2.1 개발의 필요성과 현장적용 실태

SPD는 서지전압을 제한하고 서지전류를 전환하여 전기·전자기기를 보호하기 위한 목적으로 저압 전로에 설치하고 있다. 그림 1에서 보호대상 기기(E/I)로 전달되는 보호잔류전압(UE/Ires)은 SPD 양단의 잔류전압(Ures)과 연결 리드의 유도전압(Uiv)의 합으로 나타나므로⁽⁴⁾, 식 (1)과 같이 표기할 수 있다.

보호잔류전압은 SPD 양단의 잔류전압(Ures)과 구분하기 위하여 이 논문에서 표기하는 용어이다. SPD를 설치하여 서지로부터 전기·전자기기 보호효과를 높이려면 보호잔류전압을 낮게 함이 중요하다.

보호대상 기기에 전달되는 UE/Ires을 낮게 하려면 SPD의 전압보호레벨(Up) 값을 낮추거나 연결 리드의 유도전압을 낮추어야 한다. 전압보호레벨이 낮을수록 보호 성능이 우수하지만, 최대 연속전압(Uc), 일시적 과전압(UT) 등을 고려하여야 하므로 전압보호레벨을 낮추는 데는 한도가 있다.

다음으로 고려할 수 있는 방안이 연결 리드로 인한 유도전압을 낮추는 것이다. 일반적으로 연결 리드의 인덕턴스는 1 μH/m로 가정하며, 이 경우 상승률 1 kA/㎲의 임펄스에 의해 유도되는 전압강하는 약 1 kV/m가 되는데, 급준도가 클수록 증가한다⁽⁵⁾. 연결 리드에 의한 잔류전압 상승 값을 낮추기 위해서 IEC 60364-5-53, 한국전기안전공사의 사용전검사기준 등에서는 연결 리드의 총 길이를 그림 1과 같이 0.5 m 이하로 제한할 것을 요구하고 있다⁽⁶⁾.

SPD 분리기를 SPD 본체 내부에 설치(이하 내장형이라 한다)하면, SPD를 분전반 등에 설치할 때 보호대상 기기에 전달되는 보호잔류전압을 낮출 수 있어 전기·전자기기 보호 효과가 증대될 수 있다.

SPD 분리기를 내장형으로 했을 때, 외장형에 비하여 연결 리드가 얼마 정도 짧아지는가를 확인하기 위하여 분리기 외장형 SPD의 설치 실태조사를 실시하였다. 12개소에 대하여 실태조사를 실시한 결과 외장형의 경우, 그림 1의 a의 리드 길이는 0.25 m ～ 0.5 m 정도로 적용되어 있었고, 평균 적용거리는 0.35 m이었다.

그림 2는 분리기 외장형 SPD를 분전반에 설치한 예이며, 그림 2의 a는 그림 1의 a에 해당되는 리드의 실제 모양이다. 분리기를 내장형으로 하면 그림 2의 (a)에서 배선차단기와 SPD 사이의 리드(a로 표기된 부분)는 SPD 내부로 들어가기 때문에 연결리드선 a의 길이는 10 cm 이내가 된다.

2.2 연결리드 길이에 따른 보호잔류전압 측정결과 분석 및 개선 SPD 개발

분리기 외장형 연결 리드 길이를 평균 0.3 m로 가정하고, 리드에 의한 유도전압의 영향을 비교하기 위하여 다음과 같은 조건으로 시험을 실시하였다. 그림 1에서 b의 리드 길이는 내장형과 외장형이 같다고 전제하였다.

● 임펄스 전류 : 10 kA, 8/20 ㎲

● 극성 : 정극성

● 분리기 외장형 연결 리드길이 : 0.3 m

● 분리기 외장형 연결 리드길이 : 0.1 m(SPD 내부의 분리기와 MOV 사이)

시험에 사용한 SPD는 전압제한형 Ⅱ등급으로 소자는 MOV(Metal Oxide Varistor)이며, 공칭방전전류(In)는 20 kA(8/20 ㎲), 최대연속사용전압(Uc) 320 V용이다. 시험에 사용한 SPD 소자, 정격 등은 국내의 380 V 전로에 많이 설치되어 있는 점을 고려하여 선정하였다. 그림 3의 (a)는 분리기 외장형 SPD 시험회로, 그림 3의 (b)는 분리기 내장형 SPD 시험회로이다. 그림에서 임펄스 인가 회로는 L(선도체)과 N(중성선) 사이이며, 왼쪽 부분에 서지전압 측정용 프로브(prove)가 위치하고 있다.

시험 모드 별로 각각 2회씩 실시하였으며, 그림 4의 (a)는 임펄스 발생기를 이용한 시험장면이고, (b)는 보호잔류전압을 측정한 오실로스코프의 화면이다. 표 1은 임펄스 전류를 인가하여 도출한 결과이며, SPD 분리기 외장형과 내장형의 보호잔류전압의 차이는 평균 0.59 kV로 나타났다.

시험 결과 표 1에 제시된 바와 같이 분리기를 내장형으로 하면, 보호잔류전압이 평균 0.59 kV 낮아졌다. 보호잔류전압을 0.59 kV를 낮출 수 있음은 디지털 기기 등 민감한 전자장비를 보호하는 데는 효과적이라 할 수 있다.

보다 확실한 결과를 도출하기 위하여 공인기관인 기초전력연구원에 의뢰하여 시험을 실시하였다.⁽⁷⁾ 그림 5의 (a)와 (b)는 시험 의뢰한 SPD의 외장형과 내장형의 외형이다. 공인기관 시험은 MOV 공칭방전전류인 20 kA(8/20 ㎲) 임펄스를 사용하였으며, 시험 임펄스 인가모드는 자체시험과 같은 방식으로 실시하였다. 시험결과 표 2와 같이 외장형과 내장형의 보호잔류전압의 차이는 평균 1.12 kV 발생하였다. 자체시험에 의해서 측정한 값 0.59 kV의 1.9배 정도가 된다. 이는 인가 임펄스전류 값이 2배의 차이가 있기 때문이다. 참고로 정확히 2배의 차이가 나지 않는 이유는 리드선의 배치, 시험기 등에 의한 영향으로 판단된다.

두 가지 시험에 사용한 SPD 종류, 소자, 최대연속사용 전압(Ic), 공칭방전전류(Ic)는 같으며, 시험용 임펄스 전류만 다르게 하였다. 표 1에서 임펄스 시험전류는 10 kA(8/20 ㎲), 표 2에서 임펄스 시험전류는 20 kA(8/20 ㎲)이다. 임펄스 시험전류를 다르게 함은 서지 임펄스 전류 크기에 따른 보호잔류전압의 차이를 확인하기 위한 것이다. 두 가지 시험결과 보호잔류전압은 서지 임펄스전류 크기와 리드의 길이에 비례하여 높아짐을 알 수 있었다.

표 1 및 표 2와 같은 시험 결과를 바탕으로 그림 6과 같이 구성된 분리기 내장형 SPD를 3상 4선식 조합형으로 개발하였다. SPD 소자는 L-N 사이에는 전압제한형 소자인 MOV를 사용했으며, N-PE 사이에는 전압스위칭형 소자인 Spark gap을 사용하였다. N-PE 사이에는 속류 발생의 우려가 없기 때문에 Spark gap을 사용한 것이다⁽⁸⁾. 그림 6에서 분리기와 MOV를 연결하는 리드 길이는 평균 0.1 m 이하로 되도록 하였다. 분전반에 설치 시 평균 0.35 m 정도 되는 연결 리드보다 0.24 m가 짧아진 것이다. 따라서 SPD가 서지에 방전하여 보호대상 기기로 전달되는 보호잔류전압이 낮아져 보호효과가 증대되는 것이다.

3.1 열감지 방식의 적용 필요성

SPD에는 전기적 스트레스나 성능저하가 원인이 되어 발생하는 과도한 열에 대한 보호 성능이 있어야 한다. 이러한 열보호 기능은 전압스위칭형 소자인 스파크 갭 등에는 해당되지 않지만, MOV를 사용하는 전압제한형 SPD에는 필수 조건이다⁽⁹⁾. 과열 방지를 위한 열 보호 장치에는 대부분 저온 납을 이용한 방법을 사용하고 있다. 납땜용 납의 용융점은 180℃인데, SPD에 사용하고 있는 납의 용융점은 일반적으로 120℃용을 사용하므로, 저온 납이라 부르고 있다.

그림 7은 저온 납을 사용한 SPD 예이며, 어떠한 이유로든 MOV가 120℃ 이상으로 과열되면 납이 녹아 회로가 분리되어 전류가 흐르지 않으므로, 온도 상승이 멈추게 된다. 저온 납을 사용하는 방식은 제작회사의 특허에 따라 열을 감지하고 회로를 분리하는 방법은 약간씩 다르지만, 납의 용융점을 이용한다는 조건은 같다.

저온 납을 이용한 MOV의 열 보호 방법은 다음과 같은 문제점도 가지고 있다.

(1) 공칭방전 전류 20 kA 8/20 ㎲ 제품 위주로 적용하고 있어 사용자의 선택 폭이 좁다.

(2) 20 kA 8/20 ㎲ 제품은 용적이 커서 세대분전반과 같이 소형분전반에 설치하기 곤란하다.

(3) MOV 제조회사의 특허로 MOV 구입 가격이 높아진다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 대안으로 검토되는 열 보호 방식이 열 감지 방식이다.

3.2 열감지 방식을 적용한 분리기 내장형 SPD 개발

본 연구에서 검토한 열 감지 방법은 바이메탈을 이용하고 있으며, 정해진 온도 이상의 열 감지가 이루어지면 접점이 ON이 된다. 접점 ON 신호를 이용하여 SPD 보호용 배선차단기를 차단하면 온도 상승이 멈추게 되는 방식이다. 이 방식의 장점은 감지 대상 및 정격 감지온도가 다양한데 있다.

그림 8과 같이 감지기(정격 감지온도 95℃)를 MOV에 접촉되도록 하여 MOV에서 발생한 열을 감지되도록 하였다. 95℃ 용을 사용한 이유는 MOV에서 발생한 열 손실을 고려한 것이다. 이러한 유형의 온도센서의 정격 감지온도는 90℃, 95℃, 100℃, 105℃, 110, 115℃, 120℃ 등 5℃ 간격으로 제작할 수 있으므로 선택의 폭이 넓다.

그림 8과 같이 배치한 열 감지기의 열 감지 효과를 검증하기 위하여 열 안정성 시험에 준하는 시험을 자체적으로 실시하였다. MOV 양단에 390 V 정도(전압변동을 고려한 표현) 인가하며, 2 ㎃ 정도의 누설전류가 발생한다. 이를 2 ㎃ 단위로 증가하니 6 ㎃ 정도에서 감지기가 ON이 되어 배선차단기를 차단시켜 온도 상승이 멈추게 되었다.

이때 사용하는 배선차단기에는 트립코일을 설치하였기 때문에 열 감지가 ON으로 되면 배선차단기가 순시에 차단된다⁽¹⁰⁾. 열 감지기가 동작하는 온도는 표 3과 같았다. 정격 온도보다 5℃ 정도 높은 온도에서 동작함은 열전도도와 관련된 것이며, 그림 9는 열 감지 온도측정 장면이다.

100℃ 이내에서 동작함은 저온 납 120℃ 보다 낮은 온도에서 동작하므로 열 보호에 효과적이라 할 수 있다. 참고로 저온 납도 MOV에서 전도되는 온도에 의하여 용융되므로 MOV가 120℃ 보다 약간 높은 온도에서 동작하게 된다.

이상과 같은 실험결과를 바탕으로 열 감지 방법의 분리기가 내장된 SPD 2종(삼상 및 단상)의 SPD을 개발하였다. 내부 분리기에 단락전류를 차단 기능이 있는 배선차단기를 사용하였다. 3상 SPD In 20 kA (8/20 ㎲) 기준 정격전류 50 A, 정격 차단용량 5 kA의 배선차단기를 적용하였다.

단상은 L-L, L-N, N-PE에 각각 10 kA MOV를 사용한 전압제한형으로 개발하였으며, 삼상은 그림 10과 같이 R-N, S-N, T-N에는 10 kA 8/20 ㎲ MOV, N-PE에는 10 kA 8/20 ㎲ Spark gap 2개를 병렬로 사용하여 조합형으로 개발하였다⁽¹¹⁾.

그림 10의 ③과 같은 덮개는 MOV에서 발생한 열방산을 막아 열 감지기가 효과적으로 열을 감지하도록 하는 조치이다.