피뢰기의 역할과 특성

이상전압에 대한 방호장치로는 피뢰기, 서지흡수기, 가공지선이 있다. 서지흡수기는 개폐 때 생기는 서지(순간적으로 치솟는 전압)를 흡수하고, 가공지선은 벼락을 전력선 대신 맞아 주는 접지선이다. 반면 방전코일은 전력용 콘덴서를 회로에서 떼어낸 뒤 남은 전하를 방전시키는 장치여서 이상전압 자체를 막는 방호장치가 아니다. 아킹혼은 애자를 지키는 뿔 모양 금속, 아마로드는 전선을 보강하는 금속선이어서 이상전압의 파고치를 줄이는 장치가 아니다.

피뢰기의 전압 용어는 시점이 다르다. 피뢰기가 방전을 시작할 때 단자 전압의 순시값이 방전개시전압이고, 충격파를 가했을 때의 것이 충격방전개시전압이며 충격파의 최대치(파고값)로 표시한다. 반면 제한전압은 방전이 이어지는 동안 피뢰기 단자에 남는 전압의 파고값(최댓값)이다. 제한전압이 낮을수록 보호 대상 기기에 가해지는 전압이 작아진다. 상용주파 전압을 가했을 때 방전을 시작하는 전압은 제한전압이 아니고, 전류가 흐르고 있을 때의 단자전압이라고만 하면 최댓값이라는 뜻이 없어 정의가 되지 못한다.

속류는 방전현상이 실질적으로 끝난 뒤에도 전력계통에서 피뢰기에 공급되어 흐르는 전류이다. 정격전압은 이 속류를 끊을 수 있는 상용주파 전압의 최고 한도이며, 순간순간 변하는 순시값이 아니라 교류의 실효값으로 나타낸다. 방전전류는 뇌충격전류의 파고값으로 표시한다. 유효접지계통은 1선 지락 때에도 건전상 전압 상승이 작도록 접지한 계통이지만, 지락 중에는 고장이 나지 않은 건전상의 대지전위가 어느 정도 올라 이어지므로, 정격전압을 정하는 가장 중요한 요소는 이 건전상의 대지전위(지속성 이상전압)이다. 순간적으로 스쳐 가는 유도뢰의 전압은 기준이 아니다.

피뢰기가 갖추어야 할 조건은 다음과 같다. 반응이 빨라야 하고(시간지연이 적을 것), 충격방전개시전압이 낮아야 하며, 방전 중 남는 제한전압도 낮아야 한다. 방전내량은 크고 속류 차단능력도 커야 하며 내구력이 높아야 한다. 반대로 상용주파 방전개시전압은 평소의 정상 전압에서 방전하지 않도록 높아야 한다. 제한전압이 높을 것, 상용주파 방전개시전압이 낮을 것, 제한전압을 정격전압과 같게 할 것은 모두 틀린 조건이다. 정격전압은 속류를 끊는 한계 전압이므로 제한전압과 따로 정해진다.

피뢰기는 직렬 갭과 특성요소로 이루어진다. 직렬 갭은 정상 전압에서는 절연 상태이다가 이상전압이 오면 방전을 시작해 뇌전류를 땅으로 보내고, 전압이 정상으로 돌아오면 상용주파수의 속류를 차단하고 소호한다. 방전 중 전위상승을 억제하는 일은 직렬 갭이 아니라 특성요소의 몫이며, 특성요소는 전류가 클 때 저항이 낮아져 방전 중 피뢰기 전압 상승을 억제하는 부분이다.