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SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 연구개발과제의 개요 14

제2장 국내외 기술개발 현황 19

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 21

제1절 낙뢰 및 서지 발생현상 분석 21

1. 서지 발생현상 및 종류 21

2. 서지 발생현황 및 관련 시험 규격 39

제2절 기상관서 피뢰시스템 현장조사 48

1. 현장조사 개요 48

2. 기상관서별 피뢰대책 현황 조사분석 50

3. 낙뢰 및 서지 피해 실태 조사 174

제3절 서지보호기 특성분석 180

1. 보호소자 특성 분석 180

2. 서지보호기의 구성 195

3. 용어의 정의 및 관련규격 203

4. 일시과전압 영향 및 대책 206

5. 보호기의 성능평가 시험 208

제4절 서지 전파특성 해석 및 실증실험 224

1. 피뢰침에 뇌격시 접지방식에 따른 서지 전파 특성 224

제5절 기상관서 설비별 서지보호대책 242

1. 설비별 서지보호대책 242

2. 피뢰대책 개선방안 256

제6절 피뢰침 설비 분석 271

1. 보호 원리 및 설치 기준 271

2. ESE와 DAS 피뢰침 성능 비교 평가 277

3. 레이돔의 외부 피뢰설계 287

제7절 기상 관측장비 뇌서지 보호대책 302

1. 외부 피뢰시스템 설치기준 302

2. 신규장비의 서지내성 평가 지침 302

3. SPD 설치기준 305

4. 관측 장비에 대한 SPD 성능 기준 307

5. 서지보호를 위한 접지, 본딩 방안 309

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 311

제5장 연구개발 결과의 활용 계획 313

제6장 참고문헌 314

표 2-1. 기상관서별 주요 조사내용 49

표 3-1. Littel fuse사 TSS 사양표 182

표 3-3. 실내의 저압 교류회로에 발생가능한 서지와 기기보호를 위한 보호소자의 추정에너지 용량 192

표 3-4. 각종 보호소자의 특성 196

표 3-5. 보호기 성능시험 결과 214

표 5-1. 기상관서 대지저항률 269

표 6-1. 보호레벨에 따른 피뢰침의 위치 272

표 6-2. 피뢰침 설치규정 275

표 6-3. 피뢰설비 설치 필요 유무 판단 276

표 6-4. 뇌충격 임계섬락전압 280

표 6-5. 충격전압시험 284

표 6-6. 비교시험 결과 285

표 6-7/5.7. 피뢰설비등급에 상응하는 회전구체의 반경과 뇌격 파라미터의 최소값 289

그림 1. 뇌서지의 피해양상 15

그림 2. 수용가에 발생하는 서지측정 예 15

그림 1-1. 전형적인 뇌운의 모형 22

그림 1-2. 뇌격의 발생과 진전양상 [Uman] 23

그림 1-3. 상향스트리머의 발생과정 24

그림 1-4. 뇌방전 진전 메카니즘 24

그림 1-5. 뇌방전 발생 형태 25

그림 1-6. 유도뢰의 발생 및 전파 25

그림 1-7. 유도뢰 전압 양상 26

그림 1-8. 대지전위상승 27

그림 1-9. GPR 계산 예 27

그림 1-10. 과도 대지전위상승 28

그림 1-11. 뇌서지 침입·이행경로로 본 단자계 29

그림 1-12. 서지 발생원과 저압제어회로의 전파경로 예 29

그림 1-13. 통신설비의 뇌서지 침입경로 예 30

그림 1-14. 수변전소로 침입하는 뇌서지 31

그림 1-15. 피뢰침 낙뢰시 과도 대지 전위상승과 전자기 결합(EMI) 32

그림 1-16. R-L-C 회로의 Closing Transients 33

그림 1-17. 병렬회로의 Damping에 따른 인덕터 전류 IL(이미지참조) 양상 34

그림 1-18. R-L-C 회로의 Closing Transients 34

그림 1-19. 변압기 1차측의 스위칭 On에 기인한 과도전압 발생 35

그림 1-20. 변압기 1차측의 스위치 Off에 기인한 과도전압 발생 36

그림 1-21. 스위치의 간헐아크에 의한 과도전압 37

그림 1-22. 정상모드 노이즈의 공통모드 노이즈로 변환 38

그림 1-23. IKL MAP 40

그림 1-24. '94-96년도 국내의 대지 뇌방전 밀도 40

그림 1-25. 낙뢰 빈도 및 일수 분포(2001년, 기상청) 41

그림 1-26. 낙뢰 빈도 및 일수 분포(2006년, 기상청) 42

그림 1-27. 저압 교류 전원회로의 비 보호 지역 서지 발생율 43

그림 1-28. 뇌서지에 의한 피해 사례 44

그림 1-29. 저압 교류 전원회로에 연결된 기기의 각종 시험파형 45

그림 1-30. 저압 교류 전원회로의 서지 발생 위치 범주 47

그림 2-1. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(1) 57

그림 2-2. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(2) 58

그림 2-3. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(3) 59

그림 2-4. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(4) 60

그림 2-5. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(5) 61

그림 2-6. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(6) 62

그림 2-7. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(7) 63

그림 2-8. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(8) 64

그림 2-9. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(9) 65

그림 2-10. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(10) 66

그림 2-11. 기상관측 시설(제주) 현장 사진(11) 67

그림 2-12. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(1) 73

그림 2-13. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(2) 74

그림 2-14. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(3) 75

그림 2-15. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(4) 76

그림 2-16. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(5) 77

그림 2-17. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(6) 78

그림 2-18. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(7) 79

그림 2-19. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(8) 80

그림 2-20. 기상관측 시설(관악산) 현장 사진(9) 81

그림 2-21. 기상관측 시설(영월) 현장 사진(1) 87

그림 2-22. 기상관측 시설(영월) 현장 사진(2) 88

그림 2-23. 기상관측 시설(영월) 현장 사진(3) 89

그림 2-24. 기상관측 시설(영월) 현장 사진(4) 90

그림 2-25. 기상관측 시설(영월) 현장 사진(5) 91

그림 2-26. 기상관측 시설(북한산) 현장사진(1) 93

그림 2-27. 기상관측 시설(북한산) 현장사진(2) 94

그림 2-28. 기상관측 시설(문경) 현장사진(1) 97

그림 2-29. 기상관측 시설(문경) 현장사진(2) 98

그림 2-30. 기상관측 시설(문경) 현장사진(3) 99

그림 2-31. 기상관측 시설(문경) 현장사진(4) 100

그림 2-32. 기상관측 시설(문경) 현장사진(5) 101

그림 2-33. 기상관측 시설(전주) 현장사진(1) 107

그림 2-34. 기상관측 시설(전주) 현장사진(2) 108

그림 2-35. 기상관측 시설(전주) 현장사진(3) 109

그림 2-36. 기상관측 시설(전주) 현장사진(4) 110

그림 2-37. 기상관측 시설(백령도) 현장사진(1) 116

그림 2-38. 기상관측 시설(백령도) 현장사진(2) 117

그림 2-39. 기상관측 시설(백령도) 현장사진(3) 118

그림 2-40. 기상관측 시설(백령도) 현장사진(4) 119

그림 2-41. 기상관측 시설(백령도) 현장사진(5) 120

그림 2-42. 기상관측 시설(백령도) 현장사진(6) 121

그림 2-43. 기상관측 시설(백령도) 현장사진(7) 122

그림 2-44. 기상관측 시설(본청) 현장사진(1) 127

그림 2-45. 기상관측 시설(본청) 현장사진(2) 128

그림 2-46. 기상관측 시설(본청) 현장사진(3) 129

그림 2-47. 기상관측 시설(본청) 현장사진(4) 130

그림 2-48. 기상관측 시설(광주) 현장사진(1) 138

그림 2-49. 기상관측 시설(광주) 현장사진(2) 139

그림 2-50. 기상관측 시설(광주) 현장사진(3) 140

그림 2-51. 기상관측 시설(광주) 현장사진(4) 141

그림 2-52. 기상관측 시설(광주) 현장사진(5) 142

그림 2-53. 기상관측 시설(광주) 현장사진(6) 143

그림 2-54. 기상관측 시설(광주) 현장사진(7) 144

그림 2-55. 기상관측 시설(무등산) 현장사진 146

그림 2-56. 기상관측 시설(문산) 현장사진(1) 155

그림 2-57. 기상관측 시설(문산) 현장사진(2) 156

그림 2-58. 기상관측 시설(문산) 현장사진(3) 157

그림 2-59. 기상관측 시설(문산) 현장사진(4) 158

그림 2-60. 기상관측 시설(문산) 현장사진(5) 159

그림 2-61. 기상관측 시설(문산) 현장사진(6) 160

그림 2-62. 기상관측 시설(진주) 현장사진(1) 165

그림 2-63. 기상관측 시설(진주) 현장사진(2) 166

그림 2-64. 기상관측 시설(진주) 현장사진(3) 167

그림 2-65. 기상관측 시설(진주) 현장사진(4) 168

그림 2-66. 기상관측 시설(진주) 현장사진(5) 169

그림 2-67. 기상관측 시설(진주) 현장사진(6) 170

그림 2-68. 기상관측 시설(위성센터) 현장사진(1) 172

그림 2-69. 기상관측 시설(위성센터) 현장사진(2) 173

그림 2-70. 연도별 사고발생현황 174

그림 2-71. 낙뢰사고 유형 분석 175

그림 2-72. 주요 피해설비현황 176

그림 2-73. 사고시 서지보호대책 실시 현황 177

그림 2-74. 사고시 전원상태 177

그림 2-75. 사고후 대처사례 분석 178

그림 2-76. 탄소접지극 예 179

그림 2-77. DAS 피뢰침 예 179

그림 3-1. 대책 소자의 유형 181

그림 3-2. TSS 소자의 V-I 특성 및 외형 181

그림 3-3. TSS(P2703ACMCL)의 동작특성 182

그림 3-4. GDT의 V-I특성 184

그림 3-5. GDT의 임펄스 방전전압파형 185

그림 3-6. GDT의 전압상승률에 따른 V-t 특성 186

그림 3-7. GDT과 MOV의 직렬조합시의 방전특성 187

그림 3-8. MOV 부품의 과도전압 억제 원리 189

그림 3-9. 전형적인 MOV의 V-I 특성 189

그림 3-10. MOV 등가회로 190

그림 3-11. 각 전류영역에서의 MOV의 등가회로 190

그림 3-12. EPICOS사 LS40K460QP MOV의 V-I 특성 곡선 192

그림 3-13. Avalanche 다이오드의 V-I특성 194

그림 3-14. 각종 보호소자의 V-I특성곡선 195

그림 3-15. GDT과 MOV의 조합 197

그림 3-16. 신호선의 기본 보호회로 198

그림 3-17. 전원용 및 신호용 보호기의 회로 구성 202

그림 3-18. 조합파 출력파형 204

그림 3-19. 소손된 서지보호기 사진 207

그림 3-20. 시험 회로구성 209

그림 3-21. 복합파 뇌임펄스 파형 (20 kV/10 kA용 C3 Class) 209

그림 3-22. 서지 발생 장치(KeyTek Ecat 522, 20kV/10kA 복합파형) 209

그림 3-23. 제한전압 특성 시험 장면 210

그림 3-24. TOV Test (IEC 61643-1) 211

그림 3-25. 일시과전압 시험 시스템 212

그림 3-26. 일시과전압 시험 파형 예 212

그림 3-27. 주파수 특성분석 시스템 213

그림 4-1. 서지 발생기의 등가회로 224

그림 4-2. 변압기 등가회로의 합성 226

그림 4-3. VF를 이용한 변압기 주파수 특성 226

그림 4-4. MOV S20K460의 I-V 특성 228

그림 4-5. 측정장치의 구성 229

그림 4-6. 서지발생기 및 파형측정용 오실로스코프(TEK 5054, 500MHz) 230

그림 4-7. 사용된 Probe 230

그림 4-8(a) Case1 모의 등가회로 231

그림 4-8(b) Case 1의 전위분포 232

그림 4-9(a) Case2 모의 등가회로 233

그림 4-9(b) Case 2의 전위분포 233

그림 4-10(a) Case3 모의 등가회로 234

그림 4-10(b) Case 3/2의 전위분포 235

그림 4-10(c) 피뢰접지점(X)과 등전위 본딩점(EB)과의 전위차 : 4,062 V @ 8.5㎲ 235

그림 4-11(a) Case4 모의 등가회로 236

그림 4-11(b) Case 4의 전위분포 237

그림 4-12. 모의 및 시험회로 238

그림 4-13. 서지전파특성 해석 및 측정 239

그림 5-1. ASOS의 서지보호 대책 243

그림 5-2. ASOS에 적용된 서지보호기 예 244

그림 5-3. 신호용 보호기 구성 예 245

그림 5-4. 황사측정시스템의 보호대책 246

그림 5-5. 지진 측정시스템의 서지보호대책 246

그림 5-6. UPS의 소손사례 247

그림 5-7. UPS에 대한 서지 보호기의 설치 247

그림 5-8. UPS 보호대책 예 248

그림 5-9. 적설측정장치 서지보호 대책 249

그림 5-10. MODEM / DSU에 대한 서지 보호기의 설치 249

그림 5-11. LAU 후면 통신단자부 250

그림 5-12. 터미널 단자 보호 예 250

그림 5-13. CCTV 시스템에 대한 서지 보호기의 설치.... 251

그림 5-14. CCTV 시스템의 서지보호기 설치위치 251

그림 5-15. AWS 보호대책 실시사례 253

그림 5-16. AWS 타워 구조물 253

그림 5-17. 고층관측시스템의 구성 254

그림 5-18. 고주파 신호파형 예 254

그림 5-19. 무선통신시스템의 서지보호대책 255

그림 5-20. 수직측풍장비 보호대책 256

그림 5-21. 서지보호기의 제한전압 시험 257

그림 5-22. 보호기의 제한전압파형 예 258

그림 5-23. 서지보호기의 소손 예 259

그림 5-24. 신호용보호기 설치 예 260

그림 5-25. 일시과전압에 의해 소손된 전원용 서지보호기 261

그림 5-26. 일시과전압 시험장치 261

그림 5-27. 서지보호기의 열화진단 장면 262

그림 5-28. 일반적인 신호용 보호기의 구성 예 263

그림 5-29. 신호용보호기의 오결선 예 263

그림 5-30. 접지가 연결 안된 서지보호기 적용 사례 264

그림 5-31. 접지리드선의 길이가 긴 접속 예 264

그림 5-32. 발전기 사용시 유의사항 265

그림 5-33. 서지보호기 카운터 오작동 예 266

그림 5-34. 외부 피뢰시스템 설치 예 267

그림 5-35. 대지저항률 측정 장면 269

그림 5-36. 접지시스템 설치 예 270

그림 6-1. 보호각법과 회전구체법 272

그림 6-2. 회전 구체법에서의 보호영역 273

그림 6-3. ESE 피뢰침과 일반 피뢰침의 뇌격거리 277

그림 6-4. ESE 피뢰침의 트리거시간 이득의 설명도 278

그림 6-5. 시험에 사용된 피뢰침 280

그림 6-6. 부극성 개폐충격전압 파형 281

그림 6-7. 개폐충격전압에 대한 피뢰침의 방전파형 281

그림 6-8. 비교 시험을 위한 시료의 배치도 282

그림 6-9. 피뢰침의 비교 시험 283

그림 6-10. 일반 피뢰침과 DAS 피뢰침 284

그림 6-11. 낙뢰에 의한 레이돔의 소손사례 287

그림 6-12. 레이돔 및 피뢰침 설치현황(관악산) 288

그림 6-13. 레이돔의 특성치 적용 그림 289

그림 6-14. 오성산 레이돔 피뢰침 특성치 290

그림 6-15. 성산 레이돔 피뢰침 특성치 291

그림 6-16. 구덕산 레이돔 피뢰침 특성치 292

그림 6-17. 면봉산 레이돔 피뢰침 특성치 293

그림 6-18. 관악산 레이돔 피뢰침 특성치 295

그림 6-19. 백령도 레이돔 피뢰침 특성치 296

그림 6-20. 고산 레이돔 피뢰침 특성치 297

그림 6-21. 문산 레이돔 피뢰침 특성치 298

그림 6-22. 대형 위성 안테나의 피뢰설계 도면 300

그림 6-23. 레이돔의 피뢰설계 도면 301

그림 7-1. 기기로의 서지 침입가능 단자부 303

그림 7-2. 전원시스템의 LPZ과 SPD 적용 예 306

I. 제목

기상관서 시설ㆍ장비의 낙뢰 및 서지보호 방안 연구

II. 연구 개발의 목적 및 필요성

최근 국내에서도 낙뢰 및 서지에 의해 기기가 소손되거나 전기, 통신 등과 같은 서비스가 중단되는 고장사고가 증가하는 추세이다. 이는 설비의 복구에 필요한 비용뿐만 아니라 사회서비스 중단에 따른 막대한 간접적인 피해를 유발할 수 있다. 최근 국내에서도 이상기후와 더불어 낙뢰의 발생빈도가 해마다 증가하는 추세를 보이고 있으며 디지털, IT기기의 급속한 보급 및 네트워크를 통한 시스템운영에 따라 사고의 파급도 증가하고 있다.

이와 더불어 기상관서의 운용설비도 낙뢰에 의한 고장사고가 증가하는 추세에 있으며 이로 인해 정확한 기상정보 데이터 취득에 어려움이 있는 실정이다.

이러한 전기환경의 변화에 대응하여 최적의 보호대책 수립을 위해서 현재 일선 현장에서 이루어지고 있는 서지보호대책에 대한 전반적인 조사, 검토가 선행되어야 한다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 연구는 기상관서의 피뢰대책 현황을 진단하고 개선안을 제시하기위해 수행되었으며 주요 연구내용은 다음과 같다.

(1) 낙뢰 및 서지발생 현상분석

- 뇌서지 발생 메카니즘 분석

- 국내 낙뢰발생 현황분석

- 서지 대책 관련 국제 규격 분석

(2) 기상관서 피뢰 및 접지 대책 조사분석

- 기상관서 피뢰대책 표본조사

- 낙뢰피해 실태 조사 및 통계분석

(3) 서지보호기 특성분석

- 서지보호소자 특성 분석

- 서지보호기 구성 및 성능평가 방법 해석

- 기존 서지보호기 성능평가

(4) 서지전파특성 해석 및 실증실험

- 접지조건에 따른 서지전파특성을 이론적 해적

- 실증실험 비교검토

(5) 기상관서 설비별 서지보호 대책 및 개선안 제시

- 설비별 서지보호대책을 제시

- 내부, 외부 피뢰시스템 및 접지시스템 개선안 제시

(6) 피뢰 설비 분석

- ESE, DAS 피뢰시스템 특성분석

- 레이돔 피뢰설계 방안 제시

(7) 기상 관측장비 뇌서지 보호대책안 제시

- 피뢰 시스템의 설치지침 및 성능기준안 제시

- 신규설비 도입시 서지내성 시험 지침 제시

- 서지보호를 위한 접지, 본딩방안을 제시

IV. 연구개발 결과

기상관서의 피뢰대책 현황분석 및 대책 설계를 위해 수행되어진 본 연구의 주요 결과를 아래에 정리하였다.

(1) 낙뢰 및 서지발생 현상분석

저압 전원과 신호통신 선로를 통해 유입되는 뇌서지 및 개폐서지의 발생 메카니즘을 고찰하고 국내의 낙뢰발생 현황 및 전파경로를 조사분석하였으며 관련 국제규격을 검토하였다.

(2) 기상관서 피뢰 및 접지 대책 조사분석

표본 선정된 13개소의 기상관서를 대상으로 현장점검을 통해 아래의 사항을 조사분석하였으며 개선방안을 제시하였다.

○ 기상관서의 전기환경 및 운용설비의 서지대책 현황분석

○ 피뢰ㆍ접지시스템 분석 및 접속실태 조사

○ 피뢰침 보호특성조사 및 분석

○ 서지보호기 설치현황분석 및 열화진단

(3) 서지보호기 특성분석

낙뢰사고 예방을 위해 현장에서 적용되고 있는 서지보호기의 소자특성 및 설계방안에 대해 검토하였으며 서지보호기 성능평가 시험방법 및 성능조건에 대하여 분석하였다. 또한 기 설치되어 운용중인 서지보호기의 성능분석을 통해 적합성 여부를 검토하였다.

(4) 서지전파특성 해석 및 실증실험

피뢰침에 뇌격시 접지조건에 따른 서지전파특성을 이론적 해적 및 실증실험을 통해 비교분석하였다.

(5) 기상관서 설비별 서지보호 대책 및 개선안 제시

기상관서에서 운용중인 설비별 서지보호대책을 제시하였으며 현재 운용중인 내부, 외부 피뢰시스템 및 접지시스템에 대해 개선안을 제시하였다.

(6) 피뢰 설비 분석

기상관서에서 운용중인 피뢰침에 대해 고찰하였으며 ESE, DAS 둥과 같은 특수피뢰침의 성능분석을 수행하였다. 또한 레이돔의 직격뢰보호를 위해 회전구체법을 적용하여 피뢰시스템 개선방안을 제시하였다.

(7) 기상 관측장비 뇌서지 보호대책안 제시

외부 피뢰 시스템 및 내부 피뢰 시스템의 설치지침 및 성능기준안에 대해 기술하였으며 사고예방을 위해 신규설비 도입시 적용되어져야 할 서지내성 시험 지침을 제시하였다. 또한 서지보호를 위한 접지, 본딩방안을 제시하였다.

V. 연구개발 결과의 활용계획

본 연구를 통한 기대성과 및 활용방안은 다음과 같다.

(1) 기대성과

○ 낙뢰사고 사전 예방 및 피해 최소화로 복구비용 저감

○ 최적 피뢰ㆍ접지설비를 적용하여 낙뢰로부터 안정성 화보 및 중단 없는 기상관측 수행

○ 향후 기상시설 신축(또는 개축) 및 장비 도입 시 표준화된 피뢰ㆍ접지방식 구축으로 안정된 기상시설 및 장비 운영

○ 중기재정운용계획에 반영하기 위한 사전 타당성 연구로 활용

(2) 활용방안

○ 기상관서 설비 도입시 적용

○ 내서지 대책 연구의 기반자료 구축

○ 뇌해사고의 과학적 원인분석, 평가기법 정립 및 예방대책 제시

○ 연구결과의 신속한 현장적용기술 전파

- 기술교육을 통한 전기관련 종사자 기술 전파 역할 수행