SPD 선정 및 설치 기준 총정리 – 전기안전관리자 교육 특별과정

SPD(서지보호장치)는 낙뢰나 개폐 서지 등 순간적으로 발생하는 이상 전압으로부터 전기설비를 보호하는 핵심 장치다. 특히 최근 전기자동차 충전기, 스마트 전력설비, 통신 연계 설비가 증가하면서 SPD의 중요성은 단순 보호를 넘어 필수 설비 수준으로 확대되고 있다. 하지만 현장에서는 SPD를 “그냥 하나 넣으면 된다”는 식으로 접근하는 경우가 많아, 실제로는 보호 성능을 제대로 발휘하지 못하거나 오히려 설비 이상의 원인이 되는 사례도 발생하고 있다.

이번 글에서는 SPD의 정의부터 구조, 동작 원리, 관련 규정, 선정 기준, 설치 위치, 기대 효과까지 전반적인 내용을 한 번에 정리한다. 전기안전관리자라면 반드시 알고 있어야 할 핵심 포인트 위주로 구성했으며, 실제 현장에서 바로 적용할 수 있도록 기준 중심으로 정리하였다.

1. SPD의 정의

SPD(Surge Protection Device)란?

• 서지보호장치
• 배전시스템의 전원 회로에 병렬로 접속
• 과전압 또는 서지로부터 보호

2. SPD 소자별 적용 기술

MOV(Metal Oxide Varistor)

• 둥근 또는 직사각형 모양의 산화아연으로 구성
• 튜브형 모양과 다층 구조가 포함됨
• 은 합금 또는 기타 금속으로 구성된 금속 입자 전극이 있음
• 전극은 금속에 따라 선별 및 소결 또는 다른 공정에 의해 본체에 적용되었을 수 있음
• 와이어, 탭 리드 또는 전극에 납땜되었을 수 있는 몇 가지 다른 유형의 단자가 있음
• 기본적인 도전 메커니즘은 소결과정에서 형성된 산화아연입자의 경계에서 반도체 접합으로 인해 발생함
• 단자 사이에 많은 입자가 직렬-병렬 조합으로 작용하는 다중 접합장치로 간주할 수 있음
• 단자는 작은 전압 변화를 유지하는 특성이 있지만, 단자를 통해 흐르는 서지 전류는 수십 년에 걸쳐 변화함
  - 선로 양단을 병렬로 연결할 때 서지 전류를 우회시킴
  - 선로 양단 전압을 해당 선로에 접속된 장비를 보호할 수 있는 값까지로 제한함

ABD(Avalanche Breakdown Diode)

• SAD(실리콘 애벌런치 다이오드) 또는 TVS(과도전압 억제장치)라고도 함
• 순방향 바이어스 (저 임피던스)
  - 전압이 VFS를 초과하면 다이오드 임피던스가 매우 낮아져 전류급증
  - VFS 는 일반적으로 1V 미만
• 오프상태(고 임피던스)
  - 0V에서 N 영역의 VBR (Break down Voltage) 바로 아래까지 확장됨
  - 이 영역에서는 온도에 따라 달라지는 누설전류와 파괴전압이 낮은 다이오드의 제너터널링 전류만 흐름
• 역방향 바이어스 파괴 (상대적으로 낮은 임피던스)
  - N 영역의VBR에 따라 개시
  - VBR에서 전자는 가속되어 전자와 정공에 캐스케이드 또는 전자사태 발생
  - 다이오드 저항 급감→전류 급증
  - 순방향 바이어스 및 역방향 바이어스 파괴영역을 모두 보호
•  비대칭 전기적 특성
• 연속 접합된 대칭 전자사태 다이오드 보호제품도 양산 중

 

GDT(Gas Discharge Tube)

• 작은 간격으로 분리되어 세라믹 또는 유리 실린더로 고정된 두개 이상의 금속전극으로 구성
• 실린더에는 희소가스 혼합물이 채워져 있음
• 턴온 프로세스
  - 전압이 전극 간격, 가스 압력 및 가스 혼합물에 의해 결정되는 값에 도달하면 스파크 발생
  - 외부회로에 따라 다양한 작동상태가 가능함
• 글로우 영역
  - 아크로의 전이 전류보다 작은 전류에서 존재
  - 낮은 전류 : 전압이 거의 일정
  - 높은 전류 : 비정상적인 글로우 영역에 진입
  - 저전압 아크 조건의 전이 영역에서는 가스 방전관 임피던스가 감소함
• 아크-글로우 전이 전류
  - 글로우-아크 전이보다 낮을 수 있음
  - GDT 전기적 특성은 외부 회로와 함께 서지 통과 후GDT가 소멸하는 능력을 결정함
  - 서지 중에 차단기에서 소멸되는 에너지도 결정함
• 과도전압과 같이 인가전압이 빠르게 상승하는 경우
  - 이온화를 거쳐 아크 형성과정에 소요되는 시간으로 인해 과도 전압이 이전 단락의 파괴에 필요한 값을 초과할 수 있음
  - 이 전압은 임펄스 항복 전압으로 정의되며 일반적으로 인가 전압(일시적)의 상승 속도에 대한 함수임
• 단일 챔버 3전극 GDT
  - 중앙 링 전극에 의해 분리된2개의 공동이 있음
  - 중앙 전극의 구멍을 통해 다른 공동 전압이 스파크 오버 전압보다 낮을 수 있음에도 불구하고 전도성 공동의 가스 플라즈마가 다른 공동에서 전도를 시작할 수 있음
• 스위칭 동작과 견고한 구조
  - 전류 전달 기능에서 다른SPD 구성 요소를 능가할 수 있음
  - 대부분의 통신용GDT는 최대 10 kA(8×20 μs 파형)의 서지 전류를 쉽게 전달할 수 있음
  - GDT의 설계와 크기에 따라 100 kA 이상의 서지 전류를 얻을 수 있음
• 2 pF 미만의 매우 낮은 커패시턴스로 구성
  - 고주파 회로 응용 분야에서 가스방출 튜브를 사용할 수 있음
• GDT가 작동하면 고주파 방사선이 발생하여 전자장치에 영향
  - GDT 회로를 전자 장치로부터 일정 거리 떨어진 곳에 배치 또는GDT를 보호용 외함에 넣음

 

 

3. SPD 작동 원리 및 기능

SPD 기본 기능

• 과도전압 발생 시 과도전압 제한 및 서지전류를 대지로 방류
• 과전압 크기(진폭)를 전기설비, 개폐장치, 제어장치에 위험하지 않은 값으로 제한
• SPD가 제거하는 과전압
  - 공통모드: 각 상/대지와 중성선 간 과전압
  - 차동모드: 각 상과 중성선 간 과전압
• 과전압이 임계값 초과 시 SPD의 작동
  - 공통모드: 에너지를 대지로 방류
  - 차동모드: 에너지를 다른 활선도체로 분배

작동 조건

• 정상 계통전압에서는 고임피던스 상태 유지하여 시스템 영향 없음
• 과도전압 발생 시 임피던스가 급감하여 서지전류를 대지로 방류
  - 보다 안전한 레벨로 전압 제한 또는 클램핑
  - 과도전압 제한 후 고임피던스 상태로 자동 회복

SPD 유형

• 1종 SPD : 10x350 μs 전류파
  - 직격뢰로부터 전기설비 보호
  - 낙뢰 보호시스템 또는 그물망 케이지로 보호되는 분야, 산업용 건물과 같은 경우에 권장
  - 접지도체에서 전원도체 쪽으로 확산되는 낙뢰의 역류를 방전
• 2종 SPD : 8×20 μs 전류파
  - 모든 저압 전기설비의 주 보호시스템
  - 전기설비의 과전압 확산을 방지함으로써 부하 보호
• 3종 SPD : 전압파(1.2×50 μs)와 전류파(8×20μs) 결합
  - 방전내량이 낮아2종SPD보완장치, 민감부하에 의무 설치

4. SPD 관련 규정

한국전기설비규정(KEC)

• 153 내부피뢰시스템 | 153.1.1 일반사항

1. 전기전자설비의 뇌서지에 대한 보호는 다음에 따른다.
가. 피뢰구역의 구분은 KS C IEC 62305-4(피뢰시스템-제4부:구조물 내부의 전기전자시스템)의 4.3(피뢰구역(LPZ))에 의한다.
....
….
….
2. 전기전자기기의 선정 시 정격 임펄스내전압은 표 213.2-1에서 제시한 값 이상이어야 한다.

• 표 213.2-1 기기에 요구되는 정격 임펄스 내전압

• 153 내부피뢰시스템 | 153.1.4 서지보호장치 시설

1. 전기전자설비 등에 연결된 전선로를 통하여 서지가 유입되는 경우, 해당 선로에는 서지보호장치를 설치하여 한다.
2. 서지보호장치의 선정은 다음에 의한다.
가. 전기설비의 보호는 KS C IEC 61643-12(저전압 서지 보호 장치-제12부:저전압 배전 계통에 접속한 서지보호 장치-선정 및 적용 지침)와 KS C IEC 60364-5-53(건축 전기 설비-제5-53부:전기 기기의 선정 및 시공－절연, 개폐 및 제어)에 따르며, KS C IEC 61643-11(저압 서지보호장치-제11부:저압전력 계통의 저압 서지보호장치-요구사항 및 시험방법)에 의한 제품을 사용하여야 한다.
……
3. 지중 저압수전의 경우, 내부에 설치하는 전기전자기기의 과전압범주별 임펄스내전압이 규정 값에 충족하는 경우는 서지보호장치를 생략할 수 있다.

KECG-9102:2015 저압 전기설비의 SPD 설치에 관한 기술지침

• VII. SPD의 선정 | 5. 전압보호레벨

SPD의 전압보호레벨은 설치 위치에 따라 보호대상기기의 임펄스내전압레벨 및 전원계통의 운전전압을 고려하여 결정한다.
KS C IEC 60364-4-44에는 저압기기에 요구되는 정격임펄스내전압에 대한 과전압 범주Ⅱ이하로 SPD의 전압보호레벨을 선정하도록 규정되어 있다.
즉, 어떠한 SPD의 설치조건에서도 과전압 범주 Ⅱ의 기기는 보호되는 전압보호레벨 이하이어야 한다.
220/380 V 전원계통에서 과전압 범주 Ⅱ의 기기에 가해지는 임펄스전압은 항상 2.5kV이하이어야 한다.
접속형식 2(CT2)를 적용할 때 상도체와 보호도체 사이의 전체 전압보호레벨을 적용한다.
요구되는 전압보호레벨을 하나의 SPD로 충족하지 못할 때는 추가로 SPD를 적용하여 전압보호레벨을 확보해야 한다.

한국전기안전공사 공통통합접지 검사업무처리방법

• SPD의 리드선 길이 및 굵기 | 3. SPD 시설기준

다. SPD 연결도체 길이 및 접지선 단면적
1) SPD의 연결도체 길이는 상전선에서 SPD와 SPD에서 주접지단자(또는 보호선)까지 가능한 50 cm 이하일 것, 다만 SPD의 연결도체 길이가 50 cm를 넘을 경우에는 연결도체의 전압강하를 고려하여 SPD전압보호레벨(Up)을 선정하고 연결도체의 전압강하를 포함하는 실효보호 레벨(Up/f )이 기기에 요구되는 임펄스 내전압(Uw)을 초과해서는 안 된다.

5. SPD 선정 및 설치

SPD 설치 필요성 판정

• KS C IEC 61643-12: 2023 저압 서지 보호 장치 제12부 : 저압 배전 계통에 접속한 서지 보호 장치 - 선정 및 적용 지침을 참고할 것

SPD 설치 위치

• 설비 인입구 또는 건축물 인입구와 가까운 장소
• 건축물 내에서 뇌보호영역(LPZ)이 변화되는 경계점
• 상도체와 주접지단자 간 또는 보호도체 간

SPD 설치 방법

• 모든 본딩은 저임피던스로 구성
• 리드선은 0.5 m 이하로 하고 접지극에 직결
• 리드선은 동선 10 mm2이상 (피뢰설비가 없을 때는 동선 4 mm2 이상)
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