1. 서 론

최근 기후 변화와 지구 온난화의 영향으로 낙뢰 발생 빈도가 증가하고 있다. 미국 항공 우주국(NASA)은 지구 표면 온도가 1℃ 상승할 때마다 낙뢰 발생률이 약 5-6% 증가한다고 보고하였다. 2012년부터 2021년까지 한국에서 대지방전에 의한 낙뢰 횟수의 연평균은 115,609회로 기록되었다^[1-3]. 이로 인한 재산 피해는 신고로 확인된 것만 총 748건으로 피해 금액은 총 65억여 원에 이르고 있다. 그 중 전자장비의 고장이 372건으로 전체 피해의 약 50%에 해당한다^[4]. 이러한 피해를 예방하기 위해서는 서지방호장치(SPD: Surge Protective Device)를 필수적으로 적용하고 있다. SPD는 전력계통의 전원선, 통신·신호선 등의 도체를 통하여 과도과전압(Surge)의 침입으로 전자기기, 정보통신기기의 파손과 오동작 등의 피해를 막고 보호하기 위한 장치이다^[5-7]. 통신·신호용 서지방호장치의 국제표준은 성능과 시험방법에 관한 표준 IEC 61643-21과 선정과 적용원리에 관한 표준 IEC 61643-22이다^{[8, 9]}.

SPD는 과도전압을 전류로 바꾸고 리턴 경로를 따라 션트되는 낮은 임피던스 경로로 작동하여 전기적 서지 또는 임펄스를 제거할 수 있는 서지방호소자가 적용된다. 그러나 서지의 에너지와 빈도에 따라서 열화되어 파손될 수 있다. 이러한 이유로 SPD의 유지보수 관리를 위하여 전원용 SPD의 서지 카운터에 대한 다양한 연구들이 진행되어 왔지만^{[10, 11]}, 통신·신호용 SPD는 대부분 성능에 중점을 둔 연구가 이루어졌으며, 유지보수를 위한 서지카운터에 관한 연구는 전무한 상황이다. 따라서 통신·신호용 서지방호장치의 효과적인 유지보수를 위해서 서지카운터 연구가 필요하다^[12-15].

본 논문에서는 통신·신호용 서지방호장치에 설치되는 서지카운터에 대한 연구를 다루고 있다. 이를 위해 국제표준의 검토를 통해 서지카운트 검출 한계전류를 제안하였으며, 실제 환경에서 설치가 용이하도록 설치구조 등을 고려하였다. 또한 낙뢰발생에 의한 서지에 대해서 모의실험을 수행하고 실험결과를 검토하고 분석하였다.

2. 이론적 검토

뇌방전에 의해 발생하는 서지는 발생원에 따라 직격뢰 서지, 유도뢰 서지로 나뉜다. 직격뢰는 건물 등과 같은 구조물과 전기 장비, 전력선 등 모든 구성물에 직접적으로 침입하는 낙뢰를 의미한다. 유도뢰는 송전선로 또는 통신선로의 근처에 낙뢰 되었을 경우, 주변에 분포된 선로에 전자기적 결합으로 발생된다. 유도뢰 전류의 국제 표준파형은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. International standard waveform of induced lightning current

여기서 $O_{1}$은 규약원점(virtual origin)이고, $I$ 는 피크전류(peak current), $T_{1}$은 파두시간(front time), $T_{2}$는 파미시간(time to half value)이다.

서지카운터에 관련된 규격인 IEC 62561-6은 도체에 흐르는 뇌격 서지전류를 계수하기 위한 장치의 요구사항 및 시험에 대해서 규정한다. 여기에서 도체는 피뢰시스템(LPS: Lightning Protection System)의 일부일 수도 있고 SPD의 설비에 접속된 것일 수도 있다. 본 규격은 서지카운트 임계전류를 8/20μs(8: 파두시간, 20: 파미시간)에서 500A이상에서만 카운트하고 절반값인 250A 에서는 카운트를 하지 않는 것으로 Table 1과 같이 규정되어 있다. 그러나 이 값은 전원용 SPD에 해당되는 값이며, 통신·신호용 SPD의 서지카운트에는 해당되지 않는다.

따라서, 서지카운터의 임계전류 값을 정하기 위하여 통신신호용 SPD의 시험규격인 IEC 61643-21에서는 임펄스 제한 전압 시험에 대한 서지 전압과 전류의 파형을 표 2와 같이 규정하고 있다. 통신종류에 따른 임피던스에 따라서 규정된 파형은 상승시간이 늦은 파형과 빠른 파형 그리고 에너지가 큰 파형으로 구분되어 있는데 이는 통신의 종류에 따른 임피던스에 따라서 서지파형이 달라지는 것에 기인한다.

AC 전원용은 AC 220V를 사용하지만, 통신·신호용 전압은 수 V에서 수십 V 범위에서 사용하기 때문에 작은 전류가 감지되었더라도 통신·신호회로의 내성측면에서는 매우 위험할 수 있다. IEEE C62.36에서는 통신신호회로에 10/1000μs와 8/20μs 의 서지파형에 영향을 받을 수 있다고 정의되어 있다. 그리고 IEEE C62.50에서 Ethernet 회로에 10/700μs와 8/20μs 의 서지파형으로 시험하도록 규정되어 있다^{[16, 17]}. 그러므로 Table 2의 B2 Category에서 제시된 최저전류인 25A로 서지카운트의 임계전류 값을 선정하였다.

3. 제안하는 통신·신호용 서지카운터 설계

가. 통신·신호용 서지카운터 형상

제안된 통신·신호용 서지카운터의 크기는 50 x 106 x 68mm의 비교적 작은 크기이다. 외형의 재질은 난연성 플라스틱을 사용하였고, 접지로 연결되는 PE(Protective Earth)단자와 통신·신호용 SPD와 연결하는 단자로 구성하였다. 연결단자들은 전기적 충격을 방지하기 위하여 방수방진 등급 IP20이 충족되는 덮개가 있으며, 전면에는 카운트수를 확인할 수 있는 액정표시기와 기능키가 있다. 설치를 용이하게 하기 위해서 EN 60715 DIN rail에 호환되어 장착되도록 설계하였다. 제안한 통신·신호용 서지카운터의 형상을 Fig. 2와 같이 나타내었다.

Fig. 2. A shape of the proposed surge counter for communication and signaling network

나. 통신·신호용 서지카운터 회로설계

전형적인 통신·신호용 SPD는 신호단자와 통신용 Ground 그리고 접지(PE: Protective Earth) 단자를 구비하고 있다. 통신 Ground와 접지사이에는 등전위를 위하여 가스방전관이 직렬로 연결된다. 기존에 판매하는 통신·신호용 SPD는 그대로 사용하고 접지단자를 서지카운터에 연결하여 서지 전류를 검출하는 방식으로 설계하였다. 서지전류는 토로이달 코일을 사용하여 검출하는 방식으로 설계하였고 연결된 선은 다시 접지단자로 연결되는 방식이다. 토로이달에서 검출한 전류는 전압으로 변환되고 이를 신호처리회로를 통해 마이크로컨트롤러의 GPIO(General Purpose Input Output)단자로 입력된다. 마이크로컨트롤러는 이 정보를 처리하여 서지를 계수하고 액정에 표시한다. 통신·신호용 SPD는 전원이 인가되지 않으므로 서지카운터에 전원을 입력하기는 현실적으로 어렵다. 따라서 3V 코인-셀 배터리를 전원으로 사용하였으며 초저전력으로 동작되는 마이크로컨트롤러인 Microchips사의 PIC16LF19156으로 설계하였다. 이를 블록도로 표현하면 Fig. 3과 같다. 서지전류를 검출하기 위한 신호처리회로는 Fig. 4와 같다.

Fig. 3. The circuit block diagram of the surge counter for communication and signaling systems

Fig. 4. Signal conditioning circuit for detecting surge current

SPD의 PE에서 PE로 전류가 흐르며 토로이달 코일을 통과하지 않은 선은 30mm AWG9을 사용하고 통과하는 선은 60mm AWG21을 사용하였다. 이에 해당되는 저항값은 AWG9가 0.001Ω이고 AWG 24는 0.029Ω으로 97%의 전류는 AWG9번 선으로 흐르고 3%만 AWG21번 선으로 분류된다. 서지전류는 매우 높을 수 있으므로 토로이달 코일의 전류로 인한 포화를 방지하기 위함이다. AWG21번선으로 흐르는 전류는 토로이달 코일에서 전압 V1으로 출력되며 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.

여기에서 n은 토로이달 코일의 권선수, A는 토로이달 코어의 단면적, B는 자속밀도이며, 검출신호는 토로이달 코일을 관통하는 서지전류에 비례하는 미분파형으로 나타난다. 브릿지 회로인 BD1-4 서지전류의 정극성과 부극성을 모두 검출하기 위하여 사용하였으며 C1과 R2는 노이즈를 제거하기 위함이다. TVS1은 높은 전압입력에 대한 트랜지스터의 파손을 방지하기 위하여 사용하였으며 검출되면 Q1이 ON되어 GPIO의 입력은 “High, 3V”에서 “Low, 0V”로 변환된다. 마이크로컨트롤러는 이를 검출하여 서지를 카운트한다.

다. 회로기판 설계

회로기판의 설계는 Mentor Graphics사의 PADS layout 프로그램을 이용하여 설계하였으며 회로기판에 부품이 장착된 사진을 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5. A picture of PCB assembly

4. 실 험

4.1 실험 구성

통신·신호용 서지카운터의 실험에서 사용한 측정 장비는 Fig. 3과 같고, 실험의 구성은 Fig. 6과 같다.

Fig. 6. Experimental setup

Table 3. Experimental equipments of surge counter

Experimental equipments	Model	Description
Combination surge generator	LSS-15AX (Noiseken)	15kV/7.5kA Open circuit voltage 2-10kV, 1.2/50㎲ Short circuit current 1-5kA, 8/20㎲
Oscilloscope	DLM2054 (Yokogawa)	500MHz, 2.5GS/s
Probe	701937 (Yokogawa)	500MHz, 10MΩx10, 600V
Current sensor	4997 (Pearson)	20kA

4.2 실험결과

서지발생기를 통해 뇌전류를 인가하고 모의실험을 수행하고 서지카운트의 동작여부를 시험하였다. 서지발생기의 전류는 12A, 25A, 1kA, 5kA로 각각 정극성과 부극성 10회를 인가하였으며, 실험결과는 Table 4와 같이 25A 이상의 조건에서 모두 정상적으로 동작하는 것으로 검증하였다. 서지발생기의 전류는 최소가 100A이므로 직렬로 저항을 25Ω을 연결하여 전류가 25A가 되도록 조정한 관측파형이 채널2이며, 채널1의 파형은 Fig. 4에 나타낸 마이크로콘트롤러의 입력단자 파형을 관측하였다. 마이크로콘트롤러의 입력단자는 idle상태에서 pull up이 되어 3V로 나타나고 전류가 25A이상이면 이를 검출하여 0V로 변환된다. 관측한 파형은 Fig. 7과 같다.

Fig. 7. Measurement result

Table 4. Experiment of the surge counter for communication and signal network under lightning current condition

Current condition		Surge count	Test results
12A	Positive	No	OK
	Negative	No	OK
25A	Positive	Yes	OK
	Negative	Yes	OK
1kA	Positive	Yes	OK
	Negative	Yes	OK
5kA	Positive	Yes	OK
	Negative	Yes	OK

5. 결 론

본 논문에서는 통신·신호용 SPD의 유지보수를 위한 서지카운터에 대해 제안하였다. 국제규격을 기준으로 통신·신호용 서지카운터의 검출전류 임계값을 25A로 제안하였다. 현재 국제규격에는 통신·신호용 서지카운터의 검출전류 임계값이 규정되어 있지 않아서 보완이 필요하다. 실제 환경에서 설치의 용이성을 고려하여 DIN rail 형으로 제작하고, 무전원 방식을 적용하여 배터리로 약 12년 정도 사용가능하도록 설계하였다. 정극성과 부극성 서지전류에 대해서 모두 검출할 수 있는 신호처리회로를 제안하였다. 실제 PCB를 설계하고 제작하여 실증 실험을 통하여 뇌전류 모의실험을 수행하여 제안한 통신·신호용 서지카운터의 성능을 검증하였다. 본 논문에서 제안한 통신·신호용 서지 카운터는 서지 보호 장치의 유지보수에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.