용할 수 있으며 저전압 통신선으로 사용될 수 있다. 번개 종단과 같이 전압이 특정 임계값을 초과하면 절연체를 "뛰어넘어" 지구로 통과한다.
변전소 보호는 피뢰침 자체만큼 다양하며 종종 전기 회사의 전유물이다.
무선 마스트 방사기는 기저부의 스파크 갭으로 접지로부터 절연될 수 있다. 번개가 마스트를 치면, 이 갭을 뛰어넘는다. 마스트와 튜닝 장치 사이 급전선의 작은 인덕턴스(보통 한 번 감기)는 전압 상승을 제한하여 송신기를 보호한다.
송신기는 안테나의 전기적 특성을 모니터링하는 장치를 갖춰야 한다. 번개 후 전하가 남아 갭이나 절연체를 손상시킬 수 있기 때문이다.
모니터링 장치는 안테나가 부적절한 동작을 보일 때(예: 원치 않는 전하) 송신기를 끈다. 송신기가 꺼지면 전하는 소멸된다. 모니터링 장치는 다시 켜기 위해 여러 번 시도한다. 여러 번 시도 후에도 안테나가 부적절한 동작을 계속하면(구조적 손상) 송신기는 꺼진 상태로 유지된다.
이상적으로 피뢰침 어셈블리의 지하 부분은 높은 접지 전도성을 가진 지역에 위치해야 한다. 지하 케이블이 부식에 잘 견딜 수 있다면 소금으로 덮어 땅과의 전기적 연결을 개선할 수 있다. 공중 단자와 접지 사이 피뢰침의 전기 저항도 중요하지만, 도체의 유도 리액턴스가 더 중요할 수 있다. 하강 도선 경로는 짧게 유지하고, 모든 곡선은 큰 반경을 갖는다. 이러한 조치를 취하지 않으면 번개 전류가 도체에서 만나는 저항 또는 리액턴스 장애물 위로 아크를 발생시킬 수 있다. 아크 전류는 피뢰침을 손상시키고, 건물 배선이나 배관과 같은 다른 전도 경로를 찾아 화재나 재해를 일으킬 수 있다. 접지에 대한 낮은 저항이 없는 접지 시스템도 구조물을 번개 피해로부터 보호하는 데 효과적일 수 있다. 접지 토양이 전도성이 좋지 않거나, 얕거나, 없는 경우, 접지 시스템은 접지봉, 카운터포이즈(접지 링) 도체, 건물에서 뻗어 나가는 케이블 래디얼을 추가하거나, 콘크리트 건물의 철근을 접지 도체(우퍼 접지)로 사용할 수 있다. 이러한 추가 사항은 시스템의 저항을 줄이지 않더라도, 구조물에 손상을 주지 않고 번개를 지구로 분산시킬 수 있게 한다.[14]
구조물 위 또는 내부에 있는 전도성 물체와 피뢰 보호 시스템 사이의 측면 플래시를 방지하기 위해 추가적인 예방 조치를 취해야 한다. 피뢰 보호 도체를 통해 흐르는 번개 전류의 서지는 그 주변의 모든 전도성 물체 사이에 전압 차이를 생성한다. 이 전압 차이는 두 물체 사이에 위험한 측면 플래시(스파크)를 일으킬 수 있을 정도로 커서, 가연성 또는 폭발성 물질을 보관하는 구조물에 심각한 피해를 줄 수 있다. 이러한 잠재적 손상을 방지하는 가장 효과적인 방법은 피뢰 보호 시스템과 측면 플래시에 취약한 모든 물체 간의 전기적 연속성을 보장하는 것이다. 효과적인 본딩은 두 물체의 전압 전위가 동시에 상승하고 하강하도록 하여 측면 플래시의 위험을 제거한다.[15]
피뢰 시스템 구성에 상당한 재료가 사용되므로, 피뢰침이 가장 큰 보호 기능을 제공할 위치를 신중하게 고려하는 것이 현명하다. 벤 프랭클린의 진술에서 비롯된 번개에 대한 역사적 이해는 각 ''피뢰침''이 45도의 원뿔을 보호한다고 가정했다.[16] 이는 건물의 측면에 번개가 칠 수 있기 때문에 더 높은 구조물을 보호하는 데 만족스럽지 않은 것으로 밝혀졌다.
번개의 종단 목표에 대한 더 나은 이해를 바탕으로 한 모델링 시스템인 롤링 구체 방법(Rolling Sphere Method)이 티보르 호르바스 박사에 의해 개발되었다. 이 방법은 전통적인 프랭클린 로드 시스템을 설치하는 표준이 되었다. 이를 이해하려면 번개가 '이동'하는 방식에 대한 지식이 필요하다. 번개 볼트의 단계 리더가 땅을 향해 이동하면서 경로에 가장 가까운 접지된 물체를 향해 이동한다. 각 단계가 이동할 수 있는 최대 거리를 ''임계 거리''라고 하며, 이는 전기 전류에 비례한다. 물체가 이 임계 거리보다 리더에 더 가까이 있으면 번개가 칠 가능성이 높다. 지면 근처에서 구체의 반경을 46 m로 근사하는 것이 표준 관행이다.[17]
임계 거리 밖에 있는 물체는 임계 거리 내에 단단히 접지된 물체가 있는 경우 리더에 의해 쳐질 가능성이 낮다. 번개로부터 안전하다고 간주되는 위치는 구름에서 땅으로 이동하는 구체로 리더의 잠재적 경로를 상상함으로써 결정될 수 있다. 번개 보호를 위해 모든 가능한 구체가 잠재적 충격 지점에 닿는다고 고려하는 것으로 충분하다. 충격 지점을 결정하기 위해 지형 위를 구르는 구체를 고려한다. 각 지점에서 잠재적인 리더 위치가 시뮬레이션된다. 번개는 구체가 땅에 닿는 곳에서 칠 가능성이 가장 높다. 구체가 지나갈 수 없고 닿을 수 없는 지점은 번개로부터 가장 안전하다. 피뢰기는 구체가 구조물에 닿는 것을 방지할 수 있는 곳에 배치해야 한다. 그러나 대부분의 번개 전환 시스템의 약점은 번개 막대에서 접지로 캡처된 방전을 운반하는 것이다.[18] 피뢰침은 일반적으로 평평한 지붕의 가장자리나 경사진 지붕의 꼭대기를 따라 막대의 높이에 따라 6.1m 또는 7.6m 간격으로 설치된다.[19] 평평한 지붕의 치수가 15 m x 15 m보다 큰 경우, 지붕 중앙에 15 m 이하 간격으로 사각형 격자 패턴으로 추가적인 피뢰침이 설치된다.[20]
피뢰침 팁의 최적 모양은 18세기부터 논란이었다. 영국과 미국의 식민지 사이 정치적 대립 기간 동안, 영국 과학자들은 피뢰침 끝에 공 모양, 미국 과학자들은 뾰족한 모양이어야 한다고 주장했다. 현재까지 이 논쟁은 완전히 해결되지 않았다.[21]
적절한 통제 실험이 거의 불가능하여 논쟁 해결은 어렵지만, 찰스 B. 무어 등의 2000년 연구[22]는 이 문제에 대한 몇 가지 실마리를 제공했으며, 적당히 둥글거나 뭉툭한 팁의 피뢰침이 약간 더 나은 낙뢰 수용체 역할을 한다는 것을 발견했다. 그 결과 미국에서는 대부분의 새로운 시스템에 둥근 팁의 피뢰침이 설치되고 있지만, 기존 시스템의 대부분은 여전히 뾰족한 피뢰침을 사용하고 있다.
또한, 구조물에 대한 피뢰기의 높이, 그리고 지구 자체의 높이도 모두 영향을 미친다.[23][24]
전하 전달 이론은 보호 대상 구조물에 대한 번개 피해를 예방하기 위해 보호 대상 구조물과 뇌우 사이의 전위차를 줄일 수 있다고 주장한다. 이는 전하를 전달함으로써 이루어진다(예: 인근 지구에서 하늘로 또는 그 반대로).[25][26] 지구에서 하늘로 전하를 전달하기 위해 구조물 상단에 여러 개의 뾰족한 지점을 가진 공학 제품을 설치한다. 뾰족한 물체가 실제로 주변 대기로 전하를 전달하며,[27][28] 뇌우가 머리 위에 있을 때와 같이 전계가 존재할 때 뾰족한 지점에서 이온화가 발생하여 도체를 통해 상당한 전류가 측정될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
미국에서 전미 방화 협회(NFPA)는 현재 번개 피해를 예방하거나 줄일 수 있는 장치를 지지하지 않는다. NFPA 표준 위원회는 분산 배열[tm] 시스템 및 전하 전달 시스템을 다루는 프로젝트에 대한 요청에 따라 이러한 기술에 대한 표준을 제정하는 것을 거부했다(그러나 위원회는 기본 기술과 과학의 유효성을 입증하는 신뢰할 수 있는 자료가 제출된 후 향후 표준 개발을 배제하지 않았다).[29]
초기 스트리머 방출 이론은 피뢰침에 그 끝 부분 근처에서 이온화를 생성하는 메커니즘이 있다면 번개 포획 영역이 크게 증가한다고 제안한다. 처음에는 1930년부터 1980년 사이에 소량의 방사성 동위원소(라듐-226 또는 아메리슘-241)를 이온화원으로 사용했으며, 이후 다양한 전기 및 전자 장치로 대체되었다.[30] 초기 특허에 따르면 대부분의 피뢰 보호 장치의 접지 전위가 상승하기 때문에, 이온화원은 상승된 접지점까지의 경로 거리가 더 짧아 더 강한 전장(단위 거리당 볼트 단위로 측정)을 생성하고 해당 구조가 이온화 및 파괴되기 쉽다.[31]
프랑스 국가 표준화 기관인 AFNOR는 이 기술을 다루는 표준인 NF C 17-102를 발행했다. NFPA도 이 주제를 조사했으며 미국에서 유사한 표준을 발행하자는 제안이 있었다. 처음에는 NFPA의 독립적인 제3자 패널이 "\[초기 스트리머 방출] 피뢰 기술은 기술적으로 건전한 것으로 보인다"고 밝혔으며 "물리적 관점에서 \[초기 스트리머 방출] 에어 터미널 개념 및 설계에 대한 적절한 이론적 근거"가 있다고 언급했다.[32]) 같은 패널은 또한 "권장되는 \[NFPA 781 표준] 피뢰 시스템은 과학적으로나 기술적으로 검증된 적이 없으며, 프랭클린 로드 에어 터미널은 뇌우 조건에서 현장 테스트에서 검증되지 않았다"고 결론지었다.
이에 대응하여 미국 지구물리학 연합은 "브라이언 패널은 기존 피뢰 시스템의 효과 및 과학적 근거에 대한 연구 및 문헌을 거의 검토하지 않았으며, 표준에 근거가 없다는 결론을 내린 것은 오류였다"고 결론지었다. AGU는 보고서에서 기존 시스템에 대한 제안된 수정 사항의 효과를 평가하려는 시도를 하지 않았다.[33] NFPA는 초기 스트리머 방출 기반 보호 시스템이 기존 에어 터미널보다 효과가 증가했다는 증거 부족으로 인해 표준 781의 초안을 철회했다.
국제 번개 보호 회의 (ICLP) 과학 위원회 위원들은 초기 스트리머 방출 기술에 반대하는 공동 성명을 발표했다.[34] ICLP는 2016년까지 ESE 및 관련 기술과 관련된 정보를 담은 웹 페이지를 유지했다.[35] 그럼에도 불구하고 ESE 피뢰 시스템을 갖춘 건물 및 구조물의 수는 유럽, 아메리카, 중동, 러시아, 중국, 한국, 동남아시아 국가 연합 국가 및 호주에서 온 ESE 에어 터미널 제조업체의 수와 함께 증가하고 있다.[36]
항공기는 항공기 구조에 장착된 장치와 내부 시스템의 설계에 의해 보호된다. 번개는 일반적으로 항공기 동체의 외부 표면이나 정전기 방전기를 통해 항공기에 들어가고 나갑니다. 낙뢰 방지 시스템은 항공 전자 장비 손상을 방지하고 가연성 연료 또는 화물이 전기 스파크로부터 보호하기 위해 진입점과 출구점 사이에 안전한 전도 경로를 제공한다.
이러한 경로는 전도성 재료로 구성된다. 절연체는 전도 경로와 결합될 때만 효과적이다. 번개가 차단되면 절연체의 절연 파괴 전압을 쉽게 초과할 수 있기 때문이다. 복합 재료는 와이어 메쉬 층으로 구성되어 충분한 전도성을 갖도록 하며 구조적 접합부는 접합부에 전기적 연결을 함으로써 보호된다.
차폐 케이블과 전도성 인클로저는 전자 시스템을 대부분 보호한다. 낙뢰 전류는 케이블에 의해 형성된 모든 루프를 통해 전류를 전자기 유도하는 자기 펄스를 방출한다. 루프의 실드에 유도된 전류는 루프를 통해 렌츠의 법칙에 따라 반대 방향으로 자기 플럭스를 생성한다. 이것은 루프를 통과하는 총 플럭스와 그 주변의 유도 전압을 감소시킨다.
낙뢰 전도 경로와 전도성 차폐는 대부분의 전류를 전달한다. 나머지는 과도 전압 억제기를 사용하여 민감한 전자 장치 주변을 우회하고, 통과 전압이 충분히 낮아지면 전자 필터를 사용하여 차단된다. 필터는 절연체와 마찬가지로 낙뢰 및 서지 전류가 대체 경로를 통해 흐를 수 있을 때만 효과적이다.
선박에 설치된 피뢰 설비는 돛대 또는 상부 구조물 꼭대기에 장착된 ''피뢰기''와 물과 접촉하는 ''접지 도체''로 구성된다. 전기 전도체는 피뢰기에 부착되어 도체까지 내려간다. 전도성(철 또는 강철) 선체를 가진 선박의 경우, 접지 도체는 선체이다. 비전도성 선체를 가진 선박의 경우, 접지 도체는 인입식일 수 있으며, 선체에 부착되거나 센터보드에 부착될 수 있다.
피뢰침은 막대 형태의 도체로, 보호 대상인 건축물 등의 윗부분에 설치된다. 낙뢰 시에는 이 부분으로 벼락을 유도하여 접지로 연결함으로써 해당 건축물 등의 피해를 방지한다. 피뢰침에 의해 형성되는 보호 범위, 즉 낙뢰로 인한 피해가 발생하지 않는(극히 발생하기 어려워지는) 범위를 "방호 범위"(Lightning Protection Zones)라고 한다.
최근에는 피뢰침을 개량하여 미리 번개를 유인하는 뇌 스트리머를 방출하여 넓은 범위를 커버할 수 있는 피뢰 시스템이 개발되고 있다[50](ESE:Early Streamer Emission, 조기 스트리머 방출형 피뢰침). 또한, "수뢰침"이라는 이름으로, 돌침의 선단을 개량하여 효과를 높인 것[51]이나, 수평 방향으로 뻗은 우산형 피뢰침[52]도 개발되었다.
유럽에서는 뇌 스트리머를 방출하지 않고 낙뢰 자체를 억제하는 소이온 용량형 피뢰침(PDCE:Para-ryos Desionnizador Carge Electrostatica, 절연 전극형 피뢰침이라고도 함), 미국에서는 이온 전하를 상공으로 방출하여 지상으로 낙뢰하지 않도록 하는 이온 방산형 피뢰침(DAS:Dissipation Array System)도 개발·연구되고 있지만, 효과에 대한 객관적인 평가가 없다는 비판도 있다[53]。
피뢰침에는 낙뢰 시, 벼락의 큰 전류가 도달한다. 이 때문에 이를 견딜 수 있는 접지선을 피뢰침 본체에서 지면까지 연결하여, 지중에 매설된 동판 등에 접속해야 한다. 내선 규정에서는, 동판 등의 접지 저항 값은 10Ω 이하(전용 접지극의 경우 30Ω 이하)로 규정되어 있지만, 이에 관계없이 최대한 낮은 접지 저항 값을 가지는 것이 바람직하다.
방호 범위를 넓히기 위해, 피뢰침뿐만 아니라 옥상 도체(긴 막대 형태의 도체를 지붕 등에 설치) 등을 병용하는 경우도 있다. 이는 큰 빌딩이나 높이가 있는 문화재 등, 피뢰침만으로는 충분한 방호 범위를 확보하기 어려운 건축물 등에 대해 이루어진다.
일본에서는 건축 기준법에 의해 20미터를 초과하는 건축물에는 피뢰침(피뢰 설비)의 설치가 의무화되어 있다.
피뢰침의 방호 범위를 결정하는 방법에는 보호할 수 있는 각도 내에 건물이 포함되는지를 확인하는 '보호각법'이 있으며, 구JIS A 4201에서는 피뢰침의 선단에서 꼭지각 45도 또는 60도의 원뿔형 내에 들어가는 부분이 낙뢰를 면하는 범위로 간주되었다. 그러나 2003년에 IEC 규격에 맞춰 JIS A 4201이 개정되어, 큰 건물 등에서는 원뿔 형상이 아닌 회전구체법에 의해 구해지는 나팔 모양의 부분을 낙뢰로부터 면하는 범위로 간주하게 되었다. 피뢰침의 효과는 반경 30미터 이내의 범위로 제한된다[54].
단, 이 범위는 "이 안에서는 절대로 낙뢰가 없다"는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한 피뢰침 자체에는 낙뢰가 발생하므로, 피뢰침이나 이에 연결된 도선 등에 접촉하거나, 또는 그 바로 근처에 있으면 벼락을 맞아 사망할 수 있다. 또한, 이러한 장소에 전기 기기 등을 배치하면, 이들로 흐르는 뇌전류 자체의 분류나 전자 유도 작용에 의해 파괴될 수 있다.
피뢰침에 낙뢰가 발생할 때, 낙뢰의 유형이나 규모, 접지의 종류, 대지 저항률 등의 조건에 관계없이, 피뢰침의 접지극으로부터 2.5미터 범위 내의 대지의 전위 기울기는 매우 급격하며, 적어도 이 범위 내는 매우 위험하다[55]. 즉, 피뢰침에 낙뢰가 발생할 때, 피뢰침 시스템 및 그 주변에는 높은 전압이 발생한다는 점에 충분한 주의가 필요하다. 옥외 지상부에서 매설 표지 등을 의지하여 피뢰침 시스템으로부터 충분한 거리를 확보했다고 생각하더라도, 피뢰침에 연결된 도선, 더군다나 접지극의 크기, 넓이 등은 눈으로 보이지 않아 위험하므로, 벼락을 만났을 때는 옥외에 형성되는 피뢰침의 방호 범위로 대피하는 것이 아니라, 피뢰침의 방호 범위 내에 있는 건물 내로 즉시 대피해야 한다.
5. 설치 및 유지 보수
피뢰 시스템은 정기적인 점검과 유지 보수가 필요하다. 특히, 접지 시스템은 시간이 지남에 따라 성능이 저하될 수 있으므로 주의해야 한다.
피뢰침 어셈블리의 지하 부분은 높은 접지 전도성을 가진 지역에 위치하는 것이 이상적이다. 지하 케이블이 부식에 잘 견딜 수 있다면 소금으로 덮어 전기적 연결을 개선할 수 있다.[14] 도체의 유도 리액턴스가 중요하므로, 하강 도선(down conductor)은 짧게 유지하고 모든 곡선은 큰 반경을 가져야 한다. 접지 토양이 전도성이 좋지 않거나 얕은 경우, 접지 시스템은 접지봉, 카운터포이즈 도체, 건물에서 뻗어 나가는 케이블 래디얼, 콘크리트 건물의 철근 등을 추가하여 개선할 수 있다.[14]
구조물 내부 전도성 물체와 피뢰 시스템 사이의 측면 플래시(스파크)를 방지하기 위해 추가 조치가 필요하다. 피뢰 도체를 통해 흐르는 전류는 주변 물체와 전압 차이를 생성하여 측면 플래시를 유발할 수 있다. 이를 방지하려면 피뢰 시스템과 취약한 물체 간의 전기적 연속성을 보장하여 전압 전위가 동시에 오르내리도록 해야 한다.[15]
5. 1. 설치
피뢰침의 역할은 낙뢰로 인한 전류를 안전하게 땅 속으로 유도하여 주변에 피해를 주지 않도록 하는 것이다. 이를 위해 굵은 구리선을 사용하고, 접지 저항을 낮추기 위해 큰 동판을 땅 속에 묻거나 전선이 접히지 않도록 주의해야 한다.[6]피뢰 시스템은 낙뢰로부터 구조물을 보호하기 위해 설계되었다. 낙뢰를 가로채어 극도로 높은 전류를 안전하게 접지로 흘려보내는 역할을 한다. 피뢰 시스템은 공중 단자, 전기 도체 결합, 접지 전극 네트워크로 구성되어 낙뢰에 대해 낮은 임피던스 경로를 제공한다.[8]
피뢰 시스템은 낙뢰로 인한 구조물 피해와 화재 위험을 줄인다. 가연성 물질을 통과하는 전류의 발열 효과를 줄여 낙뢰 전류를 위한 낮은 임피던스 경로를 제공한다. 낙뢰가 물이 포화된 재료를 통과하면 증기 폭발이 발생할 수 있는데, 피뢰 시스템은 이러한 위험을 줄인다.
낙뢰는 높은 에너지와 전류(150,000A를 초과할 수 있음)를 가지며, 매우 빠른 상승 시간을 가지기 때문에 절대적인 안전을 보장하는 시스템은 없다. 낙뢰 전류는 접지로 가는 모든 전도 경로를 따라 분산되며, 이로 인해 2차적인 "측면 섬광"이 발생하여 화재, 구조물 파괴, 인명 피해를 유발할 수 있다. 그러나 기본적인 피뢰 시스템의 장점은 1세기 이상 분명하게 나타났다.[6]
피뢰 시스템의 구성 요소는 공중 단자(피뢰침), 결합 도체, 접지 단자(접지 막대, 판, 메시), 커넥터 및 지지대이다. 공중 단자는 지붕 상단에 배치되고, 결합 도체는 가장 직접적인 경로를 통해 접지 단자에 연결된다.[8] 접지 전극 연결은 낮은 저항과 낮은 자기 인덕턴스를 가져야 한다.
낙뢰에 취약한 구조물의 예로 나무 헛간이 있다. 기본적인 피뢰 시스템은 공중 단자와 접지 사이에 전도성 경로를 제공하여 낙뢰 전류의 대부분이 이 경로를 따르도록 하여 가연성 물질을 통과하는 전류를 줄인다.
과거에는 피뢰 시스템이 낙뢰 전류를 지구로 유도하여 소멸시킨다고 믿었지만, 고속 사진 촬영을 통해 낙뢰는 구름과 지상 구성 요소로 구성되어 있으며, 이들이 만나 전하 불균형을 해소한다는 것이 밝혀졌다. 피뢰 시스템은 낮은 저항 경로를 제공하여 열 발생 위험을 완화한다. 강철 프레임 구조는 구조 부재를 접지에 전기적으로 결합하여 피뢰를 제공할 수 있다.[9]
피뢰기는 전력 및 통신 시스템에서 절연체와 도체를 번개로부터 보호하는 장치이다. 전선과 접지 사이의 공극으로 구성되며, 고전압 단자와 접지 단자를 가진다. 전신 및 전화에 사용되는 피뢰기는 구조물 내부의 장비와 인명을 보호한다. 서지 보호기는 전력 또는 통신 시스템의 각 전기 전도체와 접지 사이에 연결되어 낙뢰로 인한 전압 상승을 제한한다.
가공 전선 시스템에서는 철탑 상단에 접지선을 설치하여 고전압선 자체 대신 번개를 맞도록 설계한다. 이 도체는 전주나 철탑의 금속 구조를 통해 접지되거나, 정기적으로 설치된 접지 전극을 통해 접지된다. 50kV 미만의 전압을 가진 가공 전선에는 접지 도체가 없는 경우가 많지만, 50kV 이상에서는 대부분 접지 도체가 있다. 접지 도체 케이블은 데이터 전송을 위한 광섬유 케이블을 지원할 수도 있다.
변전소의 보호는 다양하며, 전기 회사의 전유물인 경우가 많다. 무선 마스트 방사기는 기저부의 스파크 갭으로 접지로부터 절연될 수 있다. 번개가 마스트를 치면 이 갭을 뛰어넘는다. 송신기는 안테나의 전기적 특성을 모니터링하는 장치를 갖추고 있어 번개 후 잔류 전하로 인한 손상을 방지한다.
피뢰침 어셈블리의 지하 부분은 높은 접지 전도성을 가진 지역에 위치해야 한다. 지하 케이블이 부식에 잘 견딜 수 있다면 소금으로 덮어 전기적 연결을 개선할 수 있다. 하강 도선의 경로는 짧게 유지하고, 모든 곡선은 큰 반경을 가져야 한다. 접지 시스템은 접지봉, 카운터포이즈 도체, 건물에서 뻗어 나가는 케이블 래디얼, 콘크리트 건물의 철근 등을 추가하여 개선할 수 있다.[14]
구조물 위 또는 내부에 있는 전도성 물체와 피뢰 보호 시스템 사이의 측면 플래시를 방지하기 위해 추가적인 예방 조치를 취해야 한다. 효과적인 본딩은 두 물체의 전압 전위가 동시에 상승하고 하강하도록 하여 측면 플래시의 위험을 제거한다.[15]
피뢰침의 위치는 롤링 구체 방법(Rolling Sphere Method)을 사용하여 결정할 수 있다. 이 방법은 번개가 어떻게 이동하는지에 대한 지식을 바탕으로 한다. 번개 볼트의 단계 리더가 땅을 향해 이동하면서 경로에 가장 가까운 접지된 물체를 향해 이동한다. 임계 거리 밖에 있는 물체는 임계 거리 내에 단단히 접지된 물체가 있는 경우 리더에 의해 쳐질 가능성이 낮다. 피뢰기는 구체가 구조물에 닿는 것을 방지할 수 있는 곳에 배치해야 한다. 평평한 지붕의 경우, 지붕 중앙에 추가적인 피뢰침을 설치한다.[19][20]
피뢰침 팁의 최적 모양에 대한 논쟁은 18세기부터 계속되어 왔다. 영국과 미국의 식민지 사이의 정치적 대립 기간 동안, 영국 과학자들은 공 모양, 미국 과학자들은 뾰족한 모양을 주장했다. 현재까지 이 논쟁은 완전히 해결되지 않았다.[21]
찰스 B. 무어 등의 연구에 따르면, 적당히 둥글거나 뭉툭한 팁의 피뢰침이 약간 더 나은 낙뢰 수용체 역할을 한다.[22] 그 결과 미국에서는 대부분의 새로운 시스템에 둥근 팁의 피뢰침이 설치되고 있지만, 기존 시스템의 대부분은 여전히 뾰족한 피뢰침을 사용하고 있다.
5. 2. 유지 보수
피뢰 시스템은 낙뢰로 인한 구조물 피해를 방지하고 화재 위험을 완화하는 데 사용된다. 피뢰 시스템은 낙뢰 전류를 안전하게 접지로 흘려보내 가연성 물질을 통과하는 전류의 발열 효과를 줄인다. 낙뢰의 높은 에너지(최대 150,000A)와 빠른 상승 시간 때문에 완벽한 안전을 보장할 수는 없지만, 기본적인 피뢰 시스템의 장점은 1세기 이상 분명하게 나타났다.[6]피뢰 시스템은 공중 단자(피뢰침), 결합 도체, 접지 단자(접지 막대, 판, 메시), 커넥터 및 지지대로 구성된다. 공중 단자는 지붕 상단에 배치되며, 결합 도체("다운 도체" 또는 "다운리드")를 통해 하나 이상의 접지 단자와 직접 연결된다.[8] 접지 연결은 낮은 저항과 낮은 자기 인덕턴스를 가져야 한다.
피뢰침 어셈블리의 지하 부분은 높은 접지 전도성을 가진 지역에 위치하는 것이 이상적이다. 도체의 유도 리액턴스가 중요하므로, 하강 도선은 짧게 유지하고 모든 곡선은 큰 반경을 가져야 한다. 접지 토양이 전도성이 좋지 않거나 얕은 경우, 접지 시스템을 다양한 방법으로 보강할 수 있다.
구조물 내부 전도성 물체와 피뢰 시스템 사이의 측면 플래시(스파크)를 방지하기 위해 추가 조치가 필요하다. 피뢰 도체를 통해 흐르는 전류는 주변 물체와 전압 차이를 생성하여 측면 플래시를 유발할 수 있다. 이를 방지하려면 피뢰 시스템과 취약한 물체 간의 전기적 연속성을 보장하여 전압 전위가 동시에 오르내리도록 해야 한다.[15]
6. 한국 사회에서의 중요성
일부 구조물은 그 특성상 번개에 맞을 위험이 더 크거나 작다. 구조물의 위험은 크기(면적), 높이, 그리고 해당 지역의 연간 제곱마일(mi2)당 번개 발생 횟수에 따라 결정된다.[47] 예를 들어, 작은 건물은 큰 건물보다 번개에 맞을 가능성이 적고, 번개 발생 빈도가 높은 지역의 건물은 번개 발생 빈도가 낮은 지역의 건물보다 번개에 맞을 가능성이 더 높다. 미국 방화 협회(NFPA)는 피뢰 시스템 표준에서 위험 평가 워크시트를 제공한다.[48]
국제전기기술위원회(IEC)의 번개 위험 평가는 생명 손실, 공공 서비스 손실, 문화 유산 손실, 경제적 가치 손실의 네 부분으로 구성된다.[49] 이 중 생명 손실이 가장 중요한 것으로 평가되며, 필수적이지 않은 많은 산업 및 상업적 응용 분야에서 유일하게 고려되는 손실이다.
7. 관련 표준
피뢰 시스템의 표준 도입으로 다양한 제조업체에서 여러 가지 사양에 맞는 보호 시스템을 개발할 수 있게 되었다. 여러 국제, 국가, 기업 및 군사 피뢰 표준이 있다.
| 분류 | 표준 번호 및 명칭 | 비고 |
|---|---|---|
| NFPA | NFPA-780: "피뢰 시스템 설치 표준"(2014) | |
| 에너지부 | M440.1-1, 전기 폭풍 및 피뢰 | |
| 미국 공군 우주 사령부 | AFI 32-1065 – 접지 시스템 | |
| FAA | FAA STD 019e, 피뢰 및 서지 보호, 시설 및 전자 장비용 접지, 본딩 및 차폐 요구 사항 | |
| UL | UL 96: "피뢰 구성 요소 표준"(5판, 2005) | |
| UL 96A: "피뢰 시스템 설치 요구 사항 표준"(12판, 2007) | ||
| UL 1449: "서지 보호 장치 표준"(4판, 2014) | ||
| IEC | EN 61000-4-5/http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/Artnum_PK/49686 IEC 61000-4-5: "전자기 적합성(EMC) – 파트 4-5: 시험 및 측정 기법 – 서지 내성 시험" | |
| EN 62305/IEC 62305: "피뢰" | ||
| EN 62561/IEC 62561: "피뢰 시스템 구성 요소(LPSC)" | ||
| ITU | [http://www.itu.int/ITU-T/recommendations/index.aspx?ser=K ITU-T K 시리즈 권장 사항]: "간섭 방지" | |
| IEEE | IEEE SA-142-2007: "산업 및 상업용 전력 시스템의 접지에 대한 IEEE 권장 실습". (2007) | |
| IEEE SA-1100-2005: "전력 공급 및 전자 장비 접지에 대한 IEEE 권장 실습"(2005) | ||
| AFNOR | [http://www.akihito-shigeno.com/files/NF_C_17_102_1.pdf NF C 17-102]: "피뢰 – 조기 스트리머 방출 공기 단자를 사용하여 구조물 및 개방 구역에 대한 피뢰"(1995) | |
| GB | GB 50057-2010 건물 피뢰 설계 코드 | |
| AS/NZS | AS / NZS 1768:2007: "피뢰" | |
| 기타 | NFPA 780, UL 96, UL 1449, EN 61000-4-5 / IEC 61000-4-5, EN 62305 / IEC 62305, EN 62561 / IEC 62561 | |
| IEEE | IEEE SA-142-2007: "IEEE 권장 산업 및 상업 전력 시스템 접지 방법"(2007) | |
| IEEE SA-1100-2005: "IEEE 권장 전원 공급 및 전자 장비 접지 방법"(2005) |
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