피뢰 설비 설치의 새로운 움직임

가토 기이치로(加藤 儀一郞)

(일본)中央防雷(株)대표이사

1. 피뢰 설비의 현상과 문제점

전쟁이 끝나고 곧, 피뢰설비에 대한 전국적인 통일규격이 요망되어 건축기준법의 제정(1950년)에 따라 높이 20m 이상의 건축물에 피뢰설비의 설치가 의무화되어 건축기준법 시행령(1950년)에 의해 JIS A 4201에 준거해야 한다는 것이 정해졌다.  그후, 1992년 까지 42년간에 8회 일부만 개정되고 큰 수정없이 시행이 되고 있다.

한편, 국제적으로는 1980년, IEC TC81 "뇌보호□가 발족하여 다년간의 심의결과, 1990년 국제규격 IEC 1024-1가 발간되었다.

이것은, 뇌보호에 관한 최신의 지식과 의견이 반영된 참신한 것으로 보호각은 높이에 따라 변화한다는 것과, 적극적인 연접접지 등을 권장하고 있다.  내용으로는 건물 자체를 보호하는 외부피뢰와, 건물내부에 설치된 전기전자 시스템을 보호하는 내부피뢰로 나누어 진다.

일본의 피뢰설비는 오랜세월에 걸쳐 JIS에 준거하고 있기 때문에 국제규격을 적용하는 구미 선진국의 방뢰기술에 비해 대단히 뒤지고 있는 것으로 생각되어,  오늘날, 이분야의 시장은 마치 □흑선시대(黑船時代:에도시대 말기 서양문물이 들어온 시대)인 것 처럼 보인다.

2. 학교시설의 방뢰대책은 어떠해야 하는가

2-1 개요

일반적으로 고교, 대학이라면 각종경기 시설이 있는 종합운동장과 관리동, 교사, 강당, 체육관 등으로 넓게 구성되어있기 때문에 뇌의 표적이 되기 쉽다.  그래서 각건물에는 전력선이외에 통신, 신호선 등의 약전선로가 다수 설치되어 있으므로 구내의 건물 등에 낙뢰하면 건물간에 이상 고전압이 발생한다.

또, 여름에는 뇌운이 산악에서 발달하여 강으로 전해져, 다른지역에 이동해 가는 것으로 알려져 있는데, 그 외에도 여러 가지 기상과 환경조건 등이 복잡하게 얽혀 있는 것으로 생각된다.  일례를 들면, 대도시에서는 한 여름의 태양열로 지표가 뜨거워지고, 거대한 에너지의 소비에 의한 열이 다시 더해진다.   이 열이 바람을 타고 대도시 주변지역의 상공에 모이면 거기에 상승기류를 생기게 하는 거대한 뇌운(super cell)이 발생하고 많은 낙뢰와 호우를 가져오게 되는 경우도 있다.

최근, 대도시 주변의 학교에서  약전기기나 전기설비가 다수 고장나는 경우도 이상과 같은 이유가 있었기 때문이 아닐까한다.

더 두려운 것은, 운동장에서 스포츠를 즐기고 있는 학생이 낙뢰를 맞으면 어떻게 될까 하는 문제이다.  초 중학생은 교사의 말을 순수하게 잘 듣지만, 고교 대학생은 대피지시 등에 잘 따르지 않으려는 경향이 있어서 뇌운이 가까워지면 큰 일이다.

2-2 사고의 종류와 대책 등

학교의 낙뢰사고는 다음의 3 종류로 대별된다.

(1)제1류의 사고: 낙뢰에 의해 생기는 건물의 화재나 손괴, 그외 감전사고

건물에 직접 낙뢰한 경우로, 목조건물은화재나 손괴 등이 일어난다.  또 철골조, 철근콘크리트조, 철골철근 콘크리트조의 경우, 건물에 낙뢰하면 간접적인 원인으로 화재가 되는 경우도 있다. 철골 철근 콘크리트의 경우, 뇌격전류는 콘크리트를 관통파괴하여 철근의 부분에 흘러들어 온다. 이때 발생하는 충격전압에 의해 콘크리트가 파괴되어 그 파편이 높은 곳에서 낙하하여 통행인에게 맞아, 사망에 까지 이어지는 사고가 된다.

간이의 철골조의 건물(바닥에 철근망이 되어 있지않은)의 경우, 철골건물에 낙뢰하면 건물내의 사람에 감전하여 사상사고를 일으킬 염려가 있다.

(2) 제2류의 사고: 건물내부에 설비된 전기전자 시스템의 소손(燒損) 또는 고장

a. 원인

그림1의 건물1에 낙뢰하면 뇌전류는 건물1의 기초에서부터 대지에 흐르지만 통상,

수 □정도의 접지저항이 있기 때문에 건물의 대지 전위[eqn: { V}_{S }= { I}_{S1 } × { R}_{E }] 까지 상승한다(예를 들면,[eqn: { I}_{S1 }]=10KA, [eqn: { R}_{E }]=10□이라하면,[eqn: { V}_{S }]=100KV).   건물1과 건물2가 배전선, 통신선, 제어선 등으로 연결되어 있으면 뇌전류의 일부는 그 도선을 통해 건물2의 기초에서 대지에 유입된다.

건물1과 건물2의 접지저항이 대략 같을 경우,[eqn: { I}_{S1 } = { I}_{S2 }]가 되어 뇌전류의 1/2이 도선 및 건물2의 접지부에 흐른다(뇌전류의 분류). 이때 뇌전류의 통로에 절연물이 있으면(예를 들어 전자기기의 신호선과 케이스간의 절연), 그 절연에 앞의 전압[eqn: { V}_{S }]가 더해지는데, 절연이 깨지고 분기전류[eqn: { I}_{S2 }]가 흘러 피해가 발생한다(그림중의×표)

b. 대책

건물1, 건물2의 두 곳에서 각각의 도선과 건물의 기초접지와의 사이에 다음과 같은 피뢰기를 선정하여 접속하면 좋다.

□. 충분히 서지내량(耐量)이 있는 것.

□. 제한 전압이 적절한 것.

□. 피보호기기의 기능을 잃지 않는 것.

□. 응답속도가 빠른 것.

□. 속류차단이 가능한 것.

(3)제3류의 사고: 직격뢰에 의한 인사 사고   그림1 뇌전류에 의한 과전압 발생

a. 사고 발생의 메카니즘

뇌 현상은 복잡하여 과학적으로 불명한 점도 많이 있으나 보통의 경우, 뇌방전은 구름 쪽에서의 □계단상 선행방전(리더)이란 형태로 방전(어두스름한 빛)이 진전한다.

VIP가 탄 자동차를 선도하는 호위차를 연상하면 리더의 역할을 이해할 수 있을 것이다.

이 리더의 선단이 지상 20 ∼ 50m 정도에 접근하면 지상 쪽에서 마중 나가는 □선상 선행 방전(스트리머)□이 뻗어나, 양자가 서로 만나 주방전(빛나는 전광)의 통로가 결정된다.

이 때의 스트리머의 거리가 □뇌격거리□이며 이 뇌격거리를 반경으로 한 가상의 구(球)를 피보호물의 주변에 그렸을 경우 낙뢰점은 그 구의 외주가 닿는 곳이라는 개념을 회전구체법이라 한다.

b. 현장조사의 결과

1988년 8월 24일 14시 20분, 오오사카에 있는 T 초등학교의 운동장에 낙뢰, 하교하려던 6학년의 남자아이가 직격에 의해 즉사, 2명이 화상 등으로 중상을 입은 사고가 있었다.

필자는 이전부터 피뢰침의 보호각도 안에서도 낙뢰한다는 사실을 알고 있었음으로 현장을 실제로 조사했다.  그림2와 같이 종래의 생각대로 보호각 60도가 옳다면 건물에 낙뢰하여 어린이에게는 낙뢰하지 않았어야 했으나, 회전구체법으로 뇌격거리가 30m이라면 건물의 끝에 낙뢰하든가, 오른 쪽 끝의 어린이에게 낙뢰하든가 그 확률은 반반으로 이러한 비참한 사고를 불러 일으키고 말았던 것이다.  2 명의 어린이가 화상을 입은 것은 직격을 맞은 어린이로부터 측격뢰를 맞은 것으로 생각된다.  뇌격거리 30m의 뇌는 뇌 전류치가 약 3,000A 정도로 비교적 작아서, 낙뢰한 곳에 흔적은 보이지 않았지만, 이러한 경우 전류치가 10,000A정도가 되면 뇌격거리는 약 45m가 되어 노상에 떨어졌을 경우, 대부분 흔적이 남으며, 건물이라면 모서리 부분이 폭파하여 지상에 낙하할 것이다.

c. 기본적인 대책

골프장의 대책으로 클럽하우스에 뇌경보기를 설치하여 습뢰를 예지하고, 한 홀에 한곳의 비율로 카트도로 부근에 방뢰설비를 한 피난소옥(小屋)을 설치하여, 뇌가 접근했을 때, 플레이어에게 플레이를 중지시키고 가까운 피난소에 캐디의 유도에 따라 피난하도록 확성기로 알린다. 또 클럽 버스를 코스 안에 순회시켜 피난소옥에서 피난하고 있는 플레이어를 태우고 클럽하우스에 나르는 신속한 피난의 원조활동이 이루어지는 이방법을 실시하고 있는 곳에서는 과거 25년 간 전혀 뇌에 의한 인사 사고는 없었다.

학교의 경우에도 뇌 경보기를 준비하여 뇌가 접근한 경우는 경기를 중지하여 교사에 피난하도록 장내방송으로 유도하는 방법이 좋다고 생각한다. 단, 뇌운의 접근이 예상 이상으로 빠른 경우를    그림2 낙뢰사고 현장의 상황도

생각하여 보호범위가 매우 큰 전자제어피뢰침을 필요한 수 만큼 설치해두는 것이 제일 좋은 방법이다.

d. 자기자신의 대책

물론 학생들도 뇌에 대해 자기의 몸을 자기가 지킬 수 있도록 항상 신경을 쓸 필요가 있지 않을까 생각한다.

□운동장 같은 곳에서 뇌를 만날 경우에는 높게 치솟은 나무의 밑이나 작은 숲속으로 피해서는 않된다. 그보다는 허공 밑의 대지에 몸을 엎드려 있는 것이 좋다. 제일 좋은 방법으로는 굴이나 깊은 계곡, 또는 웅덩이 같은 곳을 찾아 숨는다.   언덕위에는 절대 올라가서는 않되며, 전주 가까이   사진2 폭풍 근접중의 상황

접근하지 않는다. 철책은 전기를 쉽게 끌어드리는

도체이므로 충분히 떨어져 (3m이상)있지 않으면 않되고, 물이 있는 곳도 좋지 않다. 넓은 운동장에 사람들이 모여 있으면, 한사람 씩 있는 때보다 전기를 끌어 들이기 쉽기 때문에 뇌우가 심할 경우에는 모두 해산하는 것이 현명하다.

뇌가 매우 가까워져 번개와 천둥이 거의 동시에 들리고, 코를 찌르는 듯한 이온의 냄새가 느껴지면 그것은 비상경보의 신호이다. 이런 폭풍 속에서 머리털이 서는 듯한 느낌이 들면 이미 당신의 몸은 뇌의 목표가 되고있다고 생각해도 좋다. 이렇게되면 체면차릴 때가 아니다. 즉시 지면에 엎드린다. 어떤 진흙투성이가 되든 우선 살고봐야 하니까...'(Readers Digest 1967년 8월호Berger.□뇌로부터 몸을지키려면"에서)   그림3 전형적인 뇌운

위에서 □폭풍속에서 머리털이 서는듯한 느낌이

들면□이란 표현이 있었는데 사진2의 상태의 것

이라 생각된다.

필자의 추측이지만 머리카락 하나에 코로나 전류가 1마이크로 암페어 정도 흐르므로 전체로는 100∼300 마이크로암페어나 흐르고 있다고 생각된다. 코로나전류의 크기는 전계(공중전기의 세기)의 3승에 비례하므로 낙뢰직전의 상태라 말해도될 것이다.                                  그림4 뇌운접근시□의전계강도

e.방뢰대책의 신병기는 복합형이 좋다.

전술한 뇌경보기는 복합형 뇌센서에 접속된 □코로남□이란 뇌경보기인데, 과거 20년간에 북으로는 홋카이도에서 남으로는 오끼나와 까지 전국의 골프장에 약 600 개소나 보급되었다. 이 수는 전국 골프장을 약 2000개소로 할 때 30%에 상당하는 수이다.

복합형 뇌센서(사진3)는 반원구형 전극과 30개의 코로남침으로 구성되어있다. 뇌운을 거대한 발전기로 예를 든다면 뇌운과 반원구형전극은 눈에는 보이지 않지만 전기력선으로 접속되어 있음으로, 뇌운이 방전을 개시하면 전계 급변화를 정확하게 적산하여 뇌운과 30∼40km나 떨어져 있는 장소에서도 뇌발생  경보를 내고 뇌운이 10km 권내에 접근하면코로나

침전극에 코로나 전류가 흘러, 피난경보가 나도록

되어있다(그림3, 4 참조).                            사진3 복합형 뇌 센서(코로남)

또 전자제어 피뢰침은 □프리벡트론(Prevectron)'이란

것으로, 프랑스의 INDELEC사가 개발하여 전세계에 약 5만대 이상 설치되어있다.   회전구체법 등의 최신이론을 적용한 것이다.  사진4와 같이 주침의 주위에 상부전극과 하부전극, 용기가 있어, 하부전극은 뇌운이 접근하는 동안에 코로나 방전하여 뇌의 에너지를 용기내의 콘덴서에 쌓아 놓아둠과 동시에, 구름에서 뻗어오는 □리더□를 지켜보기 위한 전자제어회로에 접속되어 있기 때문에, 낙뢰 직전에 주침과 상부전극 사이에서 콘덴서에 축적되어있던 전하를 방전시킨다.

이 불꽃방전에 의해 주침선단 부근에서 공기의 전리가 일어나, 뇌의 강전계에 의해 가속되어 상승 스트리머가 된다.  이때의 상승 스트리머는 보호구역내의 다른 물건보다도 빨리 발진하여 선행방전 선단과 결합하여 주방전을 형성한다. 간단히 말하면 부근에 떨어져야할 뇌를 적극적으로 마중나가는 역할을 하는 피뢰침으로 이점이 종래의 피뢰침과 다른 점이다.

따라서, 보호물 보다 5m 높게 세우면 100m의 범위를 보호할 수 있는 피뢰침이다.

3. 방뢰시스템의 도입이 시작된 대학의 예         T대학은 토오쿄의 서부에 있는 환경이 대단히 좋은 곳이다. 교사동 이외에 축구장, 육상경기장을 겸한 메인 운동장과 야구장, 테니스 코트(9면), 골프연습장, 체육관2동(1동은 옥내풀장) 등이 있다.

2000년 8월에 교사의 옥상 피뢰침에 낙뢰하여   화재경보탐지기관계, 중앙감시반 비상방송설비, 전기 시계시스템, 수은등 등에 고장이 생겼다.

T대학에서는 이를 계기로 건물내부에 설비된

전기전자시스템을 보호하는 내부피뢰대책(전기 제 2류의 대책)외에 종합적인 방뢰대책을 실시하였다.

사진4전자제어피뢰침□Prevectron'

4. 맺음

필자는 반생에 걸쳐 각종 방뢰기 자재의 개발을 해왔다.

근년에는 프랑스제의 □Prevectron을 일본에서 안심하고 쓸 수 있도록 동계 뇌다발 장소에서 필드 테스트를 반복하여, INDELEC사와 협력하여 Prevectron의 개량개선에 노력하고 있다.  오랫동안, 학교시설에 방뢰대책을 도입하고 싶었던 꿈을 품고 있었는데 이번, 월드컵의 결승전이 있을 요코하마 국제경기장에서 선수들을 뇌로부터 보호하기 위하여 프리벡트론을 채용하여 설치하게 되었다. 그리고 필자의 오랜 꿈이 실현될 날도 멀지않다고 확신한다.