SPD(Surge Protector Device)의 기술적 이해

SPD(Surge Protector Device)의 기술적 이해

우리는 낙뢰 및 surge의 위협으로부터 전기전자통신 정보화설비의 운용을 안정적으로 하기 위해서 낙뢰 및 서지 피해가 예상되는 설비를 대상으로 서지보호기를 설치하였다. 
그러나 이러한 SPD에 대한 기술적 이해가 부족하여 낙뢰 및 surge 피해를 입고 있다. 특히 SPD에 대하여 기술적으로 잘못 인식하고 있는 것들은 다음과 같다.

첫째, SPD의 수명이 2년 혹은 5년으로 규격화 되었다고 잘못 알고 있는 것이다.
SPD는 낙뢰 혹은 surge가 유입된 횟수 혹은 낙뢰 surge의 용량의 크기 등에 따라서 SPD의 수명이 결정된다. 따라서 설치하고 1개월이 안되었어도 교체하여야 하는 경우도 있다.

둘째, SPD의 기능과 성능은 항상 동일하다고 잘못 알고 있다. SPD의 기능과 성능은 내부 소자의 열화 혹은 손상의 정도에 따라서 그 성능이 차이가 있다. 즉 낙뢰 혹은 surge가 유입된 횟수 혹은 용량의 크기 등에 따라서 SPD의 기능과 성능에 큰 차이가 있다. 따라서 SPD의 외관 형태만으로는 그 기능과 성능 발휘를 정확하게 알 수 없다.

셋째, SPD 소자가 열화되어 수명이 다하면 off(단선) 된다고 잘못 알고 있다. SPD 소자는 열화 되거나 노화되면 단락(on)되어, 즉 폐쇄회로를 구성하여 발화 혹은 폭발 등으로 화재가 발생 할 수도 있다.  
상기와 같은 문제를 해결하고자 서지보호기의 구성 및 보호소자의 특성을 간단한 기술적인 소개를 하고, 왜 설치한 SPD에 대하여 정기적으로 열화와 성능 상태를 측정해야 하는 기술적인 이해를 돕고자 한다.

1. 서지 보호소자 특성
SPD는 일반적으로 선로에 발생한 과도전류의 전파 경로를 접지로 돌려 소자의 breakdown전압으로 과도전압을 한정시키는 역할을 하는 피뢰관과 같은 방류형(Diverting)소자와 과도전류의 통과를 억제하여 피보호기기에 전파되지 못하게 하는 저항 혹은 인덕터 등의 저지형(Blocking)소자 및 유입되는 이상 과전압을 소자의 제한전압으로 한정시키는 MOV(Metal Oxide Varistor)나 정전압 다이오드 등의 차단형(Clamping)소자로 구성된다. 각종 보호소자의 사진을 그림 1에 나타내었다.

1.1 차단형 소자
차단형 소자는 단자에 걸리는 전압이나 부품에 흐르는 전류에 따라 부품의 임피던스가 변하는 비선형특성을 이용한 것으로 Avalanche Diode, Zener Diode 및 SiC나 ZnO재료를 이용한 Varistor가 있다. 현재 사용되고 있는 Varistor는 ZnO를 사용하는 MOV(Metal Oxide Varistor)이며, 상품명으로는 TNR 혹은 ZNR이라 부른다. 차단형 소자는 그림 2(a)와 같이 선로의 임피던스가 Z인 회로에 서지 전압 V인 전압이 발생한 경우 이 전압은 그림 2(b)와 같은 MOV의 비선형 전압-전류특성으로 인해 제한전압(Vc)로 억제한다.

그림1. 각종 보호 소자

          (a)등가회로                                       (b)선로와 MOV의 전압-전류특성
그림2. Clamp 부품의 과도전압 억제 원리

단형 소자는 일반적으로 서지에 대한 동작시 서지 전류에 이어서 시스템 전류가 흐르는 현상인 속류현상이 일어나지 않는 특징이 있으나 MOV의 경우 소자의 정전용량이 커 고주파 신호회로에는 사용하기 어려운 특징이 있다. Avalanche Diode의 경우 에너지 내량은 작으나 제한전압을 낮출 수 있는 특징이 있어 다단 회로로 구성된 보호기의 출력단에 사용하는 것이 좋다.

1.2 방류형 소자
  방류형의 대표적인 소자로 사용하는 피뢰관(Gas Tube Arrester)은 불활성 가스로 채워진 관 내부에 두 전극이 대향하고 있는 구조로 서지 전압이 피뢰관의 불꽃방전전압(Sparkover)이상이 되면 방전하는 특징이 있어 주로 직류 신호회로 및 직류전압이 bias된 교류신호 회로에 사용된다. 이 소자는 속류가 흐를 수 있으므로 교류 전원회로에 적용시에는 신중히 고려하여야 한다. 그러나 정전용량이 수 pF이하로 매우 낮으므로 고주파 신호회로에 널리 사용된다.

1.3 저지형 소자
  저항 또는 인덕터가 주로 사용되며 피보호기기로 유입되는 전류를 억제하고 설비에 가해지는 전압을 작게 하는 효과를 보는 소자이다.
표 1에 보호소자의 특성을 정리하였다.

표1. 보호소자 특성

2. 서지 보호기의 구성
SPD는 위에서 언급한 각종 서지보호소자를 피보호기기에 발생 가능한 서지의 크기 및 회로의 상황에 따라 일반적으로 그림 3과 같이 구성된다. 방류형(Diverting)소자로는 선로에 발생한 과도전류를 접지로 돌려 소자의 breakdown전압으로 과도전압을 한정시키는 역할을 하는 피뢰관(Gas Tube Arrester), 저지형(Blocking)소자는 과도전류의 통과를 억제하는 저항 혹은 인덕터, 차단형(Clamping)소자로는 이상전압을 소자의 제한전압으로 한정시키는 MOV(Metal Oxide Varistor)나 어밸런치 다이오드 등이 대표적이다.

그림3. 보호기 회로구성

 그림 4에 전원용 보호기와 신호용 보호기 회로의 예를 나타내었다. 서지 보호기는 전원선 및 신호선에 침입하는 각종 이상전압에 노출되어 있어 이를 효과적으로 억제하여 부하에 안정된 전원 및 신호를 공급하도록 하는 기능을 가지고 있어야 한다. 따라서 개폐 서지나 뇌서지와 같이 크기가 크고 급준한 파형 특성을 가진 임펄스성 이상전압에 대해 보호할 수 있는 동시에 서지 보호기 자체도 충분한 절연내력과 에너지 내량을 가지고 있어야 한다. 단상 전원용 보호기의 경우 MOV를 선간(L-N) 뿐만 아니라 선-대지간(L-G, N-G)간에도 삽입하므로써 차동모드(DM ; Differential Mode) 및 공통모드(CM ; Common Mode)에 대해서 모두 보호되도록 구성되어 있다. 또한 보호소자인 MOV가 소손시에는 매우 낮은 저항값을 갖는 상태로 변하면서 회로의 단락상태를 유발할 가능성이 있으므로 이를 감지하여 추가적인 사고의 발생을 억제하기위해 MOV와 직렬로 퓨즈를 조합하여 사용한다.

전원용 서지보호기의 경우 직렬형과 병렬형으로 구분할 수 있다. 직렬형은 보호기를 보호하고자 하는 대상설비의 선로의 중간에 직렬로 삽입하는 구조이고 병렬형은 선로에 병렬로 접속하는 형태이다. 직렬형 보호기의 경우에는 인덕터 및 필터회로를 삽입하여 서지 전압을 낮추는 한편 정상동작 상태에서는 노이즈를 제거하는 기능도 갖고 있다. 따라서 보호효과측면을 고려하면 제한전압특성은 직렬형이 우수하다. 그러나 이는 설치시 선로를 분리한 후 삽입하여야 하며 내장된 노이즈필터 때문에 대용량화하기 어렵다. 반면에 병렬형인 경우에는 제한전압특성은 직렬형에 비해 다소 떨어지나 선로의 분리 없이 연결가능하며 대용량부하에도 적용할 수 있다.

신호용 보호기는 가스방전관, MOV, avalanche diode 등을 조합하여 다단 회로로 구성되어지며 동상모드, 차동모드에 대해 각각 보호가 되도록 설계되어야 한다. 특히 신호용 보호기의 적용시에는 보호기의 삽입으로 인해 정상신호의 왜곡이 발생하지 않도록 전송주파수 특성도 검토되어야 한다.

(a)전원용 보호기 회로 구성 예(직렬형)

(b)신호용 보호기 회로 구성 예(직렬형)

그림4. 전원용 및 신호용 보호기의 회로 구성

3. SPD의 일시과전압의 영향 및 대책
SPD는 전원선 및 신호선에 침입하는 각종 이상전압을 효과적으로 억제하여 부하에 안정된 전원 및 신호를 공급하도록 하는 기능을 가지고 있어야 한다. 따라서 개폐 서지나 뇌서지와 같이 크기가 크고 급준한 파형 특성을 가진 임펄스성 이상전압에 대해 보호할 수 있는 동시에 서지 보호기 자체도 충분한 절연내력과 에너지 내량을 가지고 있어야 한다.

서지보호기의 적용시 먼저 고려되어야 할 사항은 최대연속사용전압 (MCOV; Maximum Continuous Operating Voltage) Uc 이다. 이는 서지 보호기의 보호모드에 연속적으로 인가할 수 있는 최대 교류전압의 실효치 혹은 직류 전압을 나타낸다.

아래 그림 5는 서지보호기 내에 단로 장치가 없는 상태에서 일시과전압이 침입하여 발생된 보호기의 소손의 예를 나타내고 있다. 두 경우 모두 서지에 의한 소손이라기보다는 특고압선로 혹은 수전 저압 3상 선로의 지락시 발생한 일시과전압에 의해 서지보호소자가 파손되었으며 보호기 자체 내부에 일시과전압으로 인한 과전류를 차단하는 차단기능(퓨즈류)이 없어 아래 사진과 같이 화재로까지 유발된 것으로 추정된다. 일시과전압(TOV; Temporary Overvoltage)이란 선로의 고장이나 지락사고 등에 의해 선로에 일시적으로 발생하는 정격전압보다 큰 과전압을 의미하며 이는 지속시간이 수십～수백 ㎲인 서지에 비해 수백 ms ～ 수초 이상 지속되므로 상대적으로 매우 큰 에너지를 가진다. 이 전압이 서지보호기의 최대연속사용전압 (MCOV)보다 크게 되면 서지보호소자의 소손을 초래하며 소손된 서지보호소자는 수Ω 이하의 낮은 저항값을 갖게 되어 결과적으로 보호기 회로를 지락 시키게 된다. 이러한 지락전류가 흐르게 되면 보통 누전차단기가 설치된 경우 회로가 차단되지만 과전류 개폐기만이 존재하는 선로상황에서는 지락전류를 차단하지 못하게 된다. 이때 일시과전압에 의해 열화된 보호기 내부소자에 과도한 누설전류가 누적되며 회로가 과열되어 화재로까지 파급될 수 있다. 따라서 서지 보호기는 일차적으로 계통의 사고시 발생하는 일시과전압에 어느 정도 견딜 수 있는 에너지내량을 갖도록 설계되어야 하며 보호소자의 소손으로 회로가 단락되었을 때 화재 등의 2차적인 피해를 방지하기위해 이를 신속히 분리 할 수 있도록 Fuse 등을 이용한 과전류차단대책을 병행하여 구성하여야 한다.

그림 5. 소손된 서지보호기 사진

4. 서지보호기 관련 용어의 정의
서지보호기의 설계 및 사양에 사용되는 용어의 의미를 아래에 정리하였다.

1) 서지 보호기(Surge Protector = SPD(Surge Protective Device) = TVSS)
과도성 이상전압을 제한하고 서지 전류를 우회시키기 위한 기기로 적어도 하나이상의 비선형 소자가 내장되어 있다.

2) 보호모드
서지 보호기는 선간 (DM : Differential Mode) 또는 선-대지(CM : Common Mode)간에 보호소자가 연결되거나 이들의 조합으로 구성되어 있다. 이러한 연결경로로 보호모드를 나타낸다.

3) 최대 단일 임펄스 방전전류 Imax
SPD에 8/20㎲의 전류 파형을 인가시 보호기가 견딜수 있는 전류의 최대 값으로 표시한다.

4) 정격전압 Un
서지보호기가 설치되는 계통의 정격전압을 의미한다.

5) 최대연속 동작 전압 Uc
서지 보호기의 보호모드에 연속적으로 인가할 수 있는 최대 교류 혹은 직류 전압을 나타낸다.

6) 제한전압
규정된 시험파형을 만족하는 임펄스를 인가했을 때 서지 보호기의 출력단자를 통해 측정된 파형의 피크값으로 나타낸다.

7) 전압보호레벨 Up
서지 보호기의 서지 억제성능을 나타내는 파라미터로 제한전압의 측정치중 최대치로 나타낸다.

8) 삽입손실
소정의 주파수에서 소정의 전력시스템에 연결된 서지 보호기의 삽입 손실은 시험대상의 서지 보호기를 삽입하기 전후의 전압의 비율로 정의된다.

9) 정격 사용 주파수 대역
신호용 보호기에서 적용되며 신호의 감쇠 및 왜형이 없이 전달할 수 있는 신호주파수를 의미하며 통상 -3dB로 감쇄되는 주파수를 나타낸다.

10) 조합파(Combination Wave)
임펄스 발생기의 출력단자가 개방되었을 때 1.2/50㎲ 전압 임펄스가 발생되고, 단락시켰을 때에는 8/20㎲ 전류 임펄스가 흐르는 임펄스로 제한전압측정의 시험파형으로 적용한다.

그림 6.조합파 출력파형

11) 열 폭주(Thermal runaway)
서지 보호기의 지속 전력소비가 외장과 접속부의 열 소비용량을 초과하여 운전시 내부소자의 누적 온도상승으로 인해 고장에 이르는 상태를 의미한다.

5. 서지보호기 관련 규격
산업플랜트의 EMP대책을 위해서는 접지시스템, 피뢰시스템과 더불어 양호한 뇌서지 억제특성을 보이는 서지 보호기의 적용이 필수적이다. 이들 보호기와 관련된 국제규격으로는 IEC, IEEE, UL규격 등이 있으며 세부 규격목록을 아래에 정리하였다.

5.1 IEC 규격
○ IEC 61643-1 (1998-02) : Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems  - Part 1: Performance requirements and testing methods 
○ IEC 61643-12 : Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems  - Part 12: Selection and application principles  
○ IEC 61643-21 (2000-09) : Low voltage surge protective devices - Part 21: Surge protective devices connected to telecommunications and signalling networks - Performance requirements and testing methods
○ IEC 61643-22 : Surge protective devices connected to telecommunications and signalling networks - Part 2: Selection and application principles (Former project IEC 61644-2 Ed.1) 

5.2 IEEE 규격
○ C62.31-1987 : IEEE Standard Test Specifications for Gas-Tube Surge-Protective Devices
○ C62.32-1981 : IEEE Standard Test Specifications for Low-Voltage Air Gap Surge-Protective Devices  (Excluding Valve and Expulsion Type Devices)
○ C62.33-1982 : IEEE Standard Test Specifications for Varistor Surge-Protective Devices
○ C62.34-1996: IEEE Standard for Performance of Low-Voltage Surge-Protective Devices (Secondary Arresters)
○ C62.35-1987 : IEEE Standard Test Specifications for Avalanche Junction Semiconductor Surge Protective Devices
○ C62.36-2000 : IEEE Standard Test Methods for Surge Protectors Used in Low-Voltage Data, Communications, and Signaling Circuits
○ C62.41-1991 :IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits

5.3 UL 규격
○ UL 1449 2000-03-08  Transient Voltage Surge Suppressor