제138회 전기안전기술사

산업안전보건법 제38조 — 사업주 안전조치 대상

1. 정의

「산업안전보건법」제38조는 사업주가 기계·기구, 설비, 원재료, 가스, 증기, 분진 등에 의한 위험 및 작업 장소·방법에 의한 위험으로부터 근로자를 보호하기 위해 필요한 안전조치를 취하도록 의무를 부과한 규정이다.

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2. 안전조치 대상의 구성

법 제38조 제1항은 크게 3가지 위험군으로 안전조치 대상을 열거한다.

구분	위험 유형	주요 대상 예시
① 기계·기구·설비에 의한 위험	기계적 위험	프레스, 크레인, 절단기, 지게차 등 동력 기계
② 폭발성·발화성·인화성 물질에 의한 위험	화학적·물리적 위험	폭발물, 가스, 인화성 액체, 부식성 물질 등
③ 전기·열 또는 그 밖의 에너지에 의한 위험	에너지 위험	충전부 접촉, 아크, 정전기, 방사선, 소음 등

법 제38조 제2항은 작업 방법·장소에 의한 위험을 추가로 규정한다.

구분	위험 유형	주요 대상 예시
④ 굴착·채석·하역·벌목 등 작업	작업 방법 위험	토사 붕괴, 낙석, 물체 낙하·비래
⑤ 추락·붕괴 위험 장소	작업 장소 위험	고소작업, 굴착면, 발파 작업 장소
⑥ 산소결핍·유해가스 발생 장소	환경적 위험	밀폐공간, 맨홀, 지하 작업 공간

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3. 안전조치의 주요 특징

• 포괄적 열거주의: 특정 업종에 한정하지 않고 모든 사업주에게 적용
• 결과 책임 원칙: 조치 미이행 시 사업주에게 형사·행정 책임 부과 (제168조, 과태료·징역)
• 구체적 기준은 하위법령 위임: 세부 안전기준은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」에서 규정
• 전기 관련 적용: 충전부 방호, 접지, 절연, 누전차단기 설치 등이 ③항에 근거

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4. 실무 적용 시 유의사항

1. 위험성평가 연계: 법 제36조의 위험성평가 결과를 제38조 안전조치와 연계하여 이행 우선순위를 설정한다.
2. 전기설비 안전조치: KEC(한국전기설비규정) 기준에 따른 충전부 방호 (격벽, 덮개), 보호접지, 누전차단기 설치를 병행 적용한다.
3. LOTO(잠금·표지) 절차: 기계·전기 에너지 차단 시 「산업안전보건기준에 관한 규칙」제92조의 잠금장치·표지 절차를 준수한다.
4. 서류 증빙 관리: 안전조치 이행 기록(점검일지, 교육일지)을 보존하여 감독기관 점검 시 입증자료로 활용한다.
5. 도급 시 준용: 도급인은 수급인 근로자에 대해서도 동일한 안전조치 의무를 부담함(법 제63조)에 유의한다.

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🖼 [그림] 산업안전보건법 제38조 안전조치 대상 3대 위험군 및 작업 위험 분류 체계도

1. 정의

변압기 절연유(Transformer Oil)란 변압기 내부 권선 및 철심을 침전시켜 권선 상호 간 및 권선과 대지 간의 전기적 절연을 확보하고, 운전 중 발생하는 손실(철손, 동손)에 의한 열을 대류 작용으로 외부에 방출하는 액체 절연 매체이다.

2. 변압기 절연유의 역할 및 냉각 원리

1) 절연유의 주요 역할

• 전기적 절연(Insulation): 고전압 전로 간 또는 전로와 외함(대지) 간의 절연내력 유지
• 냉각 작용(Cooling): 권선 및 철심에서 발생하는 발생열을 외함 및 방열기로 전달(자연대류 또는 강제순환)
• 열화 방지 및 消弧(소호) 작용: 권선의 산화 방지 및 내부 국부 방전 발생 시 아크 소호

2) 열전달(냉각) 기본 원리

절연유의 대류에 의한 열전달량 $Q$는 다음과 같이 표현된다.

$$Q=h\cdot A\cdot (T_s-T_{\infty })\text{[W]}$$

(여기서, $h$: 대류열전달계수 ${\text{[W/(m}}^2\cdot \text{K)]}$, $A$: 전열 면적 ${\text{[m}}^2\text{]}$, $T_s$: 철심 및 권선 표면 온도 ${\text{[}}^{\circ }\text{C]}$, $T_{\infty }$: 절연유 평균 온도 ${\text{[}}^{\circ }\text{C]}$)

3. 절연유가 갖추어야 할 구비조건

구분	항목	상세 요구조건 및 이유
전기적 특성	절연파괴전압(BDV)	절연파괴전압이 높을 것 (절연 파괴 방지)
유전정접($\tan \delta$)	$\tan \delta$가 작을 것 (유전체 손실 및 발열 방지)
열·물리적 특성	인화점(Flash Point)	인화점이 높을 것 (화재 및 폭발 위험 최소화)
응고점(Pour Point)	응고점이 낮을 것 (동절기 저온 상태에서도 유동성 유지)
점도(Viscosity)	점도가 낮을 것 (대류 작용에 의한 냉각 효율 증대)
화학적 특성	산화 안정성	산화 안정성이 우수할 것 (슬러지 생성 및 산가 상승 방지)
수분 및 부식성 유황	수분 및 부식성 유황 성분이 없을 것 (절연성 저하 및 금속 침식 방지)

4. 실무 적용 시 유의사항 (KEC 규정 기준)

한국전기설비규정(KEC 311.7 절연유 누설에 대한 보호)에 따라 환경보호 및 화재·유출 사고 예방을 위해 다음 사항을 준수하여 시공·관리하여야 한다.

1) 옥내기기의 절연유 유출방지설비

• 유출방지 턱 및 보존구역: 누설 절연유가 스며들지 않는 바닥 구조에 유출방지 턱을 시설하거나 건축물 내 지정된 보존구역으로 집유한다.
• 용량 산정: 유출방지 턱의 높이 및 보존구역 용량은 기기의 절연유량뿐만 아니라 화재보호시스템의 용수량을 고려하여 산정한다.

2) 옥외설비의 절연유 유출방지설비

• 선정 고려요소: 기기 내부 절연유량, 우수(비), 화재보호시스템 용수량, 근접 수로 및 토양조건을 종합적으로 고려한다.
• 집수탱크 용량: 집유조 및 집수탱크 시설 시, 집수탱크는 최대 용량 변압기의 유량에 대한 집유능력을 보유해야 한다.
• 침투 방지 및 배수: 벽, 집유조, 집수탱크 관련 배관은 액체가 침투하지 않는 구조여야 하며, 자연배수 및 강제배수가 가능하고 물 유입으로 용량이 감소하지 않아야 한다.
• 수질 및 토양 보호: 바닥 유출을 방지하고 배출 액체는 절연유 비중을 고려한 유수분리장치를 거치도록 시설한다.

1. 개요

피뢰기(Lightning Arrester, LA)는 낙뢰에 의한 뇌서지(Lightning Surge) 및 계통 내 개폐작용에 의한 개폐서지(Switching Surge) 등 이상전압이 전로에 침입했을 때, 이를 대지로 신속히 방전시켜 변압기 등 전력설비의 절연파괴를 방지하고, 이상전압 소멸 후 계속하여 흐르는 상용주파수의 속류(Follow Current)를 신속히 차단하여 계통의 정상적 운전 상태를 유지시키는 보호장치이다.

전기설비기술기준 및 한국전기설비규정(KEC)에서는 전력계통의 절연협조(Insulation Coordination) 및 안전 확보를 위해 피뢰기의 적정한 선정과 정확한 위치 시설을 엄격히 규정하고 있다. 본 답안에서는 피뢰기의 기본 이론과 역할, 공칭방전전류, 설치위치, 제한전압, 구비조건에 대하여 체계적으로 논술하고자 한다.

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2. 이론 및 원리

2.1 피뢰기의 전압-전류 비선형 특성

현대 피뢰기에 주로 사용되는 산화아연(ZnO) 소자는 우수한 비선형 전압-전류 특성을 가진다. 상용주파 전압 하에서는 절연체에 가까운 높은 저항을 유지하여 누설전류를 극히 제한하지만, 대용량 서지 침입 시 저항값이 급격히 감소하여 대전류를 대지로 방전시킨다.

$$I=k\cdot V^{\alpha }$$

• $I$: 방전전류 $\text{[A]}$
• $V$: 피뢰기 인가전압 $\text{[V]}$
• $k$: 소자 정수
• $\alpha$: 비선형 계수 (ZnO 소자의 경우 $\alpha \approx 30\sim 50$)

🖼 [그림] 산화아연(ZnO) 소자의 전압-전류(V-I) 비선형 특성 곡선 및 속류 차단 특성 그래프

2.2 서지 진행파와 피뢰기 이격거리 방정식

피뢰기와 피보호기기(변압기 등) 사이에 거리가 존재하면 진행파의 반사 현상에 의해 피보호기기 단자에 피뢰기 제한전압보다 높은 과전압이 인가된다. 피보호기기에 가해지는 단자전압 $V_p$는 다음과 같은 수식으로 나타낸다.

$$V_p=V_a+\frac{2\cdot e\cdot l}{v}$$

• $V_p$: 피보호기기 단자의 침입 과전압 피크값 $\text{[kV]}$
• $V_a$: 피뢰기의 제한전압 $\text{[kV]}$
• $e$: 침입 서지 전압의 파두 상승률 $\text{[kV/μs]}$
• $l$: 피뢰기와 피보호기기 간의 거리 $\text{[m]}$
• $v$: 서지의 전파속도 (가공선로 약 $300\text{ [m/μs]}$, 지중케이블 약 $150\text{ [m/μs]}$)

상기 수식에 의해 피뢰기와 피보호기기 간의 이격거리 $l$이 가깝게 설치될수록 피보호기기에 인가되는 과전압 $V_p$가 감소하여 유효 보호거리가 확보됨을 알 수 있다.

2.3 절연협조(Insulation Coordination) 매커니즘

피뢰기는 계통 내 기기 절연설계의 최저 기준이 된다. 피뢰기의 제한전압을 기준으로 변압기 등의 기준충격절연강도(BIL)를 결정하며, 절연 여유율(Insulation Margin)은 최소 $20\text{ [\%]}$ 이상 확보해야 한다.

$$\text{Insulation Margin [\%]}=\frac{\text{BIL}-V_a}{V_a}\times 100\ge 20\text{ [\%]}$$

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3. 상세 내용

3.1 피뢰기의 역할(목적)

1. 뇌서지 및 개폐서지 흡수 및 방전: 가공전선로에 침입하는 직격뇌, 유도뇌 및 차단기 개폐 시 발생하는 유도성/단락성 서지전압을 대지로 신속히 방전시켜 전력기기의 절연 파괴를 예방한다.
2. 속류(Follow Current) 신속 차단: 서지 방전 후 계통의 상용주파 전압에 의해 전압 제로점에 이르기 전 계속 흐르려는 속류를 확실하게 차단하여 지락 사고로의 확전을 방지하고 계통 정전을 막는다.
3. 절연레벨 경감 및 절연협조 체계 구축: 제한전압을 낮춤으로써 변압기 등 주요 기기의 BIL을 경감시켜 변전소 전체 설비의 경제성과 신뢰성을 확보한다.

3.2 공칭방전전류 (Nominal Discharge Current)

1. 정의: 피뢰기에 흐르게 하는 방전전류의 파두시간과 파밀시간이 $8/20\text{ [μs]}$인 파형의 충격전류 피크값을 의미한다.
2. 적용 기준 및 규격 분류: 피뢰기 설치 장소의 뇌류 발생 빈도 및 계통 전압 레벨에 따라 공칭방전전류를 구분 적용한다.

구 분	공칭방전전류 $\text{[kA]}$	주 요 적 용 장 소
154 kV 이상 계통	$10\text{ [kA]}$ (대용량)	발·변전소 인입/인출구, 낙뢰 빈도 극심 지역
66 kV 이하 계통	$10\text{ [kA]}/5\text{ [kA]}$	일반 변전소, 수전설비 인입구
배전선로 계통	$5\text{ [kA]}/2.5\text{ [kA]}$	배전선로 가공선/지중선 접속점, 배전용 변압기

🖼 [그림] 피뢰기 공칭방전전류 충격파형($8/20\text{ [μs]}$) 표준 파형도

3.3 설치위치 (KEC 기준 및 전력계통 기준)

피뢰기는 뇌서지 전입로에 가깝고 피보호기기와 인접한 위치에 설치해야 한다.

1. KEC 451.3(피뢰기 설치장소) 규정:

   • 변전소 인입측 및 급전선 인출측
   • 가공전선과 직접 접속하는 지중케이블에서 낙뢰에 의해 절연파괴의 우려가 있는 케이블 단말
   • 설치 주의사항: 피뢰기는 가능한 한 보호하는 기기와 가깝게 시설하되 누설전류 측정이 용이하도록 지지대와 절연하여 설치한다.

2. 일반 전력계통 및 수전설비 설치장소:

   • 발전소·변전소 또는 이에 준하는 장소의 가공전선 인입구 및 인출구
   • 가공전선로에 접속하는 배전용 변압기의 고압측 및 특고압측
   • 가공전선로와 지중전선로가 접속되는 곳
   • 고압 및 특고압 수용가의 인입구

3. 피뢰기와 피보호기기 간 최대 유효 이격거리:

계통 전압 $\text{[kV]}$	피뢰기와 변압기 간 최대 허용거리 $\text{[m]}$
$22.9\text{ [kV]}$	$20\text{ [m]}$ 이하
$66\text{ [kV]}$	$45\text{ [m]}$ 이하
$154\text{ [kV]}$	$65\text{ [m]}$ 이하

3.4 제한전압 (Residual Voltage)

1. 정의: 피뢰기 방전 중 전류가 흐르고 있을 때 피뢰기 양 단자 사이에 남게 되는 충격전압의 단자전압 피크값이다.
2. 기술적 의미:
   • 피뢰기 동작 중 피보호기기가 실제로 받게 되는 전압의 최고치이다.
   • 따라서 제한전압은 피보호기기의 BIL(기준충격절연강도)보다 훨씬 낮아야 절연 파괴를 막을 수 있다.
   • KEC 451.4에 의하면 밀봉형을 사용하고 유효 보호거리를 증가시키기 위하여 방전개시전압 및 제한전압이 낮아야 함을 명시하고 있다.

3.5 피뢰기의 구비조건

KEC 451.4(피뢰기의 선정) 및 기술적 구비조건은 다음과 같다.

1. 낮은 충격방전개시전압 및 낮은 제한전압: 서지 침입 시 신속히 동작하고 방전 중 단자전압을 낮게 유지할 것.
2. 높은 상용주파 방전개시전압: 정상 운전 전압 및 지속성 과전압(1선 지락 등)에는 피뢰기가 동작하지 않을 것.
3. 우수한 속류 차단 능력: 서지 방전 종료 후 지속되는 상용주파 속류를 확실하게 차단할 것.
4. 큰 방전 내량 및 반복 동작 내구성: 대전류 서지에 견디며 다수의 반복 동작에도 특성 변동이 없을 것.
5. 밀봉형 구조 및 지지대 절연: 외부 환경(습기, 오염)에 견디는 밀봉형 구조이고, 누설전류 측정이 용이하도록 지지대와 절연되어 설치될 것.
6. 속류차단 성능의 안정성: 변전소 근처 단락전류가 큰 장소에서도 회로조건의 영향을 받지 않고 신속·확실하게 속류를 차단할 것.

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4. 실무 적용 / 사례

4.1 수전설비 및 변전소 피뢰기 배치 실무

수전전압 $22.9\text{ [kV-Y]}$ 특고압 수전설비 설계 시 옥외 인입구 CABLE HEAD(TR-CNCEV) 단말부와 주변압기(TR) 1차 측에 피뢰기를 각각 분리 배치하거나, 이격거리가 $20\text{ [m]}$ 이내인 경우 인입구 1개소에 전용 피뢰기(LA)를 통합 설치하여 신뢰성과 경제성을 확보한다.

🖼 [그림] 특고압 수전설비 단선도(Single Line Diagram) 내 피뢰기(LA) 및 절연 지지대 시설 위치도

4.2 누설전류 측정용 절연 지지대 및 누설전류계 설치 사례

KEC 규정에 의거하여 피뢰기 하부 지지철구와 피뢰기 베이스 사이에 에폭시 절연 스페이서를 삽입 설치한다. 이를 통해 피뢰기 접지선으로 유도되는 저항성 누설전류($I_r$) 및 용량성 누설전류($I_c$)를 활선 상태에서 안전하게 측정·진단할 수 있도록 조치한다.

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5. 문제점 및 대책

5.1 ZnO 소자의 열화(Aging) 및 열폭주(Thermal Runaway)

• 문제점: 피뢰기 내 산화아연(ZnO) 소자는 지속적인 상용전압 인가, 임펄스 서지 인가, 수부 침투 등에 의해 열화가 진행되며, 저항성 누설전류 $I_r$이 급증하여 손실 전력이 증가한다. 손실 전력으로 인한 발열이 방열 능력을 초과하면 열폭주(Thermal Runaway)로 이어져 피뢰기 폭발 및 단락사고가 발생한다.
• 대책:
  1. 누설전류 모니터링: 누설전류 측정기를 통해 저항성 누설전류 $I_r$(3차 고조파 성분 분석)을 정기 점검.
  2. 밀봉도 확보: 완전 밀봉형(Sealed Type) 소자 채택 및 폴리머(Polymer) 하우징 피뢰기 적용으로 내습성 증대.

5.2 피뢰기 리드선 긴 길이에 따른 과전압 문제

• 문제점: 피뢰기의 상부 리드선 및 하부 접지선 길이가 길어지면, 리드선의 인덕턴스 $L$에 의해 급준파 서지 통과 시 $L\cdot \frac{di}{dt}$ 과전압이 제한전압에 추가되어 기기 절연에 악영향을 미친다.
• 대책:
  1. 피뢰기 배선 리드선 및 접지선 길이를 최단거리(최대 $0.5\sim 1\text{ [m]}$ 이내)로 최적화 시공.
  2. 직선 배선을 원칙으로 하고 급격한 굴곡을 배제.

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6. 결론 (기술사로서의 견해)

피뢰기(LA)는 전력계통 및 정밀 전기설비의 절연협조를 결정짓는 핵심 보호장치로서, 단순히 설치 유무만을 따지기보다는 계통 조건에 맞는 최적 선정이 요구된다.

1. 규정 준수 및 안전 설계: KEC 451.3 및 451.4 기준을 철저히 이행하여 지중/가공 접속점 및 주요 변전기기 근접 위치에 제한전압이 낮은 밀봉형 피뢰기를 절연 지지대와 함께 올바르게 시설해야 한다.
2. CBM(상태기반 보전)으로의 패러다임 전환: 전통적인 주기적 교체 방식에서 벗어나, 3차 고조파 분석 방식의 저항성 누설전류 측정기 및 IoT 기반 실시간 진단시스템을 도입하여 열화에 의한 열폭주 사고를 미연에 방지해야 한다.
3. 종합적 서지 방호 대책: 고압 전력계통의 피뢰기(LA)와 저압 제어/통신 계통의 서지보호장치(SPD) 간 체계적인 절연협조 및 등전위 본딩을 통합 구축함으로써 전체 전력설비의 전기적 안전성을 완벽히 확보하는 것이 기술사로서의 핵심 역할이다.