뇌해 대책에 관한 기술

시마다 아키라

뇌는 자연현상으로 뇌 자체의 발생을 억제하거나 없앨 수 없다. 그래서 생각한 것이 뇌보호 대책이다. 일반적으로 뇌보호 대책은 피뢰설비나 피뢰침의 명칭으로 누구나 아는 것이지만 이 피뢰설비(뇌보호 시스템)을 건축물 등에 설치함에 따라 뇌에 의한 피해를 경감할 수 있다. 그러나 빌딩의 옥상에 설치된 피뢰침이 낙뢰에 대해서 효과적인 상태인가는 양부의 판단으로 정할 것이다.

현재 건축물 등에 설치된 피뢰설비는 뇌가 많은 지역에서의 임의적 설치 및 특별시설(위험물 등)을 제거, 건축기준법 제 33조에 기재된  ⌜20m를 초과하는 건축물에는 유효한 피뢰설비를 설치해야 한다.⌟의 1절에 따라 일본 내의 20m를 초과하는 건물에는 피뢰침이 설치되어 있다. 이 기준법에 기술된 유효한 피뢰설비의 규정은 일본 공업규격 JIS A 4201-1992(이하 구 JIS규격이라 한다.)에 근거한 치수⋅시공규정을 만족하는 설비를 가리키고 있다.

최근에는 빌딩의 고층화, 내부에서 사용하는 기기의 IC 다용화 및 IT관련의 대폭 도입 등  낙뢰에 의한 피해에 취약한 상태에 있다고 판단된다. 혼바시(本橋)에서는 2004년 7월에 개정된 일본 공업규격 JIA 4201-2003(이하 신 JIS라고 한다.)의 회전구체법 이론을 도입하여 뇌보호 대책에 필요한 사항을 적고 있다.

1. 뇌보호 대책의 규정

2004년 7월에 개정된 신 JIS규격에는 종래의 피뢰설비 명칭을 뇌보호 시스템으로 하고 있다. 신, 구 JIS규격의 시스템 개요를 정리하면 그림 1, 그림 2가 된다. 구 JIS규격에는 외부(건물)을 보호하는 외부 뇌보호 시스템 만을 규정하고 있지만, 신 JIS규격에는 여기에 건물내부(기기)의 보호를 목적으로 하는 내부 뇌보호 시스템을 규정하고 있다.

특히 내부 뇌보호 시스템에는 종래의 규정에는 전기용 접지극과 피뢰 설비용 접지극은 독립된 접지극을 설치하는 완전한 이격을 규정하고 있지만, 신 JIS에서는 등전위 본딩에 의한 1점 접속을 기본으로 하고 있다. 이것은 전기설비 상의 문제로써 찬반양론이지만 이후의 접지 시스템 본연의 자세를 묻는 문제이다. 또 신 JIS규격에는 보호레벨을 4단계로 나누어 보호레벨 Ⅰ∼Ⅳ로 각 레벨의 보호효율과 뇌격거리 등을 명확히 하고 있다.(표 1)

여기에서의 보호효율은 레벨Ⅰ의 규정을 만족하는 뇌보호 시스템을 설치한 경우 보호효율은 98%가 되지만, 해석은 ⌜100회의 뇌격에 대해서 98회는 뇌보호에 성공하지만, 2회는 얼마간 피해를 받을 가능성이 있다.⌟가 된다. 뇌는 자연현상이므로 예측불허 상태가 이 2%라고 판단할 수 있고, 이 2%를 보다 안전한 쪽으로 하기 위한 대책은 2차, 3차의 재해를 방지하는 처치를 하는 것으로 안전하게 되지는 않지만, 예측불허의 뇌재해를 최소한으로 할 수 있다.

그림 1  JIS A 4201-2003 규격 개요(신규격)

뇌보호 시스템

외부 뇌보호 시스템

내부 뇌보호 시스템

2.2 인하도선 시스템

2.3 접지 시스템

2.1 수뢰부 시스템

회전구체법

보호범위의 설정

구조체대용

A형 접지극

보호각법

도체인하

B형 접지극

메쉬법

수평환상도체

돌침

수평도체

메쉬

수뢰부 구성

등전위 본딩

직접 본딩

간접 본딩

독립된 뇌보호 거리

건물내 기기의 거리

외부 뇌보호 시스템의 절연

피뢰설비

3.1 일반

3.2 철근⋅철골

3.3 목조

3.4 독립⋅케이지

3.4 위험물

3.1.1 돌 침 부

3.1.2 동상도체

3.1.3 피뢰도선

3.1.4 접 지 극

3.1.5 접    속

각 부분의 치수⋅시공규정

그림 2  JIS A 4201-1992 규격 개요(구규격)

표 1  보호레벨과 보호효율 등

보호레벨	보호효율	최소 뇌격전류(㎄)	뇌격거리(m)
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ	0.98 0.95 0.90 0.80	2.9 5.4 10.1 15.7	20 30 45 60

2. 외부 뇌보호 시스템

2.1  수뢰부 시스템

수뢰부 시스템은 뇌운을 향해 스트리머를 발생, 고의로 뇌격을 받아서 막는 부분이다. 구 JIS규격에는 옥상에 설치한 수뢰부의 선단에서 보호각 60°로 설정한 보호범위에 피보호물(건축물 등)이 들어 오면 수뢰부로 낙뢰하도록 하고 있다. 그러나 근처에 철탑 등의 수뢰부가 될 수 있는 건조물이 있고 보호범위를 나타내는 보호각 60°의 보호각 내에도 들어 옴에도 불구하고 평지나 낮은 건물에 낙뢰를 받는 경우도 사실이다. 낙뢰에 대한 보호는 먼저 직접 뇌격을 구조물에 수뢰시키지 않는 것이고 뇌격을 받을 가능성이 있는 부분을 모색해 적절한 수뢰부를 배치하는 것이다. 이 수뢰부의 검토는 신 JIS규격에 기재된 회전구체법을 권장한다.

회전구체법이란 뇌격을 받을 가능성을 모색하는 방법이다. 낙뢰는 뇌운에서 발생하는 선행방전(스텝리더)과 대지 측에서 뻗는 상승 스트리머가 결합해서 생긴 전로(電路)에 뇌격이 일어난다. 뇌운에서 뻗은 선행방전(스텝리더)의 결합점은 리더선단을 중심으로 구체를 그리며 뇌격범위를 형성하고 있다. 이 구체의 면(포락면)에 최초로 접촉된 점에 전로가 구성되어 낙뢰가 된다.

따라서 뇌격을 받을 가능성을 모색하려면 구체를 구성하는 포착면을 직접 접촉되지 않도록 수뢰부 도체를 설치하고(그림 3) 피보호물이 포착면 내에 머물도록 수뢰부 시스템을 구축하는 방법이다.

또 신 JIS규격에는 회전구체법 이외에 보호각법, 메쉬법에 의한 피보호물(건축물 등)의 낙뢰를 받을 가능성이 있는 부분을 회전구체법에 의해 명확히 하여 그 부분에 적절한 수뢰부 도체(돌침, 수평도체, 메쉬도체)를 배치하는 것이 외부 뇌보호(수뢰부 시스템)의 중요한 요소이다. 신 JIS에는 보호효율을 레벨 Ⅰ∼Ⅳ로 나누어 회전구체의 뇌격거리를 규정하고 있지만, 피보호물(건물내외)의 중요도에 따라 선택할 것을 권장한다.

회전구체법에 추가로 보호각법, 메쉬법 3종류의 보호범위 설정을 단독 혹은 병용해서 하고 있지만 보호각법, 메쉬법이 규정하는 수치는 모두 회전구체법을 기본으로 한 수치라고 판단할 수 있다.(표 2)

뇌격을 받을 가능성은 건물의 높이, 건물형상, 입지조건에 따라 고려해야 한다. 예를 들면 뇌가 많은 지역의 고층빌딩은 낙뢰를 받을 가능성이 높은 것이 당연하지만, 언덕 위에 세워져 근처에 건물이 적은 장소나 경사면을 따라 세워진 계단식 건축물 등은 외관상 건물층 높이는 낮게 보이지만 경사면의 고저차를 고려하면 낙뢰를 받을 가능성이 높게 된다.

그림 3  회전구체법에 의한 보호범위

표 2  JIS A 4201-2003에 나타낸 수뢰부의 배치

보호 레벨	회전구체법 R (m)	보호각법 h (m)					메쉬법 폭 (m)
		20	30	45	60	60초과
		α (°)	α (°)	α (°)	α (°)	α (°)
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ	20 30 45 60	25 35 45 55	* 25 35 45	* * 25 35	* * * 25	* * * *	5 10 15 20
* 회전구체법 및 메쉬법 만을 적용한다.

비고) 1. R은 회전구체법의 구체반경

2. h는 구표면에서 수뢰부 상단까지의 높이로 한다. 단  육지의 지붕 부분에서는 h

를 육지 지붕에서 수뢰부 상단까지의 높이로 할 수 있다.

이 경우 건물 최하부 또는 경사면의 기초부를 GL면으로 건물의 높이를 계산해서 낙뢰의 가능성을 고려하는 것도 필요하다.(그림 4)

앞서 말한 대지 측에서 뻗은 상승 스트리머는 건축물이라면 코너부에서 뻗은 것이 콘크리트 파손사고의 검증으로 알 수 있다. 따라서 파라펫트, 난간 등 코너부에 포설된 건축부재를 적극적으로 수뢰부로 사용하는 것 외에 수뢰효과를 높이기 위해 코너용으로 추가 돌침을 설치하는 것이 효과적이다.

그림 4  경사면의 GL                그림 5  신 JIS규격에 의한 인하도선 개요

2.2  인하도선 시스템

수뢰부 시스템에서 막아낸 뇌격을 대지로 보내는 전로구성은 인하도선 시스템이다. 뇌보호 효과상 인하도선의 개수(개소수)가 많을수록 분류효과에 따라 인하도선 1개에 흐르는 뇌서지는 작아진다. 구 JIS규격에는 건물의 외주 길이에 따라 50m간격으로 인하도선을 배치하는 규정으로 되어 있지만, 신 JIS규격에는 레벨 Ⅰ∼Ⅳ가 규정하는 간격으로 하고 있다. 예를 들면 레벨 Ⅳ는 평균 간격을 25m이하로 되어 있지만 이것은 종래 규정의 1/2 간격이고 1개의 인하도선에 흐르는 뇌서지도 분류되어 이에 비례해서 작아진다.

또 건물의 외주를 따라 인하도선을 배치하는 것이 바람직하며 그 인하도선을 수직방향으로 적당한 간격으로 환상(環狀)적으로 접속함에 따라 각 인하도선이 등전위화 상태가 되어 서지유도를 억제하는 전로를 형성할 수 있다. 신 JIS에는 이 환상(環狀)적 접속을 수평환상도체로써 지표면 부근에서 수직방향으로 20m간격으로 설치하는 것을 규정하고 있다(그림 5 참조).

건축구조체가 철골조(S), 철근 콘크리트조(RC) 및 철골⋅철근 콘크리트조(SRC)로 구성된 경우 철골, 철근을 인하도선으로 대용하는 방식(간략법)은 요즘 자주 이용되는 방식이다. 뇌보호상에서 간략법은 인하도선 시스템에 있어서는 유효한 방식이고 종횡으로 배치된 철근, 철골이 케이지(새장) 모양을 형성함에 따라 수평환상도체도 형성된 상태이다. 뇌보호 시스템으로는 건축구조체를 적극적으로 이용하는 것으로 이상적인 등전위 상태를 지킬 수 있다.

2.3  접지 시스템

수뢰부 시스템과 대지를 연결하는 접속부분이 접지 시스템이다.

구 JIS규격에는 재료의 치수규정 외에 단독 50Ω이하, 통합접지 저항 10Ω이하의 저항치가 규정되어 각 인하도선에 접지체를 단독으로 접속하는 방식으로 하고 있다.

뇌보호 시스템에 있어서 유효한 접지는 수뢰부 시스템에서 등전위화된 인하도선을 끼워 전파된 뇌서지를 대지로 방출시키려면 건물 외주를 따라 여러 개소에 포설된 접지전극이 등가 접지저항을 필요로 하는 것이 바람직하다. 결국 종래의 저항치 중시가 아닌 접지체의 형태를 똑같이 하는 것은 여러 개소에 포설된 접지극에 뇌서지가 유입되어 일어나는 전위상승을 일정하게 지키는 것이 목적이다.

신 JIS규격에는 이 접지형태를 A형 접지극, B형 접지극 2종류로 분류되고 있다. A형 접지극은 종래의 단독 접지방식과 유사한 형태로 방사형 접지극(매설지선), 판형 접지극(어스판), 수직 접지극(어스봉)의 3방식으로 하고 있다. 접지극의 구성은 하나의 접지체에 2개 이상의 전극을 배치하는 것으로 하고 있다.

B형 접지극은 환상 접지극(환상 매설지선), 메쉬 접지극(망상 접지) 및 기초 접지극(여기에서는 구조체 접지극)으로 하고 있다. A, B접지극의 선택 규정은 없지만, 신 JIS규격, 해설에는 소규모 건물에는 A형, 대규모 건물에는 B형을 추천하고 있으며 뇌보호 대책으로는 전위분포를 넓게, 전위경도를 낮게 지킬 수 있는 B형 접지극을 권장한다(그림 6, 그림 7 참조).

특히 구조체 접지극은 경제적인 동시에 경년(經年)변화에 강하고 저저항값 유지가 가능한 안전한 접지체라고 할 수 있다. 단 구조체 접지극은 동결토양지역이나 건물 기초가 얕아 대지의 건조가 직접 접지체에 영향(저항변화)을 미칠 경우는 다른 접지방식을 채용하여 매설 깊이를 깊게 배치하는 것이 바람직하다.

그림 6  A형 접지극 및 전극의 길이 l1

그림 7  B형 접지극의 개요

3.  뇌보호 시스템의 구성부 재료

뇌보호용으로 사용하는 부재료는 알루미늄 및 동재질로 봉, 관, 대 및 연선 등이 기본적 구성부 재료가 된다. 구 JIS규격에서 동재질에는 단면적 30㎟이상, 알루미늄재는 50㎟이상으로 규정하고 있다. 이 규정의 근거는 ⌜파미장 2.7ms, 100㎄의 단일전류가 흘러도 온도상승 100℃정도이다.⌟이다. 또 연선을 사용할 경우에는 국부방전 부식을 일으킬 것을 고려하여 최저 직경을 1.8㎜이상으로 하고 있다.

한편 신 JIS규격에는 각 시스템(수뢰부, 인하도선, 접지)에 의해 도체 단면적을 규정하고 있다(표 3 참조).

표에는 시스템별로 최소 단면적에 차이가 보이지만, 인하도선은 수뢰부에서 막아낸 뇌서지를 외주에 따라 여러 개로 분류하므로 1개의 인하도선에 흐르는 뇌서지도 비례해서 작아진다. 따라서 최소 단면적도 작아져도 좋다고 판단된다.

접지극에 사용하는 도선은 수뢰부 도체보다 크지만, 이것은 지중에서의 토양부식을 고려한 수치라고 해석할 수 있다.

현재 뇌보호용으로 사용하는 도선으로는 일반적으로 넓게 사용되고 있는 경동연선 : 연선 2.0 x 13C(40㎟)이지만, 이것과 동등 이상의 효과 및 성능을 가진 도체를 사용할 것을 권장한다. 또 건축 구조 부재인 노출 철골, 난간, 곤도라 레일 등은 뇌보호용 도체로 동등 이상의 효과가 기대되므로 적극적으로 대용한다. 신 JIS규격에는 표 4의 치수 규정으로 하고 있지만 건축 구조부 재료를 대용하기에는 현재 철, 동재료로는 1.0㎜이상, 알루미늄, 스텐레스로는 2.0㎜이상의 두께를 가진 것이 타당하다고 생각된다.

표 3  신 JIS규격에 의한 구성부 재료

보호레벨	재 료	수뢰부 (㎟)	인하도선 (㎟)	접지극 (㎟)
Ⅰ∼Ⅳ	동 알루미늄 철	35 70 50	16 25 50	50 - 50

보호레벨	재 료	깊이t (㎜)	깊이t' (㎜)
Ⅰ∼Ⅳ	철 동 알루미늄	4 5 7	0.5 0.5 1

표 4  신 JIS규격에 의한 구성금속재 대용

* 깊이t  : 뇌격에 의해 구멍이 생기면 지장이 있는 구조부 재료

깊이t' : 뇌격에 의해 구멍이 생기면 지장이 없는 구조부 재료

4.  내부 뇌보호 시스템

4.1  등전위 본딩

건물내부의 기기, 특히 전자제품을 사용한 전기기기는 뇌에 의해 피해를 받기 쉽다. 내부 뇌보호 대책의 기본은 등전위 본딩이다.

신 JIS규격에는 ⌜피보호물 내에 있는 화재 및 폭발위험과 함께 인명위험의 우려를 감소시키기 위해 등전위화는 상당히 중요한 방법이다. 뇌보호 시스템, 금속 구조체, 금속제 공작물, 계통외 도전성 부분과 나란히 피보호물 내의 전력 및 통신용 설비를 본딩용 도체 또는 서지보호 장치(SPD)로 접속함에 따라 등전위화를 한다.⌟로 하고 있다.

구체적으로는 건물내부의 금속체(전력, 통신선도 포함)를 접속해 0 전위(등전위)로 하는 것으로 뇌서지 유도를 억제하는 방법이다.

등전위 본딩은 직접 본딩과 간접 본딩의 2종류로 나뉜다. 직접 본딩은 건축구조체, 외부 뇌보호 시스템, 구조체 내부의 금속제 부재료, 전기⋅통신용 배관, 랙 등 직접 접지극과 등위가 생기지 않는 금속 본딩이고, 간접 본딩은 전기⋅통신 케이블 등 직접 본딩을 하면 지장이 있는 경우, SPD(Surge Protective Device), 피뢰기를 끼워 본딩을 하는 방법이다. 쌍방의 본딩은 모두 뇌서지가 인가된 경우 건물 전체가 등전위로 전위 상승하여 접지체에서 뇌서지를 방출하는 것이 목적이다(그림 8 참조).

이 등전위 본딩 시스템을 기본적으로 정리하면 다음과 같이 된다.

(1) 건물 내의 금속체, 전기기기의 메탈 케이스 및 SPD용 접지측은 본딩 도체를 사용하여      본딩 바에 접속한다.

(2) 본딩 바와 대지와의 접속은 하나의 접지체로 한다.

(3) 대규모의 건물에서 어쩔 수 없이 본딩을 분리할 경우 본딩 도체에 의해 연접한다.

(4) 외부에서 유입된 배관, 메탈 케이블은 인입구에서 해야 한다.

이 등전위 본딩이 완전하면 내부 뇌보호적으로 뇌보호가 향상되지만, 현재 건물 내에 설치된 전기기기, 통신기기 및 IT기기에서 접지 접속이 요구되고 있음에도 불구하고 사용상의 문제부터 접지로의 접속이 되지 않아 비접지 상태로 놓여 있는 것이 실상이다. 이러한 상황 하에서는 등전위 본딩 시스템을 유효하게 활용할 수 없다. 따라서 전기설비상의 문제로 사용 유무에 관계없이 접지 단자 부착 콘덴서(3P) 설치가 요망된다.

4.2  뇌보호 영역(LPZ)의 확인

건물에 뇌보호 시스템을 실시한 경우 뇌보호 영역을 구분할 수 있다.

뇌보호 영역은 그림 9에 나타낸 LPZOA∼LPZ2로 구분된다.

외부, 내부 뇌보호 시스템을 실시한 건물에는 LPZ1의 영역이 확보되어 있다고 판단된다. 이 영역의 구분은 건물의 보호효율 구분의 판단기준이라고 할 수 있고 예를 들면 옥내의 기기에 서지의 영향을 가능한 한 받고 싶지 않은 중요기기(데이터 기기 등)가 있는 경우 옥내에 LPZ2의 환경을 만들어 낼 필요성이 있다.

LPZ2의 환경이란 옥내에 중요기기의 설치 장소를 한정하고 뇌에 의한 전자적 영향을 억제하는 실드룸(LPZ1의 환경 내부에 또 하나의 LPZ1를 구성한다.)을 확립하는 것 외에 LPZ2의 인입구에 본딩용 바를 설치, 영역 내의 본딩을 1점으로 하고 인입전력⋅통신 및 LAN 케이블에는 SPD 대책을 실시하는 것으로 내부 뇌보호에 대해서 양호한 환경을 얻을 수 있다.

그림 8  등전위 본딩의 개요

LPZ0A	직격뢰에 노출된 공간에서 전부 뇌전류가 흐르고, 뇌에 의한 전자계는 감쇄하지 않는 영역
LPZOB	직격뢰에 노출되지 않지만, 뇌에 의한 전자계는 감쇄하지 않는 영역
LPZ1	직격뢰에 노출되지 않고 영역 내에 흘러 든 뇌전류는 LPZOB 안보다 감쇄하고 있다.
LPZ2	전류 및 전자계를 더욱 감소시킬 필요가 있는 장소 LPZ2 를 설정

뇌보호 영역(LPZ)의 정의

그림 9 건축물을 몇 개의 LPZ로 분할하여 적절히 본딩을 실시한 예

요  약

본 논문에서는 구 JIS규격(1992)과 신 JIS규격(2003)의 포인트를 열거하여 기록했지만, 본래의 뇌보호는 보호대상을 명확히 하여 최적한 보호방법을 선택하는 것이다.

양 규격을 대비하면 구 JIS규격은 치수, 시공을 규정하고 있는 것에 대해, 신 JIS규격은 성능규정을 기본으로 하고 있다. 이 양쪽 규정이 병립하는 상태에서는 좋은 것만 취할 수 있으나 뇌보호 대책으로는 모순이 되는 부분이다. 현재 뇌보호 시스템의 선택에서는 외부 뇌보호 시스템에 있어서는 수뢰부에 회전구체법에 의한 뇌격 포인트에 최적한 수뢰부 도체를 배치하고 인하도선은 분류의 효율을 높이는 방식을 확인하여 접지극은 형상, 저저항치인 양호한 접지체를 채용할 것을 권장한다.

내부 뇌보호 시스템은, 등전위 본딩 시스템은 근래에 채용하는 사례가 증가 추세이지만 시스템 구축에 있어 철골, 철근의 본딩 도체의 대용이나 접지극의 구조체 접지극 대용을 채용하는 데는 안이하게 생략할 것이 아니라 접지상태의 확인, 부지토양의 비저항율 파악, 보수 관리법 등을 설계 단계에 면밀한 계획을 세우는 것이 필요하다.

또 외부 뇌보호의 도체 설치 치수는 기재를 생략하였지만, 종래의 규정에 기준한 강도계산 등을 적용하면 문제는 없고 내부 뇌보호에 채용하는 SPD는 별도 JIS C 0367-1 ⌜뇌에 의한 전자 임펄스에 대한 보호-제 1부 : 기본적 원칙⌟을 참고하길 권한다.

참고문헌

1) 일본공업규격 JIS A 4201-1992[건축물 등의 피뢰설비(피뢰침)], 일본규격협회

2) 일본공업규격 JIS A 4201-2003(건축물 등의 뇌보호), 일본규격협회

3) 일본공업규격 JIS C 0367-1(뇌로 인한 전자 임펄스에 대한 보호), 일본규격협회

4) 건축물 등의 피뢰설비 가이드북, (주)전기설비학회