하쿠이 市의 정전기 방전 분산형 시스템 설치 전후의 뇌 서지전류 발생빈도 관측결과

토미나가 테쓰야       쿠와바라 노부오         쿠라모토 쇼이치

개요

동절기의 통신센터 건물에 발생하는 뇌 서지 전류를, 정전기 방전 분산형 시스템(DAS: Dissipation Array System)을 설치하고 그 전후를 비교 관측하였다. 관측은 소형 뇌 서지 메모리와, 광섬유로 격리된 다채널 디지털 메모리를 이용하였다. 1991년부터 1997년 사이에, 안테나 탑각에서 관측된 뇌 서지전류 최고치의 발생빈도에서 본 낙뢰 발생 확률은, 설치 전후가 거의 동일한 빈도였고, 건물 기둥에서는 뇌 서지 전류 발생빈도가 감소하는 것이 확인되었다. 그리고, 1998년에는 직격뢰를 증명하는 사진이 뇌 관측 카메라에 잡혔다.

키워드 :뇌 방뢰 대책, 뇌 관측, 접지, 통신장비, 직격뢰, 건물

1. 서론

최근, 반도체 기술이 발달함에 따라, 통신장비는 소형화, 저 전압화. 반도체화로 진전되고 있으나, 뇌 서지에 대한 장비의 내력은 뒤떨어지는 경향이 있다. 그 때문에, 대책기술의 진보에도 불구하고 통신 센터 건물에의 직격뢰는 때때로 중대한 고장을 발생하기도 한다. 그러므로, 통신장치 자체의 대책은 물론, 통신장치에 가해지는 뇌 서지를 줄이기 위하여 건물 전체적인 뇌 보호 시스템을 강화할 필요가 있다.

IEC(International Electro technical Commission)나 ITUT(Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union)에서는 건물 내 장치의 보호법에 대해 간행물을 발행하고 있다[1],[2]. 이러한 영향으로, 일본에서도 통신센터 건물의 접지 시스템이 이미 개발되고 있다[3].

건물 내에 나타나는 뇌 서지 레벨을 예측하는 것은, 각각의 통신시스템에 대한 최적의 대책을 결정하는데 중요한 일이다. 그래서 최근, 철근 구조의 건물모델을 이용한 계산[4]과 유사 뇌 서지를 이용한 통신 센터 건물에서의 실험[5] 등이 이루어지고 있고, 직격뢰 현상의 모델화가 어려움으로 인해, 건물 내에 침입하는 뇌 서지 관측이 행해지고 있다[6].

한편, 장비에의 뇌 서지 경감과 접지선 루트의 최적화를 위하여 접지탐사법도 검토되고 있다[7].

건물 내부의 접지 시스템의 효과를 위해서는 건물 안을 등 전위화하여 장비에 뇌 서지 침입을 줄일 수는 있으나, 건물주변의 전위상승을 막을 수는 없다. 이것은 통신선이 멀리까지 연결되어 있고, 양단이 장비에 연결되어 있어서 고장의 원인이 되는데, 이상적인 방법으로는 직격뢰 자체를 막는 것이 가장 바람직하다[8]. 정전기 방전 분산형 시스템(DAS : dissipation array system)[9]은 건물에의 직격확률을 경감하기 위하여 개발된 시스템이지만 아직 그 효과는 확인되지 않았다.

본 보고에서는 정전기 방전 분산형 시스템 설치 전후의 뇌 관측 결과 중에서 동계 뇌에의 정전기 방전 분산형 시스템 효과의 평가 결과에 대해 기술한다. 우선, 동계 뇌의 특징, 정전기 방전 분산형 시스템의 구성, 뇌 관측 시스템의 구성에 대해 설명하고, 다음으로, 정전기 방전 분산형 시스템 설치 전후의 안테나 철탑 탑각과 건물 내의 기둥에 흐르는, 뇌 서지 전류 최고치 발생빈도의 관측결과와 사진촬영 결과에 의해 본 시스템의 효과를 평가하였다.

2. 동계 뇌의 특징

뇌는 공중에 전하가 모여, 그 전계가 공기 중의 절연파괴 전압을 초과함으로써 생긴다. 그 발생 확률은 지리적 조건에 의해 변화한다. 일본에서의 뇌우일수의 분포는 그림1과 같다. 또, 그림1에는 1989년부터 1994년의 뇌에 의한 통신설비의 고장 발생장소를 점으로 표시하였다. 그림에서와 같이 고장은 주로 다뢰지역에서 발생하는 것을 알 수 있다.

뇌는 일반적으로 여름에 많이 발생하지만, 일본해 측을 중심으로 동계 뇌라 불리는 뇌가 많이 관측된다. 일본해 측의 와지마시의 뇌우일수를 그림2에 나타내었다. 그림에서와 같이 약 50%의 뇌가 11월~2월의 동계에 관측되고 있어, 이 지역에서는 동계의 뇌가 큰 비중을 차지하고 있음을 알 수 있다.

그림3은 여름과 겨울의 뇌운의 다른 점을 나타낸다. 여름의 뇌운은 수직방향으로 발달하지만 겨울의 뇌운은 일본해에서 불어오는 강한 계절풍의 영향으로 수평으로 발달한다. 이것은 동계 뇌는 강한 계절풍이 부는 지리적 조건에 강한 영향을 받는 것을 나타내고, 하계 뇌에 많은 음극성만이 아니고, 양극성도 있음을 나타낸다. 이와 같이 동계 뇌는 지리적 조건에 강한 영향을 받기 때문에, 낙뢰는 통신철탑과 건물 등의 높은 물체에 집중되어 생긴다. 그러한 지리적 조건에 합치된 통신센터 건물에서는 1년에 수회의 비율로 직격뢰가 발생하기도 하여, 통신 센터 건물 철탑의 직격뢰에 대한 대책이 중대한 과제가 되고 있다.

이번 보고하는 정전기 방전 분산형 시스템은, 이러한 동계에 직격을 잘 받는 건물의 하나에 설치하였다.

3. 정전기방전 분산형 시스템(DAS)의 구성

정전기 방전 분산형 시스템은 하쿠이시에 있는 통신센타 국사에 설치하였다. 그림4에서와 같이, 하쿠이시는 와지마시에서 가까운 일본해 쪽에 위치하고 있다. 연간 평균 뇌우일수는 35일 이상으로 일본 내에서도 뇌가 꽤 많이 발생하는 지역이다. 직격뢰로 인해 여러 차례 통신장비에 고장이 발생하였었다.

정전기 방전 분산형 시스템을 그림5에, 방뢰시스템의 구조를 그림6에 나타내었다. 정전기 방전 분산형 시스템은 2종류의 이오나이저를 건물의 2개의 철탑에 설치하였다. 단, 피뢰침이 정전기 방전 분산형 시스템보다 45cm 높고, 1995년 7월부터 건물에 제조회사가 권장하는 방법대로  설치하지 않았다가, 1998년 12월에 새로 설치하였다.

4. 뇌 관측 시스템의 구성

정전기 방전 분산형 시스템의 효과를 확인하기 위한 관측 시스템의 개요를 그림6에 나타내었다. 2개의 통신철탑 피뢰침, 탑각 및 건물 내부의 기둥을, 소형 뇌 서지 메모리와 다채널 디지털 메모리를 이용하여 뇌 서지 전류파형을 관측하였다. 피뢰침 및 탑각의 관측에 사용한 소형 뇌 서지 메모리의 구성을 그림7에 나타냈다. 본 서지 메모리는 검출에 로고스키 코일을 사용하여, 옥외에서의 사용을 위해 전지로 구동하였다. 샘플링 주기는 4MB/sec로 1파형에 데이터길이는 12kB이다. 관측된 파형은 관측시각과 함께 256kB의 SRAM IC card에 기록된다.

다채널 디지털 메모리의 구성은 그림8에, 그 외관은 그림9에 나타내었다. 최대 채널수는 16으로, 최대 샘플링 주기는 100MB/sec, 데이터 길이는 1파형 당 32kB로, 관측된 뇌 서지 파형은 관측시각과 함께 제어용 컴퓨터의 하드디스크에 보존된다. 이 제어용 컴퓨터는 연구소에서 전화회선을 이용하여 원격제어로 데이터 회수, 관측기기 설정 등을 할 수 있다. 또, 디지털 메모리와 Probe 사이는 절연을 위해 광전기 변환기를 이용하여 광섬유로 연결되었고, 교류전원과 디지털 메모리의 사이에는 절연 트랜스가 삽입되어있다.

각 관측점에 생기는 뇌 서지의 관계를 알기 위해서는 같은 뇌격에 의한 뇌 서지를 특정할 필요가 있다. 가장 좋은 방법으로는, 각각의 장치 사이에 트리거를 전하기 위한 케이블을 포설하는 것이지만, 소형 뇌 서지 메모리에 외부 트리거 입출력이 없기 때문에, 관측된 시간과 뇌 서지 파형에 의해 동일 뇌격인지 아닌지를 특정하였다.

또, 1997년 11월부터 뇌광으로 셔터가 조작되는 뇌 관측용 카메라를 설치하였다.

5. 관측 결과

뇌 관측은 1991년 겨울부터 시작하여, 현재까지 계속되고 있고, 방뢰시스템은 1994년 여름에 설치되었다. 관측은 동계에만 실시하고 하계에는 실시하지 않았다.

정전기 방전 분산형 시스템 설치 전, 1991년에서 1994년에 26개의 뇌 서지가 관측되어, 그 중 8개가 양극성, 18개가 음극성이었다. 또, 1995년에서 1996년에는 16개의 뇌 서지가 관측되어, 8개가 양극성, 8개가 음극성의 것이었다. 관측파의 일례를 그림10에 나타내었다. 그림에서와 같이 탑각(그림10-A)과 건물기둥(그림10-B), 피뢰침(그림10-C)과 탑각(그림10-d)에서 거의 비슷한 파형이 얻어졌고, 파형으로 동일 뇌격에 의해 발생한 뇌 서지인가의 여부를 특정할 수 있었다.

5-1 철탑 탑각의 뇌 서지 전류발생 빈도

정전기 방전 분산형 시스템의 효과를 평가하기 위해, 철탑 탑각에 발생하는 뇌 서지 전류 최고치의 발생빈도는 관측한 뇌 서지 파형을 이용하여 구했다. 구한 결과를 그림1.1에 나타냈다. 수평축은 뇌 서지 전류 최고치를, 수직축은 이 지역에서의 월별 뇌우일수로 정규화된 발생빈도를 나타낸다. 철탑B에서는 1991년부터 1994년까지 44개의 뇌 서지 전류가 관측되었고, 1995년에서 1996년에는 3개의 뇌 서지 전류가 관측되었다. 이 관측 데이터로부터 정전기 방전 분산형 시스템 설치 전후의 발생확률에 차이가 없음을 알 수 있다.

5-2 건물 기둥의 뇌 서지전류 발생빈도

같은 모양으로 건물 안 기둥에 발생하는 뇌 서지전류의 발생빈도를 그림12에 나타내었다. 1991년부터 1994년에는 13개의 뇌 서지전류가 관측되었고, 1995년에서 1996년에는 9개의 뇌 서지전류가 관측되었다. 관측 데이터를 보면, 정전기 방전 분산형 시스템 설치 후에 발생빈도가 약간 감소된 것을 알 수 있다. 이것은 정전기 방전 분산형 시스템용의 접지선이 다수 도입되고, 더욱이 그 정전기 방전 분산형 시스템 전용접지의 접지저항이 1Ω이하임으로, 건물 내부에 침입하는 뇌 서지 전류가 분류되었기 때문이라고 생각된다.

5-3 카메라에 의한 관측결과

직격뢰가 5회 철탑A에, 1997년 12월 15일, 1998년 1월 5일, 6일에 관측되었다. 이것은 정전기 방전 분산형 시스템을 설치하여도 직격뢰가 발생하고 있음을 말해준다. 관측례를 그림13에 나타내었다.

6. 맺음.

정전기 방전 분산형 시스템이 설치된 통신센터 건물에 생기는 뇌 서지 관측을 시스템의 설치 전후에 실시하였다. 관측에는 전지구동의 디지털 메모리, 리모트 컨트롤이 가능한 디지털 메모리, 뇌광에 동작하는 카메라를 사용하였다.

1991년부터 현재까지의 관측결과, 설치에 있어서 제조회사의 권장사항을 지키지 않은 것이 이유의 하나로 들 수 있지만, (1) 개수 후의 1997년 12월에서 1998년 1월에 걸쳐 5회의 직격뢰가 카메라에 관측되어, 정전기 방전 분산형 시스템은 직격뢰를 막는 효과는 없다. (2) 철탑 탑각에 생기는 뇌 서지전류 최고치의 발생빈도는 설치 전후에 변화가 없고, 정전기 방전 분산형 시스템은 뇌격전류를 줄이는 효과도 뇌격의 발생빈도를 줄이는 효과도 없다는 것을 알았다. 또, 정전기 방전 분산형 시스템 설치를 위해 취한 저 저항 접지에 의한 것으로 생각되어지는 건물 내 기둥의 뇌 서지전류 최고치 발생빈도의 감소가 보여, 저 저항의 접지는 다소이긴 하지만, 건물 내에 유입되는 뇌 서지전류를 감소하는 효과가 있음을 알았다.

금후, 시뮬레이션 등으로 건물 내의 뇌 서지전류를 감소하기 위하여 필요한 접지구조의 검토가 필요하다고 생각되어진다.

그리고, 관측에 사용된 통신 센터 건물에서는 통신설비용 접지계의 개선, 장치의 내량강화, 방뢰시스템의 설치 등의 대책에 의한 1994년 이후에 직격뢰에 의한 통신장치의 고장은 발생하지 않았다.

참고 문헌

[1] IEC,"Protection against lightning electro-magnetic impulse", IEC 1312-1, May 1995.

[2] ITU-T,"Bonding configurations and earthing inside a telecommunication building", Recommen-dation K.27, Geneva 1991.

[3] Numata, M. Zaima, and H. Kijima, "Development of a new grounding system for telecommunications building", NTT Review, Vol. 9, No.6, pp.36-38. Nov. 1997.

[4] A Geri and G. M. Veca, "A complete lightning protection system simulation in the EMI analysis", IEEE International Symp. on EMC, pp. 90-95, Cherry Hill, 1991.

[5] S. Kuramoto, M. Sato, and M. Ohta, "Surge current and voltage distribution in a reinforced concrete building cased by direct lightning stroke", IEEE International Symp. on EMC, pp. 84-89, Cherry Hill, 1991.

[6] M. Sato and S. Kuramoto, "Observed direct lightning current distribution at a mountain-top radio relay station", IEICE Trans. Commun., Vol. E79-B, No.4, pp.522-527, April 1996.

[7] S. Kuramoto, M. Hattori, and T. Ideguchi, "Searching method of grounding route in buildings using amplitude and phase", IEEE International Symp. on EMC, pp. 149-153, Austin, 1997.

[8] R. B. Carpenter Jr. and M. Drabkin, "Improvement of lightning protection against direct strokes", IEEE International Symp. on EMC, pp. 403-405, Austin, 1997.

[9] R. B. Carpenter Jr. and M. M. Drabkin, "Lightning strike protection",http//www.lightningeliminatores.com/Library/strikepro.html