4.  비행기의 피뢰침

피뢰사고의 예

비행기에 타고 구름 속을 뚫고 지날 때 안개나 물방울 등과 고속으로 날고 있는 기체가 서로 스쳐서 덜컹 덜컹 흔들리거나 진동음이 커지거나 하면 어쩐지 좋지 않은 생각을 하게 되는  경우가 있다. 그래도 기내에서는 그다지 느껴지지 않지만, 타격을 가할 듯이 낙뢰가 발생하고 있는 경우도 있다.

비행기나 로켓트 비행중의 피뢰사고는 빈번하게 일어나지 않는다고 해도 드물게 추락에 이르는 경우가 있는 것 같다.

미국에서의 비행기 피뢰사고는 1963년 12월 8일에 일어난 메릴랜드주 에릭톤 부근을 순항중인 팬 아메리카 항공 제트기 B707의 예비 탱크 연료가 뇌격에 의해 폭발, 왼쪽 날개의 파괴로 추락하여 탑승원 81명 전원이 사망한 사고이다. 또한 군용기로의 뇌격에 의해 같은 형태로 복수의 중대사고가 일어났다고 알려지고 있다.

로켓트에 대해서도 피뢰사고가 있다. 1969년 아폴로 12호의 발사에 사용했던 새턴 V월 로켓트 발사 시에 피뢰사고가 2회 발생했다. 새턴 V월 로켓트가 구름 안으로 들어가 고도 약 2㎞와 4.4㎞에서 낙뢰를 맞은 것이다. 로켓트 발사 전 30분간 발사지점에서 30㎞이내에 독립된 수개의 뇌방전이 있었으나, 발사 전에 발사점 부근에서 뇌가 발생했다는 보고가 없었다. 그러나 지상 부근에 강하게 대전한 구름이 있고 지상의 전계는 1m당 3～4㎸ 까지나 상승하고 있었다는 것이 요인이라고 생각되고 있다.

1987년 3월 26일에는 인공위성 발사 로켓트 아틀라스센톨 67(AC-67)이 뇌격을 맞아 파괴사고를 일으켜 발사 실패가 되었다. 뇌격에 의한 유도 충격 전류가 로켓트 내부의 컴퓨터에 진입해 소프트웨어를 고장 나게 한 것이 원인이 되어 로켓트의 오작동을 일으켰다고   여겨지고 있다.

일본 내의 사고 예로는 1969년 2월, 가네자와 상공에서 기수에 뇌격을 맞아 제트기가 추락해 인체사고를 일으켰다.  또한 중대 사고까지는 아니어도 1987년 3월 29일 밤, 돗토리(鳥取) 공항 상공에서 기수 부분의 뇌격으로 46명이 가벼운 충격을 받았지만, 전원 무사하였다고 한다. 게다가 1988년 11월 24일 아침, 돗토리 현 중부 연안의 일본 해양 상에서 강하중의 쌍발 제트기가 고도 약 1.5㎞에서 뇌격을 받는 경우도 있었다.

미국 공군에서는 기상현상에 관계되는 사고 통계가 있는데, 그 가운데 반수 이상은 낙뢰에 의한 것이라고 한다. 다만 낙뢰가 직접 비행기의 추락으로 연결되는 것은 상당히 드문 일이다. 또한 FAA(미연방 항공국)의 통계에 의하면 미국 민간 비행기의 낙뢰는 평균 1기당 1회 정도 되고 있다. 또 민간 비행기의 낙뢰율을 조사해 보면 영국에서는 3,000시간 비행에서 1회, 일본에서는 3,260～3,570시간에 1회 비율의 수치가 나오고 있다. 그러나 이 정도의 비율로도 비행기 낙뢰는 어느 정도 일어나고 있다고 생각해야 한다.

비행기의 뇌격장소는 선단에서 기수 부분까지가 73%, 동체가 11%, 날개 및 엔진부분이 10%의 확률이 되고 있다. 낙뢰 시 기체의 자세에 관해서는 상승중 34%, 순항중 18%, 강하중 45%의 확률로 상승중과 강하중의 자세에 낙뢰하기 쉬운 것 같다.

그리고 낙뢰가 많은 달은 12월, 1월, 3월 순이고 가장 적은 달이 10월이다. 낙뢰한 고도는 겨울 뇌가 발생하는 고도 2.5㎞이하가 53.6%, 6.5㎞이상의 고도에서는 거의 없는 것 같다. 낙뢰시의 최대 확률을 나타내는 외기온도는 -2.4℃이지만, 낙뢰횟수의 92%까지가 -13℃에서 9℃의 기온범위에 있다. 그러나 낙뢰에 대한 외기온도의 분포는 넓어서 -28℃나 23℃에서의 낙뢰 데이터도 드물게는 기록되고 있으므로 단순히 외기온도만으로는 낙뢰조건을 특정할 수 없다.

뇌전류의 흐름법

비행기에 낙뢰가 떨어질 경우에도 지상인 경우와 같이 한 번의 낙뢰로 기체에 2개소 이상 떨어지는 다중뇌격이 확인되고 있다.

뇌격점은 「쉬프트 플래시 현상」에 따라 일정 간격의 거리에 흔적이 남는다. (그림 5 참조) 이것은 비행기가 진행방향 선단(예를 들면 기수 부분)에서 일정 시간의 간격으로 발생하는 뇌격을 여러 번 맞으면 일정속도로 날고 있는 비행기 기체에는 꼬리날개를 향해 일정 간격의 거리에 낙뢰 흔적이 남기 때문이다. 이 뇌격간격에서 뇌격의 시간간격을 계산할 수 있다.

예를 들면 시속 700㎞로 날고 있는 비행기는 20미리초(0.02초)간에 약 3.9m 진행하므로 기수 부분에서 0.02초 간격의 뇌격을 3회 받으면 뇌격점이 기수 부분에서 3.9m 간격으로 3점 정도 남게 되는 것이다.

뇌격점에서 기체 표면 등에 뇌전류가 흘러들면 기체의 뒤쪽에서 뇌격 간격에 대응해서 방전로(리더)가 뻗기 때문에 뇌전류는 1개소의 출구에서 빠져나간다. 기체에서 빠져 나간 리더는 여러 방향으로 뻗으려고 하지만, 가끔 일부가 지면에 도달할 때 지면에서 「귀환 전격」에 의해 번개가 뇌운을 향해 달리게 된다. 이때는 기체도 번개의 통로가 되어 거대한 전류가 기체 표면을 흐르게 되기 때문에 열에 의한 손상이나 전자유도 장해에 의해 기체의 컴퓨터 등의 계통에 장해를 받기 쉽게 된다. 특히 컴퓨터에 사용되고 있는 디지털 소자 등은 거대한 전자유도 펄스 전류나 자계에 약하기 때문에 보호 장치나 스페어 회로 등이 필요하다.

그림 5  쉬프트․ 플래시 현상

비행기의 피뢰침 역할

비행기가 나는 상공의 대기 중에는 상승기류 등에 의해 뇌운이 발생하기 쉽다. 또 상공을 비행하는 비행기는 얼음입자 등과 충돌하여 대전한다. 앞서 말한 바와 같이 금속이 대전하면 뾰족한 부분에 전하가 모이기 쉽게 되기 때문에 기체의 뾰족한 장소에서 강한 코로나 방전이 일어나 전자파를 발생하여 여러 가지 유도장해를 일으킨다.

비행기의 주익(主翼)이나 미익(尾翼) 뒤에는 길이 0.15㎝정도의 단침이 여러 개 설치되어 있어 비행기의 피뢰침에 상당한다. 예를 들면 점보제트기에는 50개 이상의 단침이 설치되어 있어 기체에 축적된 전기가 적은 동안에 약한 코로나 방전(부분방전)을 일으켜 전기를 대기 중에 방류하는 역할을 하고 있다.

단침의 또 한 가지 역할은 뇌전류가 날아 들어오거나 나가거나 할 때 기체의 뾰족한 부분의 직접적인 손해를 방지하는 것이다.

일반적으로 금속의 뾰족한 부분에 대전류가 출입할 때 그 출입구는 주위보다 급격히 좁아지기 때문에 실질적으로 전류가 흐르는 길이 좁아져 저항이 증대한다. 그 때문에 저항부분에 축적된 전기 에너지가 쥴열이 되어 발생하고 뾰족한 금속부분은 열에 의해 용단되는 것이다. 예를 들면 가정 내의 벽 콘센트에 가전제품 AC플러그를 천천히 끼우려고 가까이 했을 때 플러그 선단과 콘센트와의 약간의 틈에 전류가 흘러서 불꽃이 일어 플러그 선단의 일부가 녹아 없어지는 것과 비슷하다.

이러한 열로 인한 용단에 의해 기체 비행을 유지하는 부분이 결손 되면 대사고로 이어지기 때문에 교체 가능한 단침을 주익이나 미익의 후방에 설치하여 뇌전류로 인한 손상을 받아들이도록 하고 있다.

5.  전기설비의 피뢰대책

피뢰사고

전기설비에는 공장이나 가정 등에 공급하는 전력을 발생하거나 조정하거나 하는 발전설비와 변전설비, 그 전력을 보내는 송전설비, 공장 내에서 물건을 만들거나 가공하거나 하는 플랜트 설비, 연구기관 등에서 특별한 검사나 시험을 하는 시험설비 등 여러 곳에서 활용되고 있다.  그러나 이들은 전기 에너지에 의해 움직이는 설비이기 때문에 이 중에 거대한 뇌전류나 뇌전압이 들어가면 한순간에 전기설비의 오동작이나 파괴로 연결된다.

전기설비의 뇌재해는 다음의 세 가지로 나눌 수 있다.

(1) 뇌의 직격을 받아서 뇌전류가 직접 흐름에 따라 전선로의 단선이나 피뢰기의 소손을

일으키는 재해

(2) 간접적으로 뇌전압이 유도됨에 따라 절연물이 파괴되어 설비에 흐르고 있는 단락 등에

의해 설비가 소손되는 재해

(3) 똑같이 유도된 뇌전압이 전자정보기기 내부로 진입함에 따라 반도체 소자 등의 전자소

자가 파괴되는 재해

뇌사고의 대상을 전선, 애자, 변압기, 개폐기, 피뢰기 및 컴퓨터로 한정된 1983년부터 10년간의 통계로는 뇌사고 총건수가 최고일 때의 8분의 1인 약 100건으로 감소하고 있다. 그러나 한편으로는 전주에 설치한 변압기(주상변압기)에 관계된 뇌사고는 증가하고 있는 것 같다.

고압 송전선의 뇌사고 통계로는 평균적으로 본 연간 100㎞에 대해서 66㎸ 송전선에서 2.7～3.7건, 154㎸ 송전선에서 2.4건, 275㎸ 송전선에서 1.5건, 500㎸ 송전선에서 0.66건으로 송전전압이 작을수록 뇌사고율이 크다는 것을 알 수 있다. 또한 산간지역의 송전선에서는 뇌피해가 비교적 큰 경향이 있다.

발전소나 변전소에 있어서도 뇌사고 건수는 전압의 등급이 작아짐에 따라 커지는 것이 공통된 경향이다.

가공지선

보통 발전소에서 발생한 전력을 멀리 떨어진 장소로 효율적으로 보내기 위해서는 3개의 송전선을 사용한 삼상교류방식을 이용해 고전압으로 전력을 보내고 있다.

가정의 AC콘센트에서 나오는 전기는 단상교류라고 불리는 것으로 예를 들면 관동에서는 1초 동안 50회 정도 전기의 파(1주기의 파)가 계속 보내지고 큐슈에서는 1초 동안 60회 정도 계속 보내지고 있다. 삼상교류에서는 3개의 단상교류를 잘 조합해서 1주기인 3분의 1 시간 정도 위상차가 있는 전류가 흐른다. 이것은 전류의 흐름을 생각하면 같은 전력을 보내는데 단상교류를 사용하는 것보다 삼상교류를 사용하는 것이 송전선의 수를 최소한 3개로 할 수 있어 경제적인 구성이 되기 때문이다.

발전소에서 가정까지의 긴 거리 일정한 전력을 보낼 경우는 연구가 필요하다.

교류전력을 간단히 표현하면 (전력) = (전압) x (전류) x (효율)이 되므로 송전선의 효율이 일정할 때 전압을 크게 하면 전류가 작아진다. 예를 들면 효율이 60%이고 전력이 1,000만W일 때 가정의 전압을 100V로 보내면 전류는 6만 암페어지만, 전압을 1,000배인 10만V로 하면 전류는 60 암페어가 되어 보통 전선으로도 무리 없이 송전할 수 있다. 또 한번 큰 전압이 된 전력을 가정에서 그대로 사용하는 것은 위험하다. 그래서 100～200V정도의 낮은 전압으로 낮출 필요가 있지만, 교류를 이용하면 전주에 설치되어 있는 변압기 등에서 간단히 조정할 수 있다. 이것은 직류(건전지와 같은 시간적으로 변화하지 않는 전력)의 전기는 불가하다.

가공지선에 의한 피뢰대책

발전소에서 만들어진 전력은 송전선에 통하여 변전소나 중계소를 통해 공장이나 일반 가정으로 보내진다. 이 송전선으로 통하는 방식이 2가지 있는데 가공선식과 지중선식으로 나눠진다.

가공선식은 지상에 높은 철탑을 세워서 공중에 송전선을 매어 다는 방식이고 지중선식은 송전선을 하나로 해서 지중에 설치한 파이프 안에 설치하는 방식이다. 직접적인 뇌해를 받는 것은 주로 가공선식이기 때문에 이 송전선을 지키는 것이 중요하다.

그림 6 (a)는 송전선 위에 1개의 가공지선을 설치한 경우 그림 6 (b)는 송전선 위에 3개의 가공지선을 설치한 경우의 사진을 나타내고 있다. 이들 가공지선은 낙뢰시 피뢰침으로 활동한다. 가공지선 아래쪽에서 낙뢰로부터 보호되는 지면과의 각도는 보통 45도이다.

그러나 철탑의 높이에 따라 보호영역이 넓어져 주위의 낙뢰 위험성을 고려해서 45도보다  보호 범위를 작게 하여 가공지선을 설치하고 있다.

그림 6  가공송전선과 가공지선