낙뢰의 특성 및 surge 발생 현상 분석

낙뢰의 특성

표 2-5. 낙뢰의 특성 표

서지 발생현상 및 종류

최근 반도체와 정보통신 기술의 발달로 거의 모든 전자기기에 첨단 반도체화 소형부품이 사용됨으로써 기기의 소형화 및 자동화가 급진전을 보이고 있지만, 이들 전자부품은 이상 과전압에 대한 내력이 매우 낮으므로 낙뢰 및 서지의 발생 현상을 이해하고 보호대책을 세우는 것이 매우 중요하다. 본 장에서는 낙뢰의 특성을 표 2-4에 나타냈고, 다양하게 발생하는 서지현상에 대해 기술하였다.

서지(surge)란 유도, 방사, 전도 등의 형태로 전력선과 신호 및 통신선로 계통에 유입되어 나타나는 불필요한 잡음의 일종으로 장비에 영향을 주게 된다. 이러한 서지는 일반적인 잡음(noise)과는 다르게취급하고 있으며 그 발생원인은 크게 자연적인 요인과 인위적인 요인으로 구분할 수 있다.

• 자연적인 것
   - 정전기 (ESD : Electrostatic Discharge)
   - 낙뢰서지 (Lightning Surge)

• 인위적인 것
   - 개폐서지 (Switching Surge)
   - EFT (Electrical Fast Transient)
   - NEMP (Nuclear Electromagnetic Pulse)

이들 중에서 전력 통신설비에 유입하는 이상전압의 원인으로는 낙뢰서지, 개폐서지, 지락서지의 발생 등으로 대별할 수 있다. 이들의 서지가 발생하면 뇌격점 또는 지락위치에 대지전위가 상승하여 주변 정보화 설비들의 파손이나 손상, 오동작의 주원인으로 작용한다.

뇌방전의 발생 메카니즘

뇌운은 고온다습한 수증기가 단열팽창하여 상부에 차갑고 하부에 따뜻하며 습한 공기를 포함하는 대기 중에 형성된다. 일반적으로 그림 2-6에서 나타냈듯이 뇌운의 상부는 정이온, 하부는 부이온으로 대전되며 뇌운과 대지사이의 방전은 뇌운의 정(＋), 부(-)전하가 중성으로 됨으로써 방전은 종료된다.

이 모든 방전을 플래쉬(flash)라 하며, 플래쉬는 여러 가지 방전 성분으로 구성되어 있다.

그림 2-6. 통상적인 뇌운의 모델

이러한 일반적인 형태를 갖는 뇌운의 각 방전 메커니즘의 특성은 다음과 같다. 그림 2-7은 Uman에 의한 뇌격의 발생과 진전양상을 나타낸 것으로 초기 뇌운 안에는 P, N 영역의 많은 정(＋), 부(－)전하들과 대지에서 유도되어 생성된 P라는 ＋전하들이 분포되어 있다.

먼저 뇌운 안에서 N과 P가 만나 절연파괴가 일어나며, 이 현상을 예비절연파괴(preliminary breakdown)라 한다. 이로 인해 뇌운의 밑부분에 있는 부전하의 강한 집중은 대지로 향하는 전장을 발생한다.

이 진전과정은 보통 50 ㎲의 휴지시간을 가지며, 약 50 m씩 하향 진전한다. 이를 계단상 리더(stepped leader)라고 하며, 부착과정을 통해 수십 msec 동안 1.5~2×10⁵ m/s의 속도로 이동한다. 계단상 리더가 지면근처에 도달하여 높은 부전위를 가지면 지면에서 리더로 향하는 높은 전계가 형성되고 귀환뇌격(lightning return stroke)이 발생한다. 이 때 리더채널은 매우 강한 빛을 내는 전송선로와 같다. 귀환뇌격은 보통 0.3~1×10⁸ m/s의 속도로 진전하며 대지에서 구름까지 도달하는데 약 70 ㎲가 걸린다.

지면에서 측정된 뇌격 전류의 평균치는 대략 10～20 ㎄정도이며, 피크치의 50 %로 감쇠되기까지의 시간은 20～60 ㎲이다.

귀환뇌격에 의하여 정(＋)전하 채널이 형성되며, 뇌운과 접촉된 부분에서는 재결합에 의하여 부(-)전하가 완전히 소멸되면 귀환뇌격은 종료하게 된다. 그러나 부(-)전하가 잔류하게 되면 후속 리더가 형성 되어 대지로 진전하게 되는데 이를 다트리더(dart leader)라고 한다.

다트리더는 후속귀환뇌격(subsequent return stroke)이 발생하기 위한 예비단계로 계단상 리더보다는 빠른 2×10⁶ m/s의 속도로 지면쪽으로 전진하며, 계단상 리더처럼 가지(branch)를 형성하지 않는다. 그림 2-8에 상향 스트리머의 발생과정을 나타냈으며, 낙뢰 매카니즘의 진전과정을 시간대역으로 하여 그림 2-9에 나타내었다.

①계단형선구방전의 발생과 진전

②귀한뇌격의 발생과 진전양상

③창살형 선구방전과 후속 귀환뇌격
그림 2-7. 뇌격의 발생과 진전양상[Uman]

그림2-8. 상향스트리머의 발생과정

그림2-9 뇌방전 진전 메카니즘

뇌방전은 대기방전을 일으킬 수 있는 전계를 형성하는 전하 영역에서 일어나며, 다음과 같이 분류할 수 있다. 이들 중 가장 빈번한 뇌방전 현상은 운내 방전이지만 실제 전기․전자기기에 영향을 주는 것은 대부분이 낙뢰이다.

• 운내 방전(Intracloud or cloud discharge): 뇌운 안에서 방전이 발생
• 운간 방전(Intercloud or Cloud-to-cloud discharge): 뇌운과 다른 뇌운 사이에서 일어나는 방전
• 대지 방전(Cloud-to-ground discharge or ground discharge) : 뇌운에서 대지로 방전하는 낙뢰
• 대기 방전(Air discharge):뇌운과 주변 대기사이에서 일어나는 방전