2025-07-09
서지 보호 장치(SPD)는 전력 서지 또는 과도 전압으로부터 전자 장비를 보호하는 데 사용되는 장치입니다. 보호가 필요한 부하 전력 회로에 병렬로 연결되며 모든 레벨의 전원 공급 네트워크에서도 사용할 수 있습니다. 이 기사에서는 서지 보호 장치의 작동 원리와 전기 시스템에서 중요한 역할에 대해 자세히 설명합니다.
서지란 무엇인가요?
서지는 수십 킬로볼트에 달하는 과도 과전압으로, 지속 시간은 마이크로초 단위입니다. 짧은 지속 시간에도 불구하고 높은 에너지 함량은 전자 부품의 조기 노화, 장비 고장 또는 서비스 중단 및 재정적 손실과 같이 회선에 연결된 장비에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.
서지의 기원
번개는 서지의 가장 중요한 원인으로 알려져 있습니다. 번개는 100만에서 10억 볼트, 10,000~200,000 암페어 사이로 기록되었습니다. 그러나 번개는 시설 내 모든 과도 현상의 일부일 뿐입니다. 과도 현상은 외부 원인(번개 등)과 내부 원인 모두에서 발생할 수 있으므로 시설에는 피뢰 시스템과 서지 보호 장치가 모두 설치되어야 합니다.
번개: 서지의 가장 파괴적인 원인. IEC 61643-12 표준에 따르면 번개 에너지는 최대 200kA에 달할 수 있습니다. 그러나 참고로 추정치는 65%가 20kA 미만이고 85%가 35kA 미만임을 나타냅니다.
유도: 구름 대 구름 번개 또는 근처 번개 충격과 같은 원인이 있으며, 여기서 전류 흐름은 전원선 또는 기타 금속 도체에 과전압을 유도합니다.
서지의 시기, 장소, 크기 또는 지속 시간/파형을 실제로 알 수 있는 방법은 없습니다. 따라서 표준 내에서 몇 가지 가정이 이루어졌으며, 서로 다른 서지 이벤트를 시뮬레이션하기 위해 2개의 주요 파형이 선택되었습니다.
- 전도
전도 또는 10/350μs는 직접적인 번개 충격으로부터의 에너지를 시뮬레이션합니다.
- 유도
유도 또는 8/20μs는 간접적인 번개 충격으로부터의 에너지를 시뮬레이션합니다.
내부 원인:
- 유틸리티 그리드 스위칭, 모터 또는 기타 유도 부하의 분리에서 발생합니다. 이러한 원인으로부터의 에너지는 8/20 파형으로도 분석됩니다.
- 과도 과전압은 전력 분배선에서만 발생하는 것이 아니라 통신, 측정 및 데이터와 같은 금속 도체로 형성된 모든 회선에서도 흔히 발생합니다.
서지 보호 장치의 역할
서지 보호 장치는 서지 전류를 전환하거나 제한하여 컴퓨터, 텔레비전, 세탁기 및 안전 회로(화재 감지 시스템 및 비상 조명 등)와 같이 연결된 민감한 전자 장비를 보호하여 과도 전압을 제어합니다. 이러한 장치에는 과도 과전압으로 인해 손상되기 쉬운 민감한 전자 회로가 포함되어 있으므로 서지 보호 장치는 전기 설치 시스템을 보호하는 데 중요한 역할을 합니다.
적절한 SPD가 없으면 과도 현상으로 인해 전자 장비가 손상되고 값비싼 가동 중단이 발생할 수 있습니다. 따라서 전기 장비를 보호하는 데 있어 서지 보호 장치의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.
SPD는 어떻게 작동하나요?
SPD에는 서로 다른 조건에서 고 임피던스 상태와 저 임피던스 상태 사이를 전환하는 비선형 구성 요소가 하나 이상 있습니다. 정상 작동 전압에서 SPD는 고 임피던스 상태에 있으며 시스템에 영향을 미치지 않습니다. 회로에 과도 전압이 발생하면 SPD는 전도 상태(또는 저 임피던스)로 이동하여 과도 에너지와 전류를 소스 또는 접지로 전환합니다. 이렇게 하면 전압 진폭이 더 안전한 수준으로 제한되거나 클램핑됩니다. 과도 현상이 전환된 후 SPD는 자동으로 고 임피던스 상태로 다시 재설정됩니다.
서지 보호 장치의 작동 원리는 다음과 같습니다.
- 정상 작동
서지가 없으면 서지 보호 장치는 설치된 시스템에 영향을 미치지 않습니다. 개방 회로 역할을 하여
활성 도체와 접지 사이의 절연을 유지합니다.
- 서지 발생 시
전압 서지가 발생하면 서지 보호 장치는 나노초 단위로 임피던스를 줄이고 서지 전류를 전환합니다. 이 시점에서
SPD는 폐쇄 회로처럼 작동하여 과전압을 단락시키고 전기적으로 연결된
다운스트림 장비에 허용되는 값으로 제한합니다.
- 서지 후
펄스 서지가 중단되면 서지 보호 장치는 원래 임피던스를 복원하고 개방 회로 상태로 돌아가
전기 시스템의 전압 조건을 계속 모니터링합니다.
3P 또는 4P? N-PE 극이 필요한 경우는 언제인가요?
서지 보호 장치(SPD)는 과도 전압 이벤트 발생 시 SPD가 접지로 가는 저 임피던스 경로 역할을 하도록 전기 장비의 상류에 병렬로 설치됩니다. 이렇게 하면 다운스트림 장비의 전압 내성을 초과하기 전에 고전압 에너지를 다운스트림 장비에서 멀리 이동시켜 손상을 방지합니다.
SPD와 관련하여 흔히 묻는 질문은 3극 및 4극 장치의 적용 간의 차이점입니다. TN-C-S 배선 시스템의 경우 중성 도체가 직접 접지에 연결됩니다(MEN 링크). 이 MEN 링크에서 10미터 이내에 SPD를 설치해야 하는 경우 3극 장치만 필요합니다. 4극 장치에서 제공하는 추가 N-PE 극은 MEN 링크를 통해 중성선을 통해 이미 접지 경로가 있으므로 이 상황에서는 불필요합니다.
그러나 SPD가 MEN 링크에서 10미터 이상 떨어진 곳에 설치된 경우 4극 SPD가 필요합니다. 접지 임피던스는 케이블 길이에 따라 증가하므로 서지 에너지가 MEN 링크 이후 네트워크에 들어가 다운스트림 장비를 손상시킬 수 있습니다.
보호 장치의 분류
보호 장치는 방전 용량에 따라 유형으로 분류됩니다.
유형 1:
• 10/350μs 파형(Class I 테스트)으로 테스트되었으며, 이는 직접적인 번개 충격으로 생성된 전류를 시뮬레이션합니다.
• 매우 높은 전류를 접지로 방전하는 기능으로 높은 Up - 전압 보호 수준을 제공합니다.
■ 다운스트림 유형 2 보호 장치가 함께 제공되어야 합니다. 외부 보호 시스템이 있는 건물과 같이 번개 충격 위험이 높은 유입 전원 공급 패널에 사용하도록 설계되었습니다.
유형 2:
• 8/20μs 파형(Class II 테스트)으로 테스트되었으며, 이는 배전선 또는 그 근처에서 스위칭 또는 번개 충격이 발생할 때 생성된 전류를 시뮬레이션합니다.
• 높은 전류를 접지로 방전하는 기능으로 중간 Up - 전압 보호 수준을 제공합니다. 유형 1 보호 장치의 다운스트림 또는 번개 충격 노출이 적은 지역의 유입 전원 공급 패널에 사용하도록 설계되었습니다.
유형 3:
• 1.2/50μs - 8/20μs 파형(Class III 테스트)을 결합하여 테스트되었으며, 이는 보호할 장비에 도달할 수 있는 전류 및 전압을 시뮬레이션합니다.
• 중간 전류를 접지로 방전하는 기능으로 낮은 Up - 전압 보호 수준을 제공합니다. 민감한 장비 또는 유형 2 장치에서 20m 이상 떨어진 곳에 위치한 장비를 보호하도록 설계된 유형 2 보호 장치의 다운스트림에 항상 설치됩니다.
IEC 61643 표준 기반 SPD 기능
보호 장치 매개변수:
- Up 보호 수준: 피크 전류를 적용하는 동안 보호 장치의 단자 간 최대 잔류 전압.
- In 공칭 전류: 보호 장치가 수명 종료에 도달하지 않고 20번 견딜 수 있는 8/20μs 파형의 피크 전류
- Imax 최대 방전 전류: 보호 장치가 견딜 수 있는 8/20μs 파형의 피크 전류.
- Uc 최대 연속 작동 전압: 보호 장치의 단자에 영구적으로 적용할 수 있는 최대 유효 전압
- Iimp 임펄스 전류: 보호 장치가 수명 종료에 도달하지 않고 견딜 수 있는 10/350μs 파형의 피크 전류.
보호 설계를 어디서부터 시작해야 할까요?
설치의 기원으로서 주 배전반은 네트워크에서 SPD 설계를 시작할 곳입니다.
보호 설계를 어떻게 시작해야 할까요?
앞서 언급했듯이 SPD 보호 설계는 변압기에서 제공하는 고장 등급에 따라 달라지는 것이 아니라 서지 앞에서의 노출 수준에 따라 달라집니다. 그렇다면 주 배전반에 어떤 SPD를 설치해야 할까요?
가장 높은 번개의 분산을 표시하는 IEC 63205-1 표준의 위의 다이어그램을 참조하십시오: 200kA @ 10/350μs.
최악의 시나리오에서는 이 에너지의 50%가 접지로 전도되어 네트워크 3상 및 중성선에 100kA의 전위가 남습니다.
여기서는 번개가 건물 접지 연결부 또는 그 근처에 떨어지는 경우, 특히 건물에 피뢰침이 있는 경우 25kA @ 10/350μs(Iimp) 유형 1 SPD를 강력히 권장합니다.
“정상 시나리오”에서는 네트워크에 대한 직접적인 번개 충격이 설치 지점에서 너무 멀리 떨어져 있어 다른 도체를 통해 에너지의 50%가 연결 지점에 들어가기 전에 접지로 분산된다고 가정합니다. 이 시나리오에서는 12.5kA @ 10/350μs(Iimp) 유형 1 장치를 권장합니다. 또한 IEC 61643-12 표준에 따르면 유형 1이 필요한 경우 12.5 kA가 최소 kA 등급입니다.
설치의 노출 수준이 위에 설명된 시나리오보다 낮은 경우 유형 2 SPD(Imax)를 장비 및 가동 중단의 위험 및 비용과 함께 고려할 수 있습니다.
3단계 서지 보호 장치를 설치해야 하나요?
최종 부하에 설치된 3단계 서지 보호는 부하, 중요성, 비용, 가동 중단 비용 및 민감도에 따라 고려할 수 있습니다. 장비 및/또는 가동 중단 비용이 높은 경우 3단계 유형 3(1.5/50μs) 장치를 설치하면 장비에 도달하는 마지막 서지 에너지의 위험을 더욱 줄일 수 있습니다.
3단계 서지 보호를 포함해야 하는 응용 프로그램의 예는 다음과 같습니다.
■ 병원
■ 데이터 센터
■ 공항
■ 은행 및 보험
■ 운송
