이온 방사형 광역 피뢰침

(PREVECTRON)

자연 낙뢰 시험

브라질(카쵸이라 팔리스타)

시험 설비

I N D E L E C

< 연구목적 >

카쵸이라 팔리스타는 자연상태의 낙뢰시험을 수행하기 위하여 1998년 브라질 수도 상파울로에 설립되었다. 본 시험설비는 인델렉의 주관하에 INPE(국립 브라질 항공 우주 연구소) 프랑스 또르즈 대학 연구소, 캐나다 Hydro-Qeubec(IREQ) 연구소 및 브라질 캄비나스와 산호세 대학교와 공동으로 연구하고 있다.

2001년에는 프랑스 텔레콤 및 브라질 텔레콤사가 같이 공동 연구를 위해 합류하였다.

인델렉의 과학자와 엔지니어팀들은 일반 피뢰침과 조기 방사형 광역 피뢰침의 동작 특성에 대하여 일련의 실험을 수행하였다.

여기에는 낙뢰 관측 특수 카메라, 뇌격전류 기록장치 등이 자연 낙뢰시 같은 높이에서 어느 곳에 낙뢰가 되는가를 기록, 측정할 수 있도록 설치되었다.

1980년대 조기 방사형 피뢰침(Early Streamer Emission Lightning Rod)이 개발된 이래, INDELEC社는 ESE 피뢰침에 대한 효능을 입증하기 위하여 자연 상태하에서의 실제 낙뢰시험에 많은 노력을 하였다. 본 연구를 위해 인델렉과 뇌방전 유도실험을 맨처음 주창한 프랑스 원자력 연구소(CEA)와 공동 연구를 시작하였다.

연구의 목적은 미국 플로리다, 프랑스, 브라질 시험장에서 추구하였던 것으로 아래와 같다.

● 프리벡트론(Prevectron 2)의 과학적 동작원리 검증

(즉, 전계변위 △V/△t에 따른 이온 발진 현상)

● 동일한 높이에 설치된 일반 피뢰침과 Prevectron과의 뇌방전 비교 검토

● 각각의 피뢰침 상부에서 생기는 상향 리더 전류 측정

● 피뢰침에 뇌격하였을 때의 내구성에 대한 신뢰도 검증

(비슷한 실험은 이미 일본 나다치에서 실행하였음.)

● Prevectron이 일반 피뢰침보다 일찍 상향 리더를 발생시킨다는 사실 증명

< 실험장 개요 >

카쵸이라 팔리스타 실험장은 상파울로와 리오데자네이로 사이의 INPE(브라질 항공 우주 연구소)부지 내에 위치해 있다. 이곳의 지정학적 위치(22°41.2 S, 44°59.0 W, 해발 625m)는 열대성 폭풍우가 자주 발생되는 지역이다.

2가지 실험이 1998년에 시작되었다.

● 자연 낙뢰하에서, 끝이 뾰족한 일반 피뢰침(r<1□), 뭉툭한 피뢰침(r=15□)과 2개의

프리벡트론에 대한 각각의 방전 실험

● 각 피뢰침이 설치된 뇌격 유인 실험대와 방전을 유도하기 위해 끝부분이 절연된 Kevlar

절연 케이블을 로케트에 연결하여 시행

양(+)전계 내의 대기중에서 로켓이 발사될 때, 로켓은 대전된 뇌운의 하부로 날아가게 되고 이 때 지면과 단락이 된다. 하향 리더는 로켓의 도선을 따라 내려오게 되는데, 전선의 마지막 부분이 절연되어 있기 때문에 지표면 가까이에서는 자유롭고 독립적으로 움직인다. 그리고 로켓 발사대에는 3가지의 피뢰침이 설치되어 있으며, 상향 리더 발생시 생기는 낮은 수준의 전류치와 실제 피뢰침에 뇌격했을 때 아주 큰 뇌격 전류를 정확히 측정할 수 있는 장비들이 또한 설치되어 있다.

전계 감지 센서가 피뢰침 높이와 같은 위치에 마스트 위에 설치되어 있다.

측정치의 신뢰성 확보를 위하여, 대기중의 전계변위에 기인되는 전자계 간섭을 받지 않도록 모든 기록 데이터들은 광케이블로 전송된다.

수대의 카메라가 자연 낙뢰시의 순간 촬영 및 뇌격 유인 순간 등을 기록하기 위하여 설치되었다.

Hydro-Quebec(캐나다 전력연구소)은 광학적 및 전자계에 의해 자동으로 연속적으로 촬영되는 몇 대의 카메라를 설치하였다.

가장 빠른 카메라의 속도는 초당 8,000프레임 촬영 가능하다.

< 1998∼2003 관측결과 >

과학자들은 프리벡트론에서 상향 리더가 어떻게 진전되는지 비디오 기록에 의해 최초로 규명하게 되었으며, 반면에 동일 전계내에서 일반 피뢰침에는 어떠한 변화도 없다는 것이 알려졌다. 각 피뢰침에서 뇌격들이 최소한 4프레임 또는 30fps에서 130ms동안 기록되었다.

상기 2개의 사진은 낙뢰를 인위적으로 유도하지 않은 자연 뇌격 현상을 촬영한 것으로서,

프리벡트론이 스트리머를 조기에 방사시킨다는 사실을 명확히 증명시켜주는 좋은 자료이다.

우측 그래프는 프리벡트론 피뢰침 상부 전극부에서 맨먼저 생기는 전류 변화치를 기록한 것으로 일반 피뢰침의 데이터와 비교하였다.

상기 그래프는 각 피뢰침의 상부에서의 전류의 크기와 모양을 나타낸 것이다.

최초의 펄스들(전파되지 않는 낮은 수준의 코로나 효과)은 프리벡트론이나 일발 피뢰침에서 모두 동시에 일어난다. 그러나, 프리벡트론에서 발생된 전류의 모양은 상향 리더의 형성을 보여주고 있으며, 첫 번째 주뇌격이 나타날 때까지 전파된다(유도성 포화).

이 시간 동안 일반 피뢰침 주위에 발생된 유사한 코로나 현상은 상향 리더 형성이 되지 않음을 보여준다.

상기 두가지 사진은 전에 쉽게 볼 수 없었던 것들이다. 자연 뇌격 실험은 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

A. 프리벡트론 피뢰침의 기본 동작 원리는 명확하며, 미국 플로리다 캠프 브랜딩, 프랑스

생프리바에서의 실험결과에 대하여 긍정적인 결과를 주었다. 프리벡트론의 이온 방사 시

스템은 하강 리더가 형성되어 전계가 급변할 때 자동적으로 동작한다는 사실이 증명되었

다.

B. 본 실험에서 프리벡트론의 반복되는 뇌격실험에도 충분한 내구력이 입증되었다. 카쵸이

라 팔리스타에서는 27□(미국 플로리다 캠프 브랜딩에서 1993∼94년에 실험된 13.5□),

평균 6회의 뇌격에도 고장을 일으키지 않았다.

C. 과학자들은 본 테스트 기간동안 소중한 열대성 폭우에 대한 자료를 수집할 수 있었다.

반면, INDELEC은 통신 가공선에 대한 전자계 유도 장애에 대한 공동연구에 참여하였다.     초고속 비디오 기록 카메라들은 연구원들에게 전에 보기 어려웠던 사진들로서 어떻게 뇌

격이 형성되는지, 그리고 기타 소중한 다른 정보들을 제공해 주었다.

(상기 계단형 하강리더의 사진 참조)