전자제어피뢰침에 의한 고층빌딩의 뇌보호 (中)

다케시타 테르(竹下 輝): 모리(森)빌딩(株)

가토 기이치로(加藤 儀一郞): 中央防雷(株)

가토 코오지로(加藤 幸二郞): 中央防雷(株)

4.3 회전구체법에 의한 피뢰침 보호범위의 결정3)

회전구체법은 앞에서의 낙뢰점 결정 메카니즘과 (4)식의 관계를 이용하여 낙뢰점이 될 수 있는 점을 미리 예측하는 방법이다.

그림7에 있어서

- 뇌격거리 r과 같은 반경의 구(球)가 피뢰침 선단     A'에만 접촉할 경우 피뢰침이 낙뢰점이 된다.     - 구가 기준면에 s 만 접촉하고 피뢰침에는 접촉하     지 않을 경우 기준면이 낙뢰점이 된다.

- 구가 기준면과 피뢰침의 쌍방에 동시에 접촉했을     경우 A', C'에 낙뢰할 가능성이 있으나 사선부     에는 낙뢰하지 않는다.(보호범위)                 그림7 회전구체법에 의한 보호범위

이 새로운 보호범위 결정법을 적용한 경우, 종래의

피뢰침의 보호범위는 현저히 축소되어 수 십 년 이상 된 소규모의 건물은 어쨌거나, 현재의 건축공법에 의한 대형건조물의 보호가 불가능하다는 것이다.

그림8은 높이 60m의 건물 옥상에 약 15m 높이의 피뢰침이 설치됐을 경우의 보호범위이다.

종래의 보호각법에 의하면 피뢰침 선단에서 수직선에 대해 60도의 경사선을 그어 수직선을 축으로 하여 경사선을 360도 회전시켰을 때 피뢰침 선단을 정점으로 지표상에 형성된 원추내부가 보호 범위로 되어 있었다.   회전구체법에 의하면 피크 전류치 약 9.5kV의 뇌에 대하여 회전구체 반경r=45m이고, 이 구면을 피뢰침 선

단에 접촉시키면서 옥상 평면상을 이동시켰을 때 구면과 옥상 평면으로 싸이는 공간이 보호범위가 된다.   그림8에서는 단면[eqn: { A}_{1 }]을 피뢰침을 축으로 360도         그림8 옥상 피뢰침의 보호범의

회전 시켰을 때 생기는 공간이 된다.  건물 측면은 피뢰침의 보호범위에 들어가지 않는다.

구를 건물측면 및 지표면에 접촉시키면서 건물 주위를 이동시켰을 때 생기는 공간(단면 [eqn: { A}_{ 2}])에는 낙뢰하지 않으나 45m 이상의 높이의 측면(단면B)은 지표면에 접촉하지 않는 뇌구가 접촉하기 때문에 낙뢰점이 될 가능성이 있다. 특히 옥상의 바깥쪽 언저리 부분은 전계집중이 일어나기 때문에 가장 위험하다.

낙뢰점의 초기 코로나 방전 전류치는 1 □A 이하로 매우 작아 비금속, 예를 들면 수목, 그림9a 메쉬도체에 의한 평면보호(단면도)

콘크리트, 젖은 석재 등 대지간 저항이 비교

적 높은 소재라도 낙뢰점이 된다.  주방전으로 이행하는 과정에서 낙뢰점의 전기저항이 높으면  뇌전류는 표면섬락, 내부관통파괴, 전류분기 등에 의해 방전로를 확보하고 건물의 금속 구조체, 예를 들면 철근, 철골 등을 경유하여 대지에 방전된다. 이 과정에서 콘크리트 내부의 수분, 기포의 급격한 팽창에 의한 폭발, 파열이 일어난다.

4.4 메쉬 도체에 의한 평면 보호4)

고층건물의 옥상 평면, 주변 난간, 측벽부의  그림9b 메쉬도체에 의한 평면보호(입체도)

뇌보호에 대해 종래의 피뢰침은 유효하지 않

으므로 IEC규격으로는 메쉬 도체에 의한 보호가 권장된다. 그러나 구체적인 설계에 있어 회전구체법에 의한 보호 공간을 기준으로 하면 메쉬 도체와 피보호 평면의 관계는 그림9a, 9b에서 나타내는 것과 같지 않으면 않된다.

그림9a에 나타낸 단면 구조에서 2 개의 평행 메쉬 도체의 보호공간은, 반경r의 구가 양측의 도체에 접할 때의 구바깥 범위이고 수평보호평면은 메쉬의 높이 보다도 d만큼 낮다.

메쉬 폭w(단형메쉬일 경우는 짧은 쪽이 변길이)가 주어졌을 경우, 거리d는 다음 식에 의해 계산된다.

[eqn: d=r- SQRT { { r}^{2 } - { (w/2)}^{2 } }]   (m)       (5)

[eqn: d] = 거리                   (m)

[eqn: r] = 뇌격거리               (m)                    그림10 프리벡트론의 전극배치

[eqn: w] = 단형 메쉬보호 도체의 짧은 변 길이  (m)

예를 들면 그림9b와 같은 단형 메쉬 도체로 옥상 평면을 보호하는 경우,

[eqn: r] = 20m(보호레벨 Ⅰ)라 하면,

[eqn: d] = [eqn: 20- SQRT { { 20}^{2 }- { (5/2)}^{2 } } = 0.157 m]

따라서 메쉬 도체는 옥상면 보다도 약 16 cm 높게 배치하지 않으면 않된다.

이것은 건물 측벽면의 보호일 경우에도 같아 메쉬 도체에 의한 뇌보호는 건물 디자인 및 보수작업상 문제가 많고 실용적이지 않기 때문에 현재 고층 빌딩의 측격뢰 보호는 거의 무방비 상태와 다름없는 실정이다.

그림11 임펄즈 제네레이터 시동 캡

5. 프리벡트론 피뢰침에 의한 고층 건축물의 뇌보호

5.1  동작원리와 특징5)

프리벡트론(PREVECTRON) 피뢰침은 약 15 년전, 프랑스의 INDELEC사가 개발하여 실용화된 전자제어 피뢰침으로 1995 년에 프랑스 표준규격(NFC17-102 뇌보호 규격)에 채용되어 현재까지 전세계에서 약 5만 기가 설치되어 있다.

높은 전계 중에서 국부적인 불꽃방전이 일어나면, 그 부근에 발생한 전자 및 양이온이 전계에 의해 가속되어, 중성기체 분자에 대해 충돌전리를 반복하여, 전극간 방전으로 발전하는 현상은 이전부터 잘 알려져 있고, 이 기구(機構)는 고압                그림12 내부 회로도

Impulse Generator의 시동Gap으로 쓰여져

왔다(그림 11).  리더뇌 선단이 피뢰침에 접근했을 때, 피뢰침 선단에서 작은 불꽃방전을 일으키면, 피뢰침 첨단 부근의 공기가 이온화되어, 강한 전계에 의해 충돌전리를 반복하여 상승 스트리머로 발전하고 리더 뇌 선단과 만나 주 방전로를 형성한다. 국부적인 불꽃방전에 의해 발생한 전자 및 양이온

은 강전계에 의한 가속과 충돌전리작용이 없으면 재결합에 의해 본래의 중성 기체분자로 돌아간다. 그 반감 시간은 약 100ms라 한다.  이 시간은 뇌  현상에 있어 리더 뇌의 시작에서 주 방전까지의 시간(약 3ms) 와 비교해 보면 충분히 길지만 예측 그림13 뇌운접근에 의한 지상전계강도

할 수 없는 시점에서 발생하는 뇌 현상의 시간 간격에 비교하면 매우 짧은 시간이다. 따라서 리더뇌 스타트를 검출하고, 그 직후에 피뢰침의 선단에서 불꽃 방전을 발생시키기 위한 제어가 필요하다. 이를 위해 그림12 과 같은 전자회로가 이용된다. 프리벡트론 피뢰침은 통상, 지상 약 2m 이상의 점에 설치됨으로 뇌 운의 접근에 따른 지표면상의 전계 (약10kV/m)의 영향을 강하게 받는다. (그림 13)  특히 중심 전극 및 하부전극의 선단에서는 국부적인 강한 전계가 생겨 그 값이 약 3kV/mm에 달하면 전극 선단에서 코로나가 발생한다.

이 코로나 전류에 의해 전원 콘덴서[eqn: { C}_{ 2}]가 약 300v 까지 충전되어 zenner diode [eqn: { ZD}_{1 }],[eqn: { ZD}_{2 }]에 의해 속박된다. 리더뇌의 스타트 또는 진전에 의해 전계강도의 급변화가 생기면 미분회로 콘덴사[eqn: { C}_{1 }]을 경유    그림14 뇌 임펄즈 표준파형

하여 포로카플러 PC 내부의 발광 다이오드에 전류가

흘러 트라이 아크 Tri를 점호(点弧)시킨다. 이로 인해 승압 트랜스의 1차측에 전원 콘덴서[eqn: { C}_{ 2}]의 전하가 방전하고 2차측에 고전압이 유기된다.  유기된 고전압에 의해 상부전극과 중심전극  사이에 불꽃방전이 발생하고 기체분자의 이온화가 생긴다.

전계강도의 급변화가 검출되어서부터 불꽃방전 발생까지의 소요시간은 1□s이하이기 때문에 피뢰침 주변의 돌기물 보다도 훨씬 빨리 상승 스트리머를 발생시킬 수 있다.

앞의 프랑스 규격에는 평지의 여름 뇌에 있어 가장 빈번하게 발생하는 음극성 구름-대지뇌에 대해서 선행방전이 접근하는 경우의 지상의 전계강도의 변화를 측정하여 그림14와 같이 표준파형을 정한다. 이 표준파형을 기준으로 고압 실험실에 있어서의 시뮬레이션의 결과, 프리벡트론S6.60의 상승 스트리머 촉진시간□T=60□s, 상승 스트리머 속도 V=1m/□s정도이므로, 따라서 상승 스트리머 진전거리□L=60m가 결정된다.

그림15는 프랑스 규격에 표시된 조기    그림15 조기 스트리머 발진형 피뢰침의 리더

스트리머 발진형 피뢰침의 기능 설명도로

우측 빌딩옥상의 종래형 피뢰침보다도 빨리 상승 스트리머를 발진시키기 때문에 광범위의 뇌보호가 가능하다는 것을 나타내고 있다.

최대 약 100m에 달하는 넓은 보호범위는 전자제어에 의한 뇌현상의 조기검출과 피뢰침측에서의 스트리머 발진에 의해 달성된다.

또 프리벡트론 피뢰침은 넓은 보호범위 외에 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

1) 전자 제어방식이므로 응답시간이 1 □s 이하의 초고속으로 확실한 제어가 가능하다.

2) 장치는 소형, 경량으로 종래의 피뢰침과 같은 설치방법이 가능하다.

3) 뇌운의 전하를 이용하여 전원을 만듦으로 전자회로 전원을 위한 배선이나 전지가 불필요 하며 안전도가 높고 보수가 간단하다.

본 항에서는  음극성 뇌운-대지운에 대해 간단하게

설명하였지만 프리벡트론은 양극성 뇌운에 대한 제어회로도 갖추어져 있다. 또 겨울뇌가 많이 보이는 대지-뇌운에 대해서도 유효하게 작용하는 것이 실증되어 그 동작의 메카니즘도 해석되고 있다. 6),7),8)

참고문헌

1) IEC1024-1 Protection of structure against lightning, Part General principles,(1990.3)

2) 쓰루미 외 : □건축물 등의 피뢰설비□, 전기설비 학회, P79(1992.3)

3) French Standard: C17-102, "Lightning protection"(1995.7)

4) P. Hasse, et, al, : "Handbuch fuer Blitzschutz und Erdung" 4. Auflage, Pflaum           Verage, VDE-Verag, P.50, P126, P135(1993)

5) Lefort, et, al, : USP 4,752,854,"Method and Apparatus for Protection against Lighting."

6) A. Eybert Bernard, et, al, : "Lighting Protection Field Experiment in Japan on a Wind     Turbine Planr using an(E.S.E)Lightning Conductors."[eqn: { 4}^{th }]International Workshop on      Physics of Lightning, Session 5(1999.9)

7) 가토 외 : □조기(早期)스트리머 발진형 피뢰침□, 평성(平成)11년도 전기설비학회 전국대회     강연논문집, E-3 (1999)

8) 가토 외 : □Prectron 피뢰침의 동작원리, 그 이론과 실제□ 평성12년도 전기설비학회 전국     대회 강연논문집, R-6(2000.8)