1. 머리말

낙뢰(Lightning Strike, 落雷)는 뇌방전의 일종으로 뇌운 내 전하가 지면으로 방전하는 현상을 말하며, 기상청 통계에 따르면 최근 10년간 우리나라에는 약 12만 건의 낙뢰가 발생하였다. 낙뢰의 58%는 사방이 개방된 산지에서 발생하였으며, 56%는 여름철(6월~8월)에 발생하였다.

낙뢰는 인명뿐만 아니라 건축물 및 시설물 등에 다양한 피해를 끼치는데 우리나라의 5년(2011년~2015년)간 낙뢰에 의한 피해는 총 354건으로 그 피해 유형은 전자장비 고장, 화재, 정전, 직접파괴 순으로 나타나고 있다.

이와 같은 낙뢰의 영향으로부터 특정 공간을 보호하기 위한 것이 피뢰설비(Lightning Protection System)로서 피뢰설비는 피뢰침, 도체, 접지 단자, 상호 접속 도체, 서지억제장치 및 설비에 필요한 접속기나 피팅으로 구성된 전체 설비를 말하며, 외부 피뢰설비와 내부 피뢰설비로 구분된다.

이러한 피뢰설비의 설치기준을 마련하기 위해 미국의 NFPA Code를 중심으로 KFS-421이 1998년 최초 제정되었다. 이후 최근 신재생에너지로 주목받고 있는 태양광 발전설비와 풍력 발전설비에 적용할 수 있는 낙뢰보호 기준을 추가로 반영하여 2021년 12월 개정하였으며, 개정된 KFS-421의 주요 내용을 소개하고자 한다.

2. 신재생에너지

신재생에너지는 신에너지와 재생에너지를 합쳐 부르는 말이다. 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 강수, 생물유기체 등을 포함하여 재생이 가능한 에너지로 변환시켜 이용하는 에너지를 말한다. 재생에너지에는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력 등이 있고 신에너지에는 연료전지, 수소에너지 등이 있다. 초기투자 비용이 많이 든다는 단점이 있지만 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 중요성이 언급되면서 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

이 중 태양광 발전설비와 풍력 발전설비는 주로 사방이 개방된 산지 등에 설치된다는 점에서 낙뢰에 의한 피해발생 확률이 무엇보다 크다고 할 수 있다.

태양광 발전은 태양으로부터 오는 빛에너지를 이용해서 전기를 생산하는 발전방법으로 태양전지 셀로 이루어진 모듈을 여러 개 연결한 태양광 어레이(Solar Array)가 사용되며, 태양광 어레이는 낙뢰의 영향에 직접적으로 노출되어 있다고 할 수 있다.

풍력 발전은 바람의 힘을 이용해서 전기를 생산하는 발전방법으로 외부 회전 블레이드, 나셀(Nacelle) 및 지지타워로 구성된 풍력 발전용 터빈이 사용되며, 풍력 발전용 터빈 역시 낙뢰의 영향에 직접적으로 노출되어 있다고 할 수 있다.

3. 신재생에너지 발전설비 낙뢰보호

낙뢰의 영향에 직접적으로 노출되어 있는 태양광 발전설비의 태양광 어레이와 풍력 발전설비의 풍력 발전용 터빈에 대한 낙뢰보호 기준은 다음과 같다.

가. 태양광 어레이 보호

이 기준은 지붕 장착형 또는 지상 장착형 태양광 어레이 및 관련 전기 또는 기계 시스템에 대한 낙뢰보호에 관한 사항이다.

(1) 보호는 다음 방법 중 하나로 이루어져야 한다.

(가) [그림 5]와 같이 태양광 어레이 랙에 피뢰설비를 직접 장착

(나) [그림 6]에 표시된 보호범위에 태양광 어레이가 위치하는 방식으로 태양광 어레이 인접 장소에 피뢰설비(피뢰침, 마스트 및 가공 접지선 포함)를 배치

(2) 수평거리가 12m 이하이고 경사가 1/8 이상인 경사진 태양광 어레이 및 수평거리가 12m 이상이고 경사가 1/4 이상인 태양광 어레이는 다음과 같이 피뢰설비를 배치해야 한다(경사도 등을 달리하는 기타의 경우 본문 참조).

(가) 피뢰설비는 태양광 어레이의 최상단 가장자리 위로 수직으로 최소 250㎜까지 확장되도록 위치

(나) 피뢰설비는 태양광 어레이의 정점에서 600㎜ 이내에 위치

(다) 피뢰설비는 태양광 어레이의 정점을 따라 6m를 초과하지 않는 간격으로 배치

(라) 태양광 어레이의 정점 위로 600㎜ 이상 연장되는 피뢰설비는 태양광 어레이의 가장 위쪽 가장자리를 따라 7.6m를 초과하지 않는 간격으로 배치

나. 풍력 발전용 터빈 보호

이 기준은 외부 회전 블레이드, 나셀 및 지지타워로 구성된 풍력 발전용 터빈 구조에 대한 낙뢰보호에 관한 사항이다.

(1) 보호의 기본 원칙은 다음과 같다.

(가) 나셀에 대한 피뢰침의 배치는 블레이드가 구조에 가장 작은 보호범위를 제공하도록 설계되었다고 가정하고 결정

(나) 풍력 터빈의 나셀, 허브 및 기타 구성 요소는 가능한 경우 피뢰침 및 도체로 대체

(다) 나셀에 있는 기상계기 및 항공기 경고등의 보호를 위한 낙뢰보호 부품을 제공

(라) 블레이드-허브 전이 도체는 주 도체에 대해 2급 자재(높이 23m를 초과하는 구조물을 보호하기 위하여 필요한 자재) 기준에 따라 크기가 지정되어야 하며, 블레이드의 적절한 동작을 위해 필요한 최소 허용치 및 여유율 제공

(마) 스피너라고 하는 허브 커버는 피뢰설비로 보호

(바) 나셀에서 접지까지의 인하도선은 풍력 터빈의 타워에 대해 최소 2개의 인하도선을 제공하거나 관형 또는 구조용 금속 타워의 경우 해당 요구 사항을 충족

(사) 풍력 터빈 구조물 외부 또는 내부에 위치한 금속 본체는 전체 낙뢰보호 시스템에 접속

(2) 풍력 터빈의 나셀, 허브, 타워 및 기본 구조는 일반적으로 전기 및 기계 제어 시스템을 수용하기 때문에 다음에 따라 본딩, 차폐 및 서지보호를 통해 시스템을 보호해야 한다.

(가) 등전위 및 금속체의 본딩에 따른 이격 거리와 본딩

(나) 접지면 또는 그 근처에 위치한 피뢰도선과 전기 시스템 구성 요소 및 전기 시스템 케이블 사이의 최대 거리

(다) 편조선 피복 및 철망 스크린 또는 금속 도관, 케이블 트레이 또는 전선로의 본딩으로 자기 차폐된 전기 시스템 케이블 링

(라) 금속 인클로저 내에 있는 낙뢰 전자기 임펄스(LEMP)에 노출되는 전기 장비

(마) 보호할 장비에 가능한 한 가깝게 설치된 서지보호장치(SPD)

(3) 각 풍력 터빈 구조는 공통 접지 시스템을 갖추고 있어야 하며, 현장 접지 시스템(설치된 경우)과 상호 연결되어야 한다.

(가) 접지 시스템은 토양과 접촉하는 기초 외부의 접지 링 전극을 포함하고 목적에 따라 나열된 부속품을 사용하여 기초 철근에 접속

(나) 철근은 수직 및 수평 상호 연결에 의해 구조물 전체에 걸쳐 전기적으로 연속성 확보

(다) 철근콘크리트구조 위 또는 내부에 있는 피뢰도선은 철근의 상단과 하단에 연결

(라) 풍력 터빈의 바닥에 인접한 다른 접지 매체는 주 구조물의 접지 전극 시스템에 접속

4. 맺음말

앞서 언급한 바와 같이, 최근 신재생에너지로 주목받고 있는 태양광 발전설비와 풍력 발전설비는 주로 사방이 개방된 산지 등에 설치되기 때문에 낙뢰에 의한 피해가 다른 건축물 및 시설물 보다 자주 발생할 수 있으며, 이는 해당 건축물 및 시설물의 재산피해 뿐만 아니라 산지의 경우 대형 산불로도 피해가 확대될 수 있다.

건축물 등에 설치하는 피뢰설비에 대한 기준은 KS C IEC 62305(피뢰시스템)과 KS C IEC 62561(피뢰시스템 구성요소) 등에 필요한 최소한의 사항이 규정되어 있으며, 일반적으로 이 규격에 기초하여 설계․시공되고 있다. 그러나, 보호대상 지역의 낙뢰 강도나 성질, 건축물의 구조와 용도, 낙뢰로 인한 사고 등을 고려하여 건축물 자체의 피뢰 외에 건축물 내부의 전기회로 및 시설 보호를 위하여 피뢰설비에 대한 지속적인 검토가 필요하다.

참고문헌