피뢰침은 어떻해 설치하고 어떤 피뢰침을 사용해야 좋을까?

낙뢰피해 방지 대책으로 신설 또는 추가시 첫번째 이야기에서 언급한 피뢰침 설치시 계산 적용하는 회전구체법과 요즘 피뢰침의 다양성에 대한 것에 대하여 말하고자 합니다. 이 자료는 한국전기연구소에서 시험한 자료를 인용하였습니다.

피뢰 시스템은 뇌격으로부터 인명사고 및 구조물 또는 설비의 화재, 폭발 사고등과 같은 직접적인 피해를 방지하기 위한 것으로 피뢰침과 인하도선, 접지극 및 서지 보호기를 포함한다. 이중 피뢰도체(Air terminal)는 뇌방전시 피뢰도선에 뇌격이 수뢰하도록 하여 대지로 방류 시킴으로써 주변 공작물 혹은 인체로의 낙뢰사고를 방지하기 위한 것이다. 그러나 피뢰도선으로의 낙뢰는 낙뢰지점의 대지전위상승과 더불어 주변공작물에 미치는 전자기적 영향이 항시 뒤따르게 된다.

  본 장에서는 피뢰침 설치에 관한 국내외 기술 기준을 조사 분석하였으며 최근 국내에서 널리 사용되고 있는 ESE (Early Streamer Emission) 피뢰침 및 DAS (Dissipation Array System) 피뢰침과 기존의 일반 피뢰침의 성능을 비교 분석으로써 이들의 설치에 대한 적정성을 검토하였다.

제 1 절  보호 원리 및 설치 기준

  낙뢰는 지상 혹은 지상의 구조물과 뇌운사이의 전기적 방전현상이다. 제 2 장에서 설명한 바와 같이 낙뢰는 하향리더와 상향리더(혹은 상향 스트리머)가 임의의 전기적인 거리(뇌격거리)에서 상호의 방전로가 결합되는 현상이다. 뇌방전은 표준 대기압,  평등전극 상태에서의 방전현상이 아니기 때문에 방전로의 양상은 여러 방향으로 분기된 수목의 뿌리와 유사하다. 이와 같은 뇌방전로를 상정한 피뢰설계의 방법은 크게 보호각을 이용하는 방법과 전기기하학적 구조를 이용한 회전구체법(RSM : Rolling Sphere Method)으로 대별될 수 있다.

1. 보호각법

  보호각법은 기준면 위에 있는 피뢰침이 이루는 원뿔각 내에 있는 구조물은 직격뢰로 부터 보호된다는 것이다. IEC 1024-1-1990의 표준에 의하면 보호각은 피뢰도체의 높이가 증가하면 표 5-1과 같이 작아지며 이로 인한 보호공간도 작아진다. 미국의 NFPA 780-1997 표준에서는 지상으로부터 7.6m 이하의 구조물은 63°로, 15.24m 이하인 구조물은 45°로 규정하고 있다.

표 5-1. 보호레벨에 따른 피뢰침의 위치

보호레벨 (효율 E)	h(m) R(m)	20	30	45	60	메쉬 폭
		α°	α°	α°	α°
I(0.98)	20	25	*	*	*	5
II(0.95)	30	35	25	*	*	10
III(0.90)	45	45	35	25	*	10
IV(0.80)	60	55	45	35	25	20

  * 회전구체와 메쉬(피뢰보호도체)에서만 적용

그림 5-1. 보호각법과 회전구체법

  

  한편 「한국공업규격 KS C 9609 (피뢰침) - 1985.12.4」와 「건축물의 설비기준에 관한 규칙-2001.1.17」에 따르면 피뢰침의 보호각은 60°이하를 권장하고 있으며, 화약․가연성 액체․가연성 가스를 보호하기 위한 피뢰침의 각도는 45°로 규정하고 있다.

 

2. 회전구체법

  그림 5-2에 나타낸 바와 같이 뇌격거리와 동등한 반경의 가상구를 건축물에 회전시킬 때 접촉하는 모든 점에 피뢰침을 설치하도록 요구하는 방법이다. 즉, 보호영역은 뇌격거리 R을 반경으로 하는 구를 돌출물(피뢰도체)에 접하게 했을 때 구내부로 노출되지 않는 공간이다. 이와 같이 RSM을 적용할 때는 구가 놓일 수 있는 가능한 모든 위치가 고려되어야 한다.

  일률적으로 보호각을 적용하는 보호각법과는 달리 회전구체법은 1970년대부터 적용되기 시작한 방법으로 최근 선진 각국에서는 과학적인 타당성이 입증된 회전구체법이 널리 사용되고 있다.

  미국의 NFPA 780-1997 표준에서는 일반구조물에 대해서는 뇌격거리를 45.75 m(150 ft), 가연성 증기나 액체를 담고 있는 탱크와 안테나 및 선박(watercraft)에 대해서는 30 m(100 ft)의 뇌격거리를 추천하고 있으며, 이 뇌격거리를 회전구체법에 적용하여 피뢰 설계를 하도록 추천하고 있다.

그림 5-2. 회전 구체법에서의 보호영역

이상과 같이 피뢰침 설치 시 적용하는 기준이나 설계 방법을 살펴 보았고 다음에는 여러가지 피뢰침의 성능에 대한 자료를 살펴보기로 하겠음