3. 서지보호장치(SPD)선정 및 적용

전기안전관리자 기술교육

서지보호장치(SPD) 선정 및 적용

이성우 기술사

(파워세븐엔지니어링 대표)

□ 학습목표

● SPD와 관련된 용어의 정의를 명확히 이해한다.

● SPD 선정 및 적용에 대한 규격을 이해한다.

● SPD 설치방법을 이해한다.

1. SPD 선정시 파라미터

1) Impulse 전류

[그림2-1]

① 최대 임펄스 전류(Iimp) : SPD를 흐르는 전류파형이 10/350㎲인 전류의 피크치(peak value)

② 최대 방전전류(Imax) : SPD를 흐르는 전류파형이 8/20㎲인 방전전류의 파고치(Imax > In, SPD에 통전할 수 있는 최대 전류, crest value)

2) Impulse 전압

[그림2-2]

① 임펄스 전압(Uoc) : 파두 1.2㎲(피크 값의 10%~90%의 상승 시간)과 파미 50㎲(피크 값의 50%)인 임펄스 전압

<그림2-1, 2-2>

출처 : Schneider Electric - Marketing / Final Distribution / SPD - Shin Han - 2011

3) SPD(Surge Protective Devices) 관련 용어

[그림2-3] 배리스터의 전압-전류 일반적인 특성

[그림2-4] Uo, Uc, Ucs, Up 사이의 관계

① 최대 방전전류(Imax) : SPD를 흐르는 전류파형이 8/20㎲인 방전전류의 파고치(Imax > In, SPD에 통전할 수 있는 최대 전류, crest value)

② 공칭 방전전류(In) : SPD를 흐르는 전류파형이 8/20㎲인 전류의 파고치(In < Imax, SPD에 반복 통전할 수 있는 전류, crest value)

③ 최대 연속사용전류(Ic) : 최대 연속사용전압(Uc)을 SPD에 인가했을 때 흐르는 전류(<1㎃, Uc 일 때)

④ 공칭 교류전압(Uo) : 저압계통의 상과 중성선 사이 전압의 실효치(r.m.s)

⑤ 최대 연속사용전압(Uc) : SPD에 연속해서 인가할 수 있는 최대 전압의 실효치(서지 전압이 Uc 를 초과하면 방전개시)

(Ucs) : 교류 1000V 이하에서 정상적으로 변동되는 최대 전압의 실효치

(Ucs=1.05~1.1Uo, Ucs < Uc)

⑥ 전압보호레벨(Up) : SPD에 공칭 방전전류(In)를 흘릴 때 SPD 양단에 나타나는 전압의 최고치 (Up ≥ Um, 전압보호레벨은 제조자에 의해 명시되며, 측정된 제한전압의 가장 높은 값과 같거나 더크다.)

⑦ 잔류전압(Ures) : 방전전류의 통과로 SPD 단자 간에 발생하는 전압의 파고치(기기 임펄스 내전압보다 높을 때 저압 기기를 보호하지 못할 수 있으므로 Imax에서도 제한전압을 고려)

⑧ 속류(If) : SPD가 방전 후에 SPD 단자에 공급되는 전압에 의해 전류가 흐르는 현상(속류는 최대 연속사용전류 Ic와 다름)

⑨ 열 폭주 : SPD 내부에서 소모되는 전력이 열방산 용량을 초과하여 내부소자의 온도가 상승하고, SPD가 손상되는 조건

2. SPD 규격

1) SPD 형식

[표2-1] SPD의 형식

SPD 형식	시험의 종류	시험 항목	과전압에 대한 보호범주	설치 위치
타입 Ⅰ	등급 시험	Iimp, In, Uoc	설비 인입구의 기기(범주 Ⅳ)	C
타입 Ⅱ	Ⅱ등급 시험	Imax, In, Uoc	간선 및 분기회로의 기기(범주 Ⅲ)	B
타입 Ⅲ	Ⅲ등급 시험	조합파	부하기기(범주 Ⅱ)	A

[주1] 규정된 시험 항목에 합격할 것. 최대 임펄스 전류(Iimp), 최대 방전전류(Imax), 공칭 방전전류(In), 임펄스전압(Uoc)

[주2] Ⅲ등급 시험은 1.2/50㎲ 임펄스 전압과 8/20㎲ 임펄스 전류가 조합된 파에 의한 시험이며 전압, 전류의 진폭과 파형은 SPD 임피던스에 의해 정함

<참고: KS C IEC 61643-1 : 2007 3. 용어의 정의>

[그림2-5]

2) SPD 구조 및 기능

[표2-2] SPD 기능과 소자

기 능	SPD 소자	비 고
전압 스위칭형	에어 갭(air gaps) 가스 방전관	비 고
전압 제한형	배리스터 억제형 다이오드	전원 회로
복합형	1포트 SPD 2포트 SPD	1포트 SPD: 전원 회로 2포트 SPD: 통신․신호계통

① 전압 스위칭형 SPD : 서지 전압에 응답하여 급격하게 낮은 임피던스 값으로 변화하는 기능을 갖는 SPD

[그림2-6] 에어갭 임펄스 응답

② 전압 제한형 SPD : 서지 전압에 응답하여 임피던스가 연속적으로 낮아지는 기능을 갖는 SPD

[그림2-7] 배리스터 임펄스 응답

③ 복합형 SPD : 전압 스위칭형 소자 맟 전압 제한형 소자의 모든 기능을 갖는 SPD

[그림2-8] 1포트 복합형 임펄스 응답

[그림2-9] 2포트 복합형 임펄스 응답

3) SPD 보호 장치

① SPD 고장 원인

● 최대 방전전류(Imax)를 초과할 때

ex) 최대 방전전류 20kA 8/20㎲ SPD에 30kA의 뇌전류가 발생하는 경우 SPD는 몇 초안에 파괴될 수 있음.

<참고: KS C IEC 61643-12 : 2007, 6.2.3.1 기대 수명>

● 일시적 과전압이 최대 연속사용전압(Uc)을 초과하고, 지속시간이 5초를 초과할 때

② SPD 보호용 차단기

● 최대 방전전류(Imax)에 견디는 용량일 것.

● SPD 고장시 3상 단락전류 차단 능력이 있을 것.

ex) SPD 제조자와 협의하여 차단기를 선정.

③ SPD가 고장 난 경우에 안전을 확보하기 위한 표준 고장모드

● 개방모드 : SPD가 고장 났을 경우 다음에 침입하는 서지를 보호할 수 없으므로 SPD를 교환하기 위해 상태를 표시하는 동작 표시기를 부착. ex) 적색 표시램프 활성화

● 단락모드 : 고장 난 SPD에 의해 저압계통이 단락에 가까운 상태가 되기 때문에 단락전류에 의해 화재 등을 일으키지 않도록 SPD 내부 또는 외부에 분리장치를 설치

[그림2-10]

<그림 2-10>

출처 : Schneider Electric - Marketing / Final Distribution / SPD - Shin Han - 2011

4) SPD 시방

[표2-3] SPD 시방

SPD 형식	임펄스 전류	공칭방전전류	조합파형 발생기개방회로의 임펄스전압	최대 연속사용전압	전압보호레벨
	10/350㎲	8/20㎲	조합파형 (1.2/50㎲,8/20㎲)	50/60Hz	1.2/50㎲
	Iimp_peak(kA)	In(kA)	Uoc(kV)	Uc(V)	Up(kV)
타입 Ⅰ	5, 10, 20	5, 10, 20	-	110,130,230 240,420,440	4, 2.5
타입 Ⅱ	-	1, 2, 5, 10, 20	-		2.5, 1.5
타입 Ⅲ	-	-	2, 4, 10, 20		1.5

[주] 1. 서지 전압이 Uc를 초과할 때 SPD는 방전을 개시 (SPD 고장요인에 대한 학습활동 참조)

[표2-4] SPD 최대 연속사용전압(Uc)

SPD 접속구간	저압계통 구성방식
	TT	TN-C	TN-S	중성선이 있는 IT	중성선이 없는 IT
상과 중성선(N) 사이	1.1Uo (1.45Uo)	NA	1.1Uo (1.45Uo)	1.1Uo (1.45Uo)	NA
상과 접지(PE) 사이	1.1Uo (√3Uo)	NA	1.1Uo (1.45Uo)	√3Uo	√3Uo
중성선(N)과 접지(PE) 사이	Uo	NA	Uo	Uo	NA
상과 PEN 사이	NA	1.1Uo (1.45Uo)	NA	NA	NA
[비고1] Uo는 저압계통의 상전압(중성선 전압) [참고1] 대부분의 SPD에 대하여 지속시간이 5초 이상인 일시적인 과전압(TOV)을 영구적인 스트레스로 간주해야하며, 지락 고장시 여러 개소의 SPD가 파괴되는 것을 막기 위해, 일반적으로 계통접지방식에 영향을 받지 않는 적절한 Uc는 1.5×Uo 보다 높음. [참고2] IT 계통에서는 지락고장 조건을 반드시 고려해야 함. 이런 경우 Uc를 더 높게 할 것을 강력하게 권고하고있음<참고 : KS C IEC 61643-12 : 2007 부속서 k.2.1>

[주] 2010년판 내선규정은 상과 중성선 사이(또는 상과 접지사이)의 Uc를 1.1Uo로 규정한 바, 실제 지락 고장조건에 따라 SPD 파손의 우려가 있음. ( )값은 IEC 60364 규격의 적용에 따라 2005년판 내선규정에 잠정 규정되었던 최대 연속사용전압을 나타낸 것임. 또한 국내 표준 전압과 국제 표준전압과의 차이 때문에 실무에서 적절한 SPD 규격을 선정하기 어려운 경우가 발생하고 있음.<3. SPD 선정 예와 학습활동 참조>

3. SPD 설치

[그림2-11] TN 계통의 서지 보호장치 설치

[주] 1. 설비의 기점 2. 배전반 3. 주 접지 단자 또는 바(bar) 4. 서지 보호장치 5. 5a 또는 5b 접속(가능한 짧게, 전선길이 0.5m 이내, SPD 타입 Ⅰ: 동선 16㎟이상, 타입 Ⅱ : 동선 4㎟이상) 6. 보호대상 기기 F. 보호장치(퓨즈 또는 차단기) Rb~Ra. 계통접지와 설비접지 본딩

[그림2-12] TT 계통의 서지 보호장치 설치(RCD 전단의 SPD)

[주] 1. 설비의 기점 2. 배전반 3. 주 접지 단자 또는 바(bar) 4. 서지 보호장치 4a. 서지 보호장치 또는 방전갭 5. 5a 또는 5b 접속(가능한 짧게, 전선길이 0.5m 이내, SPD 타입 Ⅰ: 동선 16㎟이상, 타입 Ⅱ : 동선 4㎟이상)

6. 보호대상 기기 7. 영상전류 보호장치(Residual current protective device, 예: 누전차단기) F. 보호장치(퓨즈 또는 차단기) Rb. 계통접지 Ra.설비접지

[그림2-13] TT 계통의 서지 보호장치 설치(RCD 후단의 SPD)

[주] 1. 설비의 기점 2. 배전반 3. 주 접지 단자 또는 바(bar) 4. 서지 보호장치 5. 5a 또는 5b 접속(가능한 짧게, 전선길이 0.5m 이내, SPD 타입 Ⅰ: 동선 16㎟이상, 6. 보호대상 기기 7. 영상전류 보호장치(Residual current protective device, 예: 누전차단기 후단에 SPD를 설치하는 경우 최소 3kA 8/20㎲의 서지전류에 대한 내성을 갖는 누전차단기) F. 보호장치(퓨즈 또는 차단기) Rb. 계통접지 Ra.설비접지

[그림2-14] 저압으로 인입되는 건축물 내의 SPD 적용 예

[주] 1. 설비 인입구에 가장 근접한 거리에 설치 -> 뇌보호영역(LPZ)을 적용하는 경우 보호영역 경계에 설치

2. 인입구에 설치한 SPD와 10m ~ 30m 이상 떨어진 장소의 기기는 뇌서지 진행파의 반사현상 (SPD 전압보호레벨 Up의 2배 이상 발생 가능)을 고려하여 추가설치 할 수 있음.

3. 뇌방전에 의해 건축물 내부의 전자계 영향이 우려되는 곳(내전압이 상당히 낮은 기기)은 추가 설치할 수 있음.

4. SPD 선정

1) SPD 선정 순서

● 설비 인입구 기기 : SPD 타입 Ⅰ<LPS가 없는 경우 SPD 타입 Ⅱ>

● 간선 및 분기회로 기기 : SPD 타입 Ⅱ

● 부하기기 : SPD 타입 Ⅲ

● 저압 계통접지 방식을 고려하여 선정

● 뇌임펄스 전류 값이 규정되어 있지 않은 경우: 12.5kA 이상

● 단, TT계통 : 3상 4선식인 경우 4배로 50kA이상, 단상 3선식인 경우 3배로 37.5kA 이상

● 공칭 방전전류 : 5kA 이상(최대 방전전류 Imax > 공칭방전전류 In)

● 단, TT계통 : 3상 4선식인 경우 4배로 20kA 이상, 단상 3선식인 경우 3배로 15kA 이상

● SPD 타입 및 각 변수 값을 고려하여 가장적합한 사양을 선정(표 2-3 시방 참조)

2) SPD 선정 예

① 3상 4선식 220/380V TT 계통에서 전원 인입구에 설치하는 경우

● 전원 인입구에 설치 : SPD 타입Ⅰ

● 임펄스 전류 Iimp : 50kA(10/350㎲) 이상

● 최대 연속사용전압 Uc : 

각 상과 중성선 사이 1.45Uo=1.45× 220=319V

각 상과 접지 사이 √3Uo=1.732× 220=381V

중성선과 접지 사이 Uo=220V

● 과전압 보호수준 Up : 부하기기의 임펄스 내전압 범주 Ⅱ의 값을 초과하지 않도록 Up≤2.5kV

② 3상 4선식 220/380V TN-S 계통에서 전원 인입구에 설치하는 경우

● 전원 인입구에 설치 : SPD 타입Ⅰ

● 임펄스 전류 Iimp : 12.5kA(10/350㎲) 이상

● 최대 연속사용전압 Uc : 

각 상과 중성선 사이 1.45Uo=1.45× 220=319V

각 상과 접지 사이 1.45Uo=1.45× 220=319V

중성선과 접지 사이 Uo=220V

● 과전압 보호수준 Up : 부하기기의 임펄스 내전압 범주 Ⅱ의 값을 초과하지 않도록 Up≤2.5kV

③ 3상 4선식 220/380V TT 계통에서 기타 장소(간선 및 분기회로, 부하기기 측)에 설치하는 경우

● 기타 장소에 설치 : SPD 타입 Ⅱ 또는 Ⅲ

● 공칭 방전전류 In : 20kA(8/20㎲) 이상

● 최대 연속사용전압 Uc : 

각 상과 중성선 사이 1.45Uo=1.45× 220=319V

각 상과 접지 사이 √3Uo=1.732× 220=381V

중성선과 접지 사이 Uo=220V

● 과전압 보호수준 Up : 부하기기의 임펄스 내전압 범주 Ⅱ의 값을 초과하지 않도록 Up≤2.5kV (특별히 보호된 전자기기를 보호하는 경우 임펄스 내전압 범주 Ⅰ의 값을 초과하지 않도록 Up≤1.5kV)

④ 3상 4선식 220/380V TN-S 계통에서 기타 장소(간선 및 분기회로, 부하기기 측)에 설치하는 경우

● 기타 장소에 설치 : SPD 타입 Ⅱ 또는 Ⅲ

● 공칭 방전전류 In : 5kA(8/20㎲) 이상

● 최대 연속사용전압 Uc : 

각 상과 중성선 사이 1.45Uo=1.45× 220=319V 

각 상과 접지 사이 1.45Uo=1.45× 220=319V

중성선과 접지 사이 Uo=220V

● 과전압 보호수준 Up : 부하기기의 임펄스 내전압 범주 Ⅱ의 값을 초과하지 않도록 Up≤2.5kV (특별히 보호된 전자기기를 보호하는 경우 임펄스 내전압 범주 Ⅰ의 값을 초과하지 않도록 Up≤1.5kV)