서지보호기


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21세기 정보화시대에 들어서면서 컴퓨터의 대량 보급과 정보통신망의 광역화, 반도체 응용기기 등의 장비 보급이 증가 추세에 있으며, 이에 따라 전기품질 문제로 야기되는 기기의 장애 비용 규모도 점점 증가하고 있습니다. 최근 전기ㆍ전자기기의 반도체화는 기기의 소형, 경량, 다기능화를 목적으로 하여 가전, 통신, 산업기기 등 다방면에서 비약적으로 진보되고 있으며, 특히 고도 정보사회를 지향하는 멀티미디어 기기의 확대로 과히 눈부시다 할 정도로 발전되고 있습니다. 한편, 이들 전기ㆍ전자기기들에 내장되는 IC, LSI로 대표되는 반도체는 번개나 낙뢰 또는 전기 중장비의 시동이나 주전원 스위치 작동시에 발생하는 전압 임펄스와 전압 스파이크 같은 과도 서지전압(Transient Surge Voltage)에 극히 민감하여 기기의 오작동이나 파손 등이 초래되고 있습니다. 전기ㆍ전자기기의 시스템과 기능의 복합화 또는 기기들의 결합화에 의하여 이러한 문제는 더욱 두드러지고 있으며, 멀티미디어 기기의 고도 데이터 처리에 대한 신뢰성 요구가 매우 높아지면서 서지전압에 의한 기기의 장애는 중요한 문제가 되고 있습니다.

그림 Ⅰ-1은 전기ㆍ전자기기의 변천과 함께 서지 문제가 어떻게 나타나게 되었는지를 나타낸 것입니다. 여기서 중요한 것은 서지피해를 야기하는 서지 자체는 크기와 발생 빈도가 크게 변화하고 있는 것이 아니라, 서지피해의 문제는 오히려 전기ㆍ전자기기의 변천에 있음을 알 수 있습니다. 진공관 기기로부터 반도체 기기로 전환된 시대에는 반도체 자체의 저전압 동작, 저역(低逆) 내압에 의해 종래와 동일한 서지 전압에 대해서도 오작동, 파괴장해 등과 같은 문제가 나타나기 시작 하였고, 따라서 고도 정보시대에 대응하는 저전압 회로의 서지 대책이 시급히 요구되고 있는 것입니다.

서지(SURGE)란?

서지(Surge)는 원래 AC전압이 평상시의 공급전압 범위보다 5~20%정도 상승한 상태를 말하며, 그림 Ⅰ-2와 같이 AC전압의 싸인파형(Sine Waveshape) 사이클로 표현되고, 보통 8 Cycle 정도 지속하다가 사라집니다. 만약 전압 상승이 8 Cycle 보다 길게 지속되면 이는 과전압(Over-Voltage)으로 분류되고, 천분의 일초(Millisecond), 백만분의 일초(Microsecond), 십억분의 일초(Nanosecond) 단위의 시간대에서 수천 볼트까지 치솟는 임펄스나 스파이크 같은 전압상승현상은 과도서지전압이라고 부르는데 위에서 말한 서지와는 본질적으로 다르지만 서지 업계에서는 모두 서지전압이라 부르고 있습니다. 그림 Ⅰ-3에서 보는 바와 같이 임펄스 형태의 과도서지전압은 최대전압(Peak Voltage), 파형(Waveshape), 상승속도(Rise Time)로 표현됩니다.

전압 임펄스와 스파이크 같은 과도서지전압은 일종의 고주파 성격을 띠고 있으므로 변압기의 1차측에서 2차측으로 쉽게 뛰어 넘을 수 있고, 일단 장비의 전자회로에 침입하면 반도체 부품에 치명적인 손상을 입히게 됩니다.

서지의 발생원인

  • - 번개로 인한 서지의 발생
    전력 송배선 주위에서 번개가 치게 되면 전력선 또는 통신선 주위에 자장이 형성되면서 수천, 수만 볼트의 서지가 발생하게 되며, 발생된 서지는 전선을 통해 수십킬로 밖까지 전달됩니다.(그림 Ⅰ-4)

  • - 낙뢰로 인한 서지의 발생
    전신주에 낙뢰가 떨어지면 전신주에 설치된 피뢰기를 통하여 대부분의 서지는 땅으로 방전되지만, 일부의 서지에너지는 전선을 타고 양방향으로 전달됩니다. (그림 Ⅰ-5)

  • - 기타의 발생원인
    변전소에서 고압전력 공급선을 스위칭 할 때에는 최고 6,000볼트, 분전함 주전원 스위치를 작동할 때에는 최고 3,000볼트의 개폐 서지가 유입될 수 있습니다. 또한 중장비의 시동 시에도 최고 3,000볼트의 전압 임펄스가 발생하게 되며, 주위에서 아크용접기, 콤프레셔, 진공청소기, 사무기기 등을 사용할 때에도 400 ~ 1,000볼트의 임펄스와 노이즈가 발생하는 것으로 알려져 있습니다.
서지의 전달경로
  • 그림 Ⅰ-6에 나타나 있는 바와 같이, 번개나 낙뢰가 전신주에 떨어지면 각 전신주에 설치된 ①피뢰기를 통하여 땅으로 방전되기 시작합니다. 그러나 일시에 땅으로 방전되는 전류가 워낙 크기 때문에 전선과 땅 사이에는 100,000볼트 이상의 전위차가 발생하게 되며, 이는 전선을 타고 양방향 먼 곳까지 전달되게 됩니다. 전선을 타고 전달되는 동안 전신주에 설치된 ②다른 피뢰기에 의해 서지의 일부분은 다시 방전이 되고 ③변압기 1차측에 설치된 Gap Arrester에 의해 또다시 방전이 일어납니다. 나머지 잔류 서지는 변압기 2차측으로 ④배전반, ⑤분전함과 배선망을 통하여 사무실이나 일반 가정의 ⑥전원 콘센트로 유입되며, 이때 서지의 크기는 최고 6,000볼트 이하로 줄어들게 됩니다. 즉, 원발생지에서의 크기 100,000볼트는 출력지에서 6,000볼트 이하로 감소되는 것입니다.



  • 그림 Ⅰ-7은 IBM의 연구결과로써, IBM의 발표에 의하면 월 평균 120건 이상의 기기 장애를 일으킬 수 있는 유해전기가 전원선을 통해 유입되고 있으며, 이들 중 약 90%가 전압 임펄스나 스파이크와 같은 과도서지전압이라고 합니다. 따라서 전기 품질이 미국보다 취약한 우리나라에서는 이 보다 더 많은 과도서지전압이 매월 유입되는 것으로 추정됩니다.







위에서 살펴본 바와 같이, 서지로 인한 기기의 장애는 번개나 낙뢰로 인한 대형 서지전압뿐만 아니라 기타원인과 같은 생활 속 작은 서지전압들로 인해 서지가 전자기기에 자주 유입됨에 따라 IC반도체 회로의 수명이 단축되고 결국은 이유가 분명치 않은 고장이 자주 일어나게 되는 것입니다.

서지의 피해의 결과

첨단의 전기ㆍ전자기기들을 서지로부터 보호하지 않을 경우, 시스템에 다음과 같은 결과가 초래될 수 있습니다.

  • - 통신기기의 I/O카드, 네트워크 LAN카드 및 중요 IC칩의 파손
  • - 컴퓨터 및 첨단 제어기기의 반도체 부품의 파손
  • - 컴퓨터 및 통신기기의 오작동 또는 데이터의 손실
  • - 상기 사고들로 인한 전산업무의 마비, 정보 처리의 지연 및 고가 장비 보수로 인한 막대한 경제적 손실

서지보호기의 필요성

현대의 전기ㆍ전자ㆍ통신기기는 반도체 기술의 발달로 초고집적 IC칩으로 내장되어 있어 항상 서지전압의 피해로부터 무방비 상태로 노출되어 있고 실제로 그 피해가 날로 증가하고 있습니다. 이러한 이유 때문에 미국을 비롯한 선진국에서는 군과 산업체는 물론 일반 가정에서까지도 서지보호기가 널리 보급되어 서지전압에 의한 피해로부터 모든 전기ㆍ전자ㆍ통신기기를 보호하고 있습니다. 그러나 우리나라는 선진국과 비교해 볼 때, 아직 전기 및 통신 사정이 불안정한 실정임에도 불구하고 서지보호기의 필요성 인식과 보급은 매우 미약한 편입니다. 그 뿐만 아니라 최근 들어 세계적인 기후환경의 변화로 인해 어느 때보다도 천둥, 번개가 많은 현상이 나타나고 있어 여러 분야에서 전기ㆍ전자ㆍ통신기기의 잦은 고장과 순간적인 오작동의 빈도가 증가되고 있습니다. 이러한 상황에서 고가의 첨단 전기ㆍ전자ㆍ통신기기를 서지전압으로부터 안전하게 보호하기 위해서는 규격에 맞는 서지보호기의 선택과 설치가 최선의 방법이며, 일명 SPD(Surge Protective Device) 또는 TVSS(Transient Voltage Surge Suppressor)로 불리는 서지보호기의 설치를 통하여 전압 임펄스나 스파이크와 같은 과도서지전압이 기기에 도달하기 전에 미리 차단하여 기기를 안전하게 보호할 수 있습니다.

서지보호기 관련 규격

서지보호기의 제조사나 사용자가 서지보호기의 성능을 평가하기 위한 시험방법과 적용 요소들에 대한 공학적인 표준화는 업계에 끊임없이 요구되어 왔으며, 이러한 요구에 부응하여 IEEE, IEC, UL, ANSI 등과 같은 국제적인 전기ㆍ전자 관련 기관에서는 오랜 연구와 그 동안 쌓아온 여러 현장의 계측결과를 통하여 서지에 대한 표준화 작업을 수행하고 실험규정을 설정하여 서지보호기에 대한 성능 평가방법으로 사용하게 되었습니다. 서지 규격은 전자계 환경 하에서 발생하는 여러 형태의 서지를 전기ㆍ전자기기에 유입하여 그 특성상 실제 상황과 매우 유사한 형태로 재현이 가능한 가상의 서지파형을 규격화하여 시험방법을 정한 것으로써 서지 시험에 적용되는 파형은 크게 임펄스와 진동파형으로 구분됩니다.

임펄스
- 단극성파형(Unidirectional Waveshape)으로써 지수함수에 따라 상승하는 전압파두장(1.2×50㎲)과 전류파두장(8×20㎲)을 갖으며, "이중지수파형"이라 칭합니다.
진동파형
- 급격히 상승하는 파두치와 진동 감쇠하는 파미를 가지며, "Ring Wave"라 칭합니다. 0.5㎲/100㎑와 같이 파두장과 파미장의 감쇠 진동 주파수로 표시합니다.
  • 임펄스- 전압파형(Vollage Waveshape)

    그림 Ⅰ-8은 전압파형의 개략적인 형태입니다. 전압파형은 유도된 임펄스가 상승하기 시작하면서 최고치(Vpk)의 30%에서부터 90%까지 올라가는데 1.2㎲의 시간이 걸리고, 하강할 때에는 최고치의 50%까지 도달하는데 50㎲의 시간이 소요됩니다. 전압파형은 전류파형에 비해 상승시간은 짧으나 지속되는 시간은 두 배 이상 걸리는 특징을 갖습니다.





  • 임펄서 - 전류파형(Current Waveshape)

    전류파형(그림 Ⅰ-9)은 상승곡선 10%에서 최대전류치(Ipk)의 90%까지 도달하는데 8㎲의 시간이 걸리고, 하강곡선의 50%까지 떨어지는데 20㎲가 소요되는 특징을 갖습니다.






  • 진동파형(Ring Wave)

    그림 Ⅰ-10은 진동파형을 나타낸 것입니다. 전압파형(1.2×50㎲) 및 전류파형(8×20㎲)이 낙뢰, 전기사고, 대용량 설비의 스위칭 등 옥외 및 인입구에서 발생하는 서지인 반면, 진동파형(0.5㎲/100㎑)은 옥내에서 발생하는 서지라는데 차이가 있습니다. 컴퓨터나 기타 첨단 전기ㆍ전자기기에 직접적으로 영향을 미치는 것이 바로 이 진동파형이므로, 실제로 진동파형에 대해 어떻게 대처할 것인가를 고려한 설계기준의 설정이 임펄스의 경우보다 훨씬 더 중요합니다.




서지 시험규격

표 ㅣ-1.IEEE 587/ANSI C62.41 규격
Category 서지규격파형 장소
A 6KV/200A, 100kHz "Ring Wave" - 옥내 벽 콘센트
B 6KV/500A, 100kHz "Ring Wave" - 옥내 분전함
- 옥내 스위칭시 개폐 서지파형
6KV/3KA(1.2x50㎲/8x20㎲)"Impulse"
C 20KV/10KA(1.2x50㎲/8x20㎲)"Impulse" - 옥내 분전함
- 낙뢰,번개로 인한 간접뢰 서지파형
표 I-2. IEC 644 규격
Category 적용 서지규격파형
통신 및 전자장비 시험 500V/100A
가전제품 2.5KV/143A
중장비, 고정 설치된 장비 4KV/500A
분전함 장비 6KV/500A
6KV/3KA
표 I-3. UL 규격
Category 적용 서지규격파형 관리
UL 1449 TVSS AC라인 서지보호기 6KV/3KA(1.2x50㎲/8x20㎲)"Impulse" - 통과전압
UL 497A 전화라인 서지보호기 2KV/500A(2KV/Sec) - 메이커가 제시한 통과전압 확인(±25%)
UL 497B 데이터라인 서지보호기 1KV/10A(1KV/Sec) - 메이커가 제시한 통과전압 확인(±10%)
표 I-4. KS 규격
구분 적용 관리
KS C IEC 61643-1 저압 배전계통의 서지 보호장치 - 성능 및 시험방법
KS C IEC 61643-21 통신 및 신호망에 연결된 서지 보호장치 - 선능 요건과 시험방법

서지보호기의 선택기준

서지보호기용으로 사용되고 있는 부품은 Silicon Avalanche Diode(SAD), Metal Oxide Varistor(MOV) 및 Gas Tube Arrestor(GTA) 3종류가 있으며, 성능 및 기능상 각각 장단점을 지니고 있습니다.(표 Ⅰ-5) 따라서 서지보호기 설계시에는 각 부품의 장단점을 잘 조화시킨 하이브리드 시스템(Hybrid System)으로 설계하여야만 완벽한 성능과 기능을 가진 서지보호기를 만들 수 있습니다. 그러나 현재 국내에 시판되고 있는 저가의 국산 서지보호기는 대부분 MOV 한 개만으로 설계되어 있어 그 성능이 한정되어 있으며, 여러 차례 서지와 접촉할 경우 MOV의 성능이 약화되어 제 기능을 하지 못하는 경우가 많습니다. 그러므로 이러한 값싼 서지보호기를 구입하여 큰 서지로부터 컴퓨터나 기타 고가의 첨단 전기ㆍ전자기기의 피해를 막아보려 하는 것은 피뢰침 없이 고층빌딩을 낙뢰로부터 보호하려는 의도와 같다고 할 수 있습니다. 완전한 서지보호용 제품을 설계하고 그 제품을 구매하는 것은 고가의 첨단 장비 소유자들에게 있어서 전기장애의 피해로 부터 안전한 보험에 가입하는 것과 같다고 할 수 있을 것입니다. 따라서 이러한 완전한 서지보호기를 구입하려고 할 때에는 다음과 같은 성능의 유무를 반드시 확인할 필요가 있습니다.

  • - 다단계 보호기능을 위한 하이브리드 회로 설계인가?
  • - 보호기능의 작동상태를 실시간으로 확인할 수 있는 "표시등"은 존재하는가?
  • - 최대 잔류통과전압(Clamping Voltage)이 110VAC 전원용의 경우 500볼트이하, 220VAC 전원용의 경우 1,000볼트 이하인가?
  • - 안전하고 깨끗한 전기를 공급할 수 있는 EMI/RFI 노이즈 필터가 장착되어 있는가?
  • - 지락사고로 인한 과전압 유입시에도 장비를 안전하게 보호할 수 있는가?
  • - 전기 및 화재 안전을 위한 Circuit Breaker, 온도퓨즈 등이 장착 되어 있는가?
표 I-54. 서지보호기용 소자의 특성비교
구분 원리 서지전압
반응속도
서지에너지
흡수용량
용도
- Transorb 상하(P-N)에 일정치 이상의 전위치가 발생하면 P-N접촉 부분의
결정구조에 Charge되었던 전자의 상태가 변하면서 전류가 흐르게 됨
빠름(Picosecond) 1~2 joule 데이터
통신라인
제어신호라인
- Zinc-Oxide로 구성된 Variable resistor의 일종
- Zinc-Oxide 입자들 사이에 일정치 이상의 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 됨
보통(Nanosecond) 550~640 joule AC전원라인
DC전원라인
- Gas Tube의 두 금속면 사이에 일정치 이상의 전위가 발생되면 inert gas가
이온화 되면서 빛을 발하게 되고, 이때 두 금속면이 short되면서 전류가 흐르게 됨.
느림(Millisecond) 150 joule 이상 데이터
통신라인
전화라인