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about surge

서지(surge)란 무엇인가?

일반적으로 임펄스, 스파이크, 노이즈 등으로 불리는 서지는
매우 짧은 시간(수 ns~μs) 동안 나타났다가 사라지는,
고전압 대전류의 전기적인 동요현상을 말한다.

서지의 종류

서지는 발생 원인에 따라 아래와 같이 2종으로 구분할 수 있다.
뇌서지 낙뢰로 인해 발생한 서지로 직격뢰와 유도뢰로 구분할 수 있다.
ㆍ직격뢰 - 건축물에 낙뢰가 인가되거나, 건축물에 인입되는 선로에 낙뢰가 인가되었을 때
ㆍ유도뢰 - 건축물 인근에 낙뢰가 인가되거나, 건축물에 인입되는 선로 인근에 낙뢰가 인가되었을 때
개폐서지 건축물 내부에서 발생하는 서지로 주로 커패시터 뱅크의 투입/차단, 대형 모터의 ON/OFF, 엘리베이터 구동, 사무기기 ON/OFF, 아크용접, 단락 등에
의해서 발생한다.

뇌서지의 결합방식

낙뢰에서 유도되는 서지는 크게 3가지로 구분되는데, 각각 저항결합, 유도결합, 정전결합에 의해서 발생된다.
저항
결합
낙뢰가 대지에 떨어지면 순간적으로 대지 전위가 상승합니다. 뇌격지점에 인근한 건축물(A)와 또 다른 건축물(B)는 전원, 신호용 케이블 등이 서로 연결되어 있으며, 뇌격지점과의 거리차이로 인해 (A)와 (B)에 접속한 접지 사이에는 대지전위의 차이가 발생합니다. 이로 인해 (A)에서 (B)로 연결된 전원 또는 신호 케이블을 통해서 서지가 발생합니다.
정전
결합
인접한 두 도체(서지가 흐르는 도체(A)와 인접한 도체(B)) 사이에는 정전용량이 있으며, 도체 (A)에 높은 전압상승률(dv/dt)을 가진 서지 전압이 흐르면 두 도체 사이에 서지가 전도되어 발생합니다.
유도
결합
낙뢰가 피뢰침에 떨어지면 낙뢰전류(IL)가 인하도체를 통해 지면으로 방류됩니다. 이때 건축물 내부의 전원, 신호용 케이블 등의 도체에 서지전류로 인한 유도 기전력(서지)가 발생하여 발생합니다.
다음 그림은 각각의 서지유도 방식(method)을 나타낸 것이다.
  • 저항결합

  • 정전결합

  • 유도결합

서지는 발생한 원인과 크기에 따라, 디지털 시스템설비에 치명적인 손상을 입히거나, 누적된 서지의 영향으로 시스템이나 구성 부품에 전기적인 절연열화를 가져온다.

서지(surge)의 피해와 위험성

오늘날의 건축물은 필연적으로, 전기나 통신을 위해, 여러 가지 케이블로 상호연결 될 수밖에 없다.
건축물에는 수많은 신호용 케이블이 있는데, 이 신호용 케이블에는 전화기와 FAX가 연결된 전화선, LAN 케이블, 안테나, CCTV 카메라 회로 등이 포함된다.

건축물에 낙뢰가 쳤을 경우, 피뢰침을 타고 내려온 낙뢰전류의 50% 정도는 접지를 통해 대지로 빠져 나가고 나머지 50%는 가스관 및 수도관, 통신선로, 전원선로 등을 통해 건축물 내부로 유입된다. (통합접지 시, 공통접지 시)
건축물에 낙뢰가 쳤을 경우, 전원 계통를 통해 직접적으로 전도되는 서지로 인해 설비 및 시스템이 파손 및 고장등의 피해가 발생한다.

전원 계통에 직접 전도되는 서지로부터 보호하더라도, 인하도체에 흐른 낙뢰전류로 인해 건축물의 내부 케이블에 유도전압이 발생하여, 케이블에 연결된 설비 및 시스템에 피해를 끼친다.

또한 낙뢰가 건축물에 떨어지지 않더라도, 뇌격지점 부근에 두개의 건축물이 있다면, 건축물 접지 간에 거리에 따른 대지전위의 차이가 발생한다.
전기 시스템이 각각의 건축물 내부에 수용되어 있고, 건축물 사이에 연결된 시스템이 없다면, 이 전위차가 아무런 문제도 야기하지 않는다.
그러나 LAN 케이블로 두 건축물이 연결되어 있다면 한 건축물에 있는 장비는 다른 건축물에 있는 장비에 비해 상대적으로 높은 대지전위를 갖게 되며, 이 전위차로 인해 LAN 장비의 절연이 파괴되어 피해가 발생한다.
※ 건물의 종류에 따라 예상되는 뇌피해와 위험성
건물의 분류 종류 예상되는 뇌피해와 위험성
일반건축물 주택(공동,단독) 뇌서지, Iimp (뇌전자 임펄스),직격뢰 등에 의한 전기설비 파손,소손
극장,학교,백화점 상기 피해와 위험성, 조명 등 파손에 의한 패닉 발생, 화재경보기 고장
은행,보험회사 상기 피해와 위험성, 컴퓨터 파손, 데이터, 통신불능에 의한 패닉 발생
병원,실버홈 상기 피해와 위험성, 중환자실의 환자 위험 및 구급활동 곤란
공장 상기 피해와 위험성, 설비파손 및 생산물의 정지
미술관 문화적 유산의 손실
특수건축물 전화국,이동통신사업장,발전소 공공서비스의 상실, 화재 등에 의해 주변에 2차 피해의 위험성
화약,군수품공장,석유정유소 화재, 폭발에 의한 플랜트 및 주변에 중대한 영향
화학공장, 원자력플랜트, 생화학연구소 화재, 동작 불능에 의한 지역 및 지구환경에 유해한 영향

서지보호기의 필요성

아날로그시대에는 고압계통의 피뢰기(LA, SA)만 설치해도 큰 문제가 없었다. 그러나, 디지털시대로 진입하면서 많은 부분들이 반도체로 대체되어 낙뢰, 번개, 전력계통사고 또는 전기기기의 스위치 작동, 인접 부하의 변동에 의해 발생하는 '서지'에 극히 민감한 영향을 받아서 기기의 오동작이나 파손의 위험에 항상 노출되어 있다.
고압용 피뢰기로 디지털기기를 더 이상 보호할 수가 없다. 디지털시대, 저압서지보호기(SPD)는 선택이 아닌 필수적으로 설치되어야 하는 장치이다.

기존의 피뢰설비만으로 서지 피해를 방지할 수 없다. 피뢰침, 인하도선, 저항이 낮은 접지시스템만으로는 디지털기기를 보호할 수 없다. 접지를 통한 유도뢰의 피해, 인하도선으로 낙뢰전류가 통과할 때 전류·유도(EMI)에 의한 서지는 디지털기기 및 프로그램에 직접적인 피해를 가져온다. ON/OFF 스위치 작동시 발생하는 서지, 전력망의 사고 등에 의한 서지는 자동제어시스템에 장애 및 파손을 유발 한다.

서지에 관한 통계자료

  • 전기품질이상 IBM이 1974년에 조사하고 National Power Lab이 1994년에 확인한 바에
    따르면 전압품질 이상의 약 90%가 서지에 의한 것이다.
    서지는 낙뢰로 발생(뇌서지)할 수 있지만 대부분 시설 내부에서 장비의 전원을
    켜거나 끌 때(개폐서지) 발생한다. 이러한 서지로 장비나 시스템의 구성 부품이
    손상되면 수리 또는 교체비용이 발생할 뿐만 아니라 예상하지 못한 가동시간
    중지로 전기품질이상이 발생하여 시스템이 손상되거나 신뢰도를 떨어뜨리는
    상황이 발생할 수 있다.
  • 사업장에서 서지가 발생하는 곳 Florida Power가 1993년에 산업현장에서 나타나는 전력품질 문제를 조사한 것이다.
    여기서 주목할 것은 60%의 서지가 바로 사무실 안에 있는 사무용 기기에서 발생하며,
    20%는 같은 전원을 사용하는 옆 사무실에서 발생한다는 것이다. 즉80%이상의 서지가
    내부전원에서 발생한다는 것이다.
  • 전기기기의 피해원인 분석 대한전기학회가 발행하는 [전기의 세계]에 소개된 내용으로 독일의 모 보험회사가
    보고한 것이다. 그 내용에 따르면, 서지에 의한 전자장비의 피해가 전체 고장의
    30%를 웃돌며, 피해보상비율도 최근 10년 동안에 4배 정도 증가하였다.