제141회 대비 예상문제 1세트

1. 정의

피뢰기(Lightning Arrester, LA)는 낙뢰 또는 개폐서지 등으로 인한 이상전압 침입 시 피보호기기의 절연을 보호하기 위해 이상전압을 대지로 방전시키고, 이상전압 소멸 후 속류(Follow Current)를 신속히 차단하여 계통의 정상 상태를 유지하는 보호장치이다.

2. 피뢰기의 원리 및 구성

(1) 동작 원리

이상전압 침입 시 피뢰기 단자 전압이 상승하면 즉시 대지로 뇌전류를 방전하여 피보호기기 단자 전압을 제어(제한전압)하고, 서지 통과 후 계통에서 공급되는 상주파 전류(속류)를 즉시 차단한다.

(2) 구조적 구성

🖼 [그림] 갭리스(ZnO) 피뢰기의 구조 및 V-I 비선형 특성 곡선

• 직렬 갭(Series Gap): 상시 전압 차단 및 방전 후 속류 차단 역할 (최근 갭리스형은 갭 없음).
• 특성 요소(Non-linear Resistors): $\text{ZnO}$(산화아연) 비선형 변저항체로, 대전류 시 저항이 매우 작아지고 상시전압에서는 고저항 상태를 유지함.

3. 피뢰기의 일반특성 4종류

피뢰기의 정격 및 절연협조를 결정하는 핵심 4가지 특성은 다음과 같다.

(1) 피뢰기 일반특성 4종류 비교 및 분석

구분	정의 및 개념	요구 조건 및 특징	관련 수식 / 기준
1. 정격전압 ($V_n$)	피뢰기 단자 간에 가할 수 있는 상주파 최고전압의 실효값으로서, 방전 후 속류를 확실히 차단할 수 있는 최고 전압	계통 단락 고장 시 건전상 전위 상승을 고려하여 설정하며 속류 차단 능력의 기준이 됨	$V_n=S\times \alpha \times V_m$ <br> ($S$: 접지계수, $\alpha$: 유도계수, $V_m$: 계통최고전압)
2. 방전개시전압	피뢰기 단자 간에 이상전압이 가해졌을 때 방전을 개시하는 전압 (충격 방전개시전압 / 상주파 방전개시전압)	피보호기기의 충격절연강도(BIL)보다 충분히 낮아 이상전압 침입 시 즉시 동작해야 함	$\text{충격 방전개시전압}<\text{BIL}$
3. 제한전압 ($V_r$)	피뢰기가 이상전압을 방전하고 전류(방전전류)가 흐르고 있을 때 피뢰기 단자 간에 남게 되는 전압의 충격 파두값	피보호기기의 절연을 보호하기 위해 BIL보다 충분한 여유(보호 마진)를 가지고 낮아야 함	$\text{보호 마진}=\frac{\text{BIL}-V_r}{\text{BIL}}\times 100\ge 20\%$
4. 공칭방전전류 ($I_n$)	피뢰기가 지정된 보호 성능을 유지하면서 방전시킬 수 있는 뇌전류의 피크값 ($8/20\mu \text{s}$ 표준충격파)	계통전압 및 뇌 발생 빈도에 따라 $2.5\text{kA}$, $5\text{kA}$, $10\text{kA}$ 등을 적용	표준파형: $8/20\mu \text{s}$ <br> (파두경과시간 $8\mu \text{s}$, 파밀경과시간 $20\mu \text{s}$)

4. 적용 사례 및 실무 적용 시 유의사항

(1) KEC 규정 및 절연내력 시험 관련 유의사항

• 접지공사 기준 (KEC 131): 피뢰기의 접지는 KEC 전로의 절연 원칙 예외 항목으로, 대지로부터 절연하지 아니하고 필수적으로 접지공사를 시행한다.
• 변압기 절연내력 경감 (KEC 135): $60\text{kV}$ 초과 계통의 변압기 중성점 또는 $170\text{kV}$ 초과 직접접지 계통 변압기 중성점에 피뢰기를 설치하는 경우, 절연내력 시험전압을 기본 배수 대비 경감($0.72$배, $0.64$배 등)하여 적용할 수 있다.

(2) 실무 시공 유의사항

• 리드선 최소화: 피뢰기 단자 및 접지선의 배선 길이를 최단 거리화하여 리드선 인덕턴스($L$)에 의한 전압강하($e=L\frac{di}{dt}$) 상승을 방지해야 한다.
• 최대 설치 거리 준수: 피뢰기와 피보호기기(변압기 등) 간의 거리가 멀어지면 뇌서지의 반사파로 인해 기기 단자 전압이 상승하므로, 허용 한계 거리 이내에 배치한다.

안전보건표지 (산업안전보건법 시행규칙)

1. 정의

안전보건표지란 유해하거나 위험한 장소·설비·물성에 대해 경고, 비상시 지시·안내, 안전의식 고취 등을 목적으로 근로자가 용이하게 식별할 수 있도록 설치·부착하는 금지·경고·지시·안내 등의 표찰을 말한다.

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2. 안전보건표지의 종류 및 색채 구성

구분	기본 색채	사용 목적	전기안전 관련 적용 예시
금지표지	바탕: 흰색, 테두리·사선: 빨간색	특정 행동의 금지	출입금지, 조작금지(LOTO)
경고표지	바탕: 노란색, 테두리·그림: 검은색	위험요인 경고	감전경고, 고압전기경고
지시표지	바탕: 파란색, 그림: 흰색	특정 행동의 의무 지시	절연장갑 착용, 절연화 착용
안내표지	바탕: 흰색, 그림·테두리: 녹색	안전상태·구호설비 안내	비상구, 절연용구 보관소

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3. 안전보건표지 설치기준 (3가지)

「산업안전보건법 시행규칙」 제38조에 의거한 설치기준은 다음과 같다.

1. 식별 용이성 확보: 근로자가 용이하게 식별할 수 있는 장소·설비 또는 물체에 설치·부착하여야 한다.
2. 견고한 고정: 흔들리거나 떨어지지 아니하도록 견고하게 설치·부착하여야 한다.
3. 시인성 유지 및 조명 조치: 안전보건표지의 성질상 부득이한 경우를 제외하고는 변형·훼손되지 않도록 유지하고, 야간 작업 시 식별이 가능하도록 야광물질을 사용하거나 별도의 조명장치를 설치하여야 한다.

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4. 안전보건표지 제작기준 (5가지)

「산업안전보건법 시행규칙」 제39조 및 [별표 8 ~ 별표 10]에 의거한 제작기준은 다음과 같다.

1. 규격 및 형태의 준수: 법에서 정한 표준 형태와 비율(기하학적 모양)을 준수하여 제작하여야 한다.
2. 색도기준(Color Specification) 적용: 표지 색상은 지정된 색도기준(Munsell 색표계 또는 CIE 색표계)에 맞추어 정확하게 제작하여야 한다.
3. 그림문자 및 글자 비례: 그림문자의 크기는 안전보건표지 전체 크기에 비례하여 식별이 용이하도록 제작하며, 문자는 한글로 표기하되 필요시 외국어를 병기할 수 있다.
4. 내구성 재질 사용: 쉽게 변색되거나 부식되지 않는 재료(금속판, 합성수지판, 아크릴 등)로 제작하여야 한다.
5. 야간/어두운 장소용 표지 처리: 조명도가 낮은 장소나 야간 식별이 필요한 표지는 반사재료, 야광물질을 사용하거나 조명장치를 내장하여 제작하여야 한다.

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5. 현장 실무 적용 시 유의사항 (전기안전기술사 관점)

1. 설치 위치 및 시선 높이 고려: 수변전실, 큐비클(Cubicle), 분전반 부근 설치 시 근로자의 표준 시선 높이인 지상 $1.5\sim 1.8\text{ [m]}$ 위치에 부착하여 시인성을 극대화한다.
2. LOTO(Lockout/Tagout)와 연계: 정비·점검 시 단순 안내 표지판 설치에 그치지 않고, 차단기 조작금지 표지와 함께 물리적 잠금장치를 병행 설치하여 착오 조작을 방지한다.
3. 환경적 요인 고려: 방폭지역 및 습기·가스 유해지역에는 부식에 강한 재질(STS304 이상 또는 특수 코팅 수지)을 선정하여 표지의 열화 및 시인성 저하를 예방한다.

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.