2.2.1 실험회로 1

SPD 접지선의 배선방법에 따른 영향을 모의하기 위하여 보호대상인 전자기기의 접지선을 SPD의 접지단자를 경유하여 접지극에 접속한 경우의 실험회로 1을 그림. 1에 나타내었다. 전원선이나 신호선과 SPD 접지선 사이의 간격은 통상 0.5m이하로 설치하는 것이 바람직하지만 실험회로 사이의 차별성을 명확하게 하기 위하여 1m로 상정하였으며, 이 때 SPD 접속선의 길이는 약 1m로 그의 인덕턴스 $L$은 대략 1$\mu H$이다^[12]. 이 실험회로는 SPD를 설치하는 위치 근방에 접지단자를 시설할 수 있는 신설의 설비에 가능하다.

Fig. 1. Experimental circuit 1

SPD에 의해 서지전압이 제한되어 흐른 크기가 다른 2가지 서지전류에 대한 보호대상의 전자기기의 잔류전압의 파형을 그림. 2에 나타내었다.

Fig. 2. Residual voltage traces of SPD for the experimental circuit 1

보호대상의 전자기기의 입력임피던스는 입사하는 서지전압파형의 변형을 방지하기 위하여 1㏀의 저항으로 하였다. SPD에 흐른 전류는 조합파 발생기의 출력선과 SPD 접속선의 영향으로 상승부가 완만해져 상승시간은 대략 12$\mu s$이었다. 보호대상의 전자기기에 전달되는 잔류전압 $U_{0}$은 SPD의 제한전압과 접속도체에 유도된 전압의 합이 되며, 식 (1)과 같이 표현할 수 있다^[14,15].

여기서 $U_{P}$는 SPD의 제한전압, $L$은 SPD 접속선의 인덕턴스이다.

그림. 2(a)의 SPD에 흐른 전류가 520A일 때 잔류전압 $U_{0}$의 피크값은 약 750V로 이론적인 값 $U_{0}=710+1 \times 10^{-6} \times \frac{520}{12 \times 10^{-6}}=753 \mathrm{V}$로 거의 같다. 또한 그림. 2(b)의 SPD에 흐른 전류가 2,240A일 때 잔류전압 $U_{0}$의 파형은 그림. 2(a) 파형에 비하여 SPD에 흐르는 전류의 상승부에서만 높은 것으로 나타났다. SPD에 흐른 전류의 변동에 따른 길이 약 1m인 접속선에서의 전압강하의 상승분만큼 높게 나타났다. 보호대상인 전자기기에 가해지는 잔류전압은 SPD의 제한전압에 접지선의 전압강하가 더해져 높아지게 된 즉, 보호대상의 전자기기에 가해지는 잔류전압은 SPD의 제한전압은 물론 접지선의 전압강하와 유도전압에 의해서 결정됨을 알 수 있다.

2.2.2 실험회로 2

기설의 정보통신설비나 지능형 전력설비에 SPD를 추가적으로 설치하다 보면 현장의 여건에 따라 SPD의 접지선을 정보통신설비나 전력설비의 접지단자에 접속해야 하는 경우가 있다. 이러한 경우 SPD의 서지방호효과를 평가하기 위하여 그림. 3에 나타낸 바와 같은 실험회로 2에 대한 실험을 수행하였으며, 이의 측정결과를 그림. 4에 나타내었다.

Fig. 3. Experimental circuit 2

Fig. 4. Residual voltage traces of SPD for the experimental circuit 2

실험회로 2의 경우 SPD의 접지선의 길이는 약 3m로 실험회로 1의 약 3배이다. 따라서 접지선에서의 전압강하에 의해 전자기기에 가해지는 잔류전압의 파형은 SPD에 흐는 전류의 상승부에서 대단히 높아지며, SPD전류의 파미부에서는 오히려 낮아짐을 알 수 있다. 접지선의 배선경로를 전원선과 멀리 한 상태에서 SPD의 접지선을 전자기기의 접지단자에 접속하게 되면 잔류전압은 대단히 상승하게 된다. 본 실험의 조건에서 SPD전류가 480A인 경우 잔류전압 $U_{0}$은 약 950V로 SPD제한전압의 약 1.3배 이상이 되며, SPD전류가 2,000A일 때 잔류전압 $U_{0}$은 약 1,700V로 SPD제한전압의 약 2.3배로 되어 SPD의 방호효과를 전혀 기대할 수 없는 상태로 된다.

2.2.3 실험회로 3

정보통신설비나 전력설비의 전원선에 SPD를 추가적으로 설치하는 경우 현장의 여건에 따라 SPD의 접지선을 필연적으로 정보통신설비나 전력설비의 접지단자에 접속해야만 하는 경우가 있다. 이러한 경우 실험회로 2와 같이 SPD의 접지선을 배선하면 SPD의 효용성을 상실하게 될 수 있으므로 접지선의 영향을 극력 없애는 방법을 적용할 필요가 있다. 그림. 5에 나타낸 바와 같이 SPD의 접지선을 전원선 등과 접근시켜 배선하여 서지방호효과를 극대화시키는 방법의 제안을 위한 실험회로 3에 대한 서지방호성능을 검토하였다. SPD의 접지선을 전자기기의 접지단자를 경유하여 접지극에 접속한 경우 전자기기에 가해지는 잔류전압 파형의 예를 그림. 6에 나타내었다.

Fig. 5. Experimental circuit 3

Fig. 6. Residual voltage traces of SPD for the experimental circuit 3

이와 같이 SPD의 접지선을 전원선 등과 밀착시켜 배선하면 SPD에 흐르는 서지전류에 의해 접지선에는 인덕턴스 $L$에 의해 $V_{L}=L \times d i / d t$의 전압이 발생하며, 전원선에도 $V_{m}=M \times d i / d t$의 전압이 발생한다. 즉, SPD에 흐른 서지전류에 의해 전원선에 유도되는 전압은 접지선의 전압강하와 극성이 반대이므로 전자기기의 전원선과 접지선 사이에 발생하는 전압은 $V_{0}=V_{L}-V_{m}=(L-M) \times d i / d t+U_{P}$로 되며, 전자기기에 대한 영향을 작게 할 수 있다. 여기서 $L$은 접지선의 인덕턴스, $M$은 접지선과 전원선 사이의 상호인덕턴스이며, $U_{P}$는 SPD의 제한전압이다. 전원선을 SPD의 접지선에 밀착시키는 것만으로 $L=M$으로 되지 않지만 SPD의 소지방호성능에 미치는 접지선의 영향을 극력 없애는 방법으로 평가되었다.

2.2.4 접지선의 배선방법에 따른 SPD의 방호성능의 비교

SPD의 접지선의 배선방법이 서지방호성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 본 연구에서 상정한 실험회로 1, 2, 3에서 SPD의 접속선의 길이가 1m 이상이므로 전자기기의 입력단자에 가해지는 잔류전압은 SPD의 제한전압($U_{P}$)에 접지선과 전원선 등에의 유도전압의 합으로 나타나게 된다. 따라서 보호대상의 전자기기에 가해지는 잔류전압은 SPD에 흐르는 전류에 의존하며, 실험회로 1, 2, 3에 대한 SPD에 흐르는 전류에 따른 잔류전압의 비교를 그림. 7에 나타내었다.

Fig. 7. Comparison of residual voltages for the experimental circuit 1, 2 and 3

전원선에 입사한 서지전압은 SPD에 의해 제한되며 서지전류가 흐르게 된다. 그러나 보호대상의 전자기기에 가해지는 잔류전압은 SPD의 제한전압에 접지선에 유도된 전압의 합으로 결정되므로 접지선의 영향을 검토할 필요가 있다. 실험회로 1의 경우 접지선의 길이는 약 1m이고, 실험회로 2의 경우 접지선의 길이는 3m, 그리고 실험회로 3의 경우는 약 2.3m이다. 실험회로 2의 경우 접지선의 길이가 실험회로 1의 약 3배이므로 잔류전압이 상당히 높아지는 것을 예상할 수 있다. 실험회로 3의 경우 접지선의 길이는 실험회로 1의 약 2.3배이지만 전원선과 서지전류가 흐르는 SPD의 접지선을 밀착시켜 배선함에 따라 전원선에 유도되는 전압이 접지선의 전압강하를 상쇄시키는 작용으로 잔류전압은 실험회로 1보다도 낮게 나타난 것으로 해석할 수 있으며, 접지선의 경로를 밀착시켜 SPD 설치의 효용성을 개선할 수 있음을 입증하였다.

2.3.1 정전유도에 의해 발생하는 유도전압

SPD가 동작하여 입사한 높은 서지전압을 제한하더라도 제한된 서지전압이 전자회로의 근방에 전파되며, 정전기적 유도에 의한 영향을 미칠 수도 있다. 그림. 8에 나타낸 모의실험회로에 기유도원으로서 전선에 임펄스전압을 가한 때 양단을 개방하여 평행하게 배선되어 있는 전선에 유도되는 전압의 파형의 예와 기유도전선으로부터의 거리에 따른 정전유도전압의 관계를 그림. 9에 나타내었다. 그림. 9(b)의 결과를 보면 두 전선 사이의 간격이 0.3m일 때 정전유도전압은 밀착시켰을 때에 비하여 1/3 이하로 저감되는 것을 알 수 있다.

Fig. 8. Experimental circuit of measuring the electrostatic induction voltages

Fig. 9. Electrostatic induction voltages

2.3.2 전자유도에 의해 발생하는 유도전압

SPD가 동작하여 입사한 높은 서지전압을 제한하게 되면 커다란 서지전류가 전자회로의 근방에 흐르게 되며, 전자기적 유도에 의한 영향을 미칠 수 있다^[16,17]. 실험회로 3의 경우 서지전류에 의해 전원선에 유도되는 전압이 접지선의 유도전압을 상쇄시켜 잔류전압이 낮아지는 긍정적인 효과를 얻을 수도 있지만 서지전류가 흐르는 회로와 별개인 회로의 경우 회로기능을 위협하는 잡음원으로 작용할 수도 있다.

그림. 10에 나타낸 모의실험회로에 기유도원으로서 전선에 임펄스전류를 흘린 때 한 쪽 단을 개방하여 평행하게 배선되어 있는 전선에 유도되는 전류의 파형과 기유도전선으로부터의 거리에 대하여 측정한 전자유도전압을 그림. 11에 나타내었다.

Fig. 10. Experimental circuit of measuring the electromagnetic induction voltages

Fig. 11. Electromagnetic induction voltages

그림. 11(b)의 결과를 보면 두 전선 사이의 간격이 0.4m일 때 전자유도전압은 밀착시켰을 때에 비하여 약 1/3정도 감소하는 것을 알 수 있으며, 정전유도전압보다 거리의존성이 낮아 완만하게 감소되는 경향으로 나타났다.

지능형 전력설비를 구성하는 전자기기의 뇌서지에 의한 오동작은 다음과 같은 정전기적 영향과 전자기적 영향의 요인 중에서 단독 혹은 복합적인 영향에 의해서 발생한다^[14].

○ 요인 ① : SPD가 동작할 때 전자회로 근방을 통과하는 뇌전류의 영향

○ 요인 ② : SPD방전의 영향

○ 요인 ③ : SPD동작특성의 영향

따라서 SPD를 설치한 것만으로 모든 뇌서지방호대책이 이루어지는 것이 아니라 SPD의 동작에 따른 전자기적 환경에 대하여도 면밀하게 검토할 필요가 있다.