SPD: 한 번에 끝나는 것이 아닙니다 ⚡

화요일 새벽 2시입니다. 전화기가 탁자 위에서 울리고 발신자 번호는 공장의 야간 근무 감독자입니다. 가슴이 내려앉습니다. 결코 좋은 소식은 아닙니다. 한 시간 전에 천둥 번개가 이 지역을 지나갔지만 직접 타격을 입지 않았고 집의 전등도 깜빡이지 않았기 때문입니다. 하지만 관리자의 목소리는 불안했습니다. “3번 라인이 다운되었습니다. 메인 PLC, VFD 두 개, I/O 카드 절반이 타버렸습니다. 우리는 완전히 죽었습니다.”

저는 15년 넘게 선임 애플리케이션 엔지니어로 일하면서 이 이야기를 몇 번이나 들었는지 모를 정도입니다. 폭풍의 원인은 폭풍 자체가 아니라 폭풍이 전력선을 타고 내려오는 보이지 않는 살인자, 즉 일시적인 과전압 또는 우리가 흔히 전력 서지라고 부르는 것입니다. 이는 고에너지, 짧은 지속 시간의 전기 스파이크로 민감한 전자기기를 마이크로초 만에 마비시키거나 파괴할 수 있습니다. 새 PLC를 구입하는 데 드는 몇 천 달러가 아니라 생산 손실, 납기 지연, 긴급 수리 비용으로 인해 수만 또는 수십만 달러의 비용이 발생할 수 있습니다.

대부분의 시설은 외부 피뢰침 시스템을 갖추고 있기 때문에 안전하다고 생각합니다. 하지만 이는 화재를 유발하는 직접적인 충격으로부터 건물 구조를 보호할 뿐입니다. 전력, 데이터 및 통신 라인으로 전도되어 유도되는 대규모 전기 서지를 막는 데는 아무런 역할을 하지 못합니다.

이것이 바로 서지 보호 장치(SPD)가 들어오는 곳입니다. 하지만 제가 가장 자주 듣는 질문은 “어떤 것이 필요한가요? 그리고 어디에? 모든 패널에 SPD를 설치해야 하나요?”라는 질문입니다. 대답은 “예” 또는 “아니오”가 아닙니다. 정답은 다양한 유형의 SPD와 그 내부의 기술을 이해하는 데 뿌리를 둔 전략적인 답변입니다. 이 가이드는 서비스 입구에서 바닥에서 가장 민감한 장비에 이르기까지 서지 보호의 이유, 내용 및 위치를 심층적으로 안내합니다. 유형 1과 유형 2, 유형 3 SPD의 재료 비교.

기본 사항: 서지 보호기는 어떻게 작동하나요?

다양한 유형에 대해 알아보기 전에 SPD가 실제로 어떤 역할을 하는지 명확히 알아봅시다. 전기 시스템을 안정적이고 정상적인 수압(전압)을 유지하는 배관 시스템이라고 생각하세요. 서지는 갑작스럽고 거대한 물망치 폭발과 같아서 압력이 급증하여 배관이 파열되고 가전제품이 손상될 수 있습니다.

An SPD 는 압력 릴리프 밸브처럼 작동합니다. 정상적인 전압 조건에서는 아무 일도 하지 않고 높은 임피던스를 제공합니다. 그러나 특정 임계값(클램핑 전압) 이상의 전압 스파이크를 감지하면 즉시 매우 낮은 임피던스 경로를 생성하여 초과 에너지를 안전하게 접지로 전환합니다. 전압이 정상으로 돌아오면 “밸브'가 다시 닫힙니다. 이 모든 과정이 나노초 내에 이루어집니다.

급증은 크게 두 가지 원인에서 비롯됩니다:

1. 외부 수술: 낙뢰는 수 마일 떨어진 곳에서도 발생하는 큰 낙뢰나 전력망 전환 작업으로 인해 발생하는 경우가 많습니다. 엄청난 에너지를 전달하며 주 전기 서비스에 가장 큰 위협이 됩니다.
2. 내부 수술: 이러한 이벤트는 전체 일시적 이벤트 중 최대 80%를 차지할 정도로 훨씬 더 흔합니다. 이러한 이벤트는 모터, 펌프, HVAC 시스템 또는 용접기와 같은 대형 부하가 켜지고 꺼질 때마다 시설 내부에서 생성됩니다. 규모는 작지만 지속적으로 반복되면 시간이 지남에 따라 전자기기의 성능이 저하되어 무작위로 조기 고장이 발생하는 것처럼 보입니다.

이러한 위협은 외부와 내부에서 모두 발생하기 때문에 서지 보호기 하나만으로는 충분하지 않습니다. 가장 효과적인 전략은 “심층 방어”로 알려진 조율된 계층적 접근 방식입니다. 취수구의 거친 스크린이 큰 바위를 걸러내고, 하류의 미세한 필터가 침전물을 걸러내며, 수도꼭지의 최종 탄소 필터가 깨끗한 물을 보장하는 정수 시스템과 같다고 상상해 보세요. SPD는 동일한 계단식 방식으로 작동합니다: 한 번에 끝나는 것이 아닙니다.

계층형 또는 계단식 서지 보호 시스템.

SPD 계층 구조: 유형 1과 유형 2, 유형 3 SPD에 대한 심층 분석

업계에서는 UL 1449 및 IEC 62305 시리즈와 같은 표준에 따라 설치 위치와 처리하도록 설계된 서지의 종류에 따라 SPD를 “유형”으로 분류했습니다. 이에 대한 이해 유형 1 대 유형 2 대 유형 3 SPD 계층 구조는 강력한 보호 계획의 기초입니다.

1형 SPD: 최전방 수비수

유형 1 SPD는 시스템의 첫 번째 방어선입니다. 이는 유틸리티의 전력이 건물로 들어오는 서비스 입구에 설치되는 견고한 게이트키퍼입니다. “라인 측”(주 차단기 앞) 또는 “부하 측”(주 차단기 뒤)에 설치할 수 있지만, 가장 강력한 외부 서지를 처리하는 것이 주요 임무입니다.

• 위치: 주 서비스 입구, 주 배전반 또는 유틸리티 변압기.
• 목적: 직접 또는 근처의 낙뢰 및 주요 유틸리티 전환 이벤트로 인한 고에너지 과도 전류로부터 보호합니다.
• 주요 사양: 유형 1 SPD는 다음을 견딜 수 있는 능력으로 정의됩니다. 10/350µs 전류 파형, 를 임펄스 전류(Iimp)라고 합니다. 이 파형은 직접 번개 전류의 엄청난 에너지와 긴 지속 시간을 시뮬레이션합니다. 해일을 견딜 수 있도록 설계되었다고 생각하면 됩니다.
• 전문가 팁: 건물에 외부 낙뢰 보호 시스템(피뢰침)이 있는 경우 유형 1 SPD는 권장 사항일 뿐만 아니라 필수 사항입니다. 낙뢰 보호 시스템은 지면에 직접 충격을 안전하게 전달하도록 설계되었지만, 이 과정에서 유형 1 장치만 처리할 수 있는 대규모 서지가 전기 시스템에 유도될 수 있습니다.

유형 2 SPD: 시설의 주력 제품

유형 2 SPD는 가장 일반적인 유형으로, 시설 전체에서 서브 패널과 배전반을 보호합니다. 과전류 보호 장치(예: 회로 차단기)의 “부하 측'에 설치하도록 설계되었습니다.

• 위치: 배전반, 분기 패널 및 민감한 장비 피드.
• 목적: 유형 1 SPD 업스트림에 의해 “통과 된”잔류 서지 에너지를 전환하고 더 중요한 것은 자체 시설 내에서 발생하는 빈번한 서지를 클램핑하는 것입니다.
• 주요 사양: 유형 2 SPD는 다음을 사용하여 테스트됩니다. 8/20µs 전류 파형, 를 공칭 방전 전류(In)라고 합니다. 이 파형은 10/350µs 파형보다 상승 시간이 훨씬 빠르고 지속 시간이 짧아 내부에서 발생하는 해일과 외부에서 발생하는 해일의 특성을 시뮬레이션합니다. 방파제에 의해 주 파도가 부서진 후 항구 내부의 고르지 않고 예측할 수 없는 파도를 처리한다고 생각하면 됩니다.

타입 3 SPD: 사용 시점의 최종 폴리싱

유형 3 SPD는 보호하는 장비 바로 옆에 위치한 최종 보호 계층입니다. 서지 보호 멀티탭, 플러그인 어댑터에서 볼 수 있는 장치이거나 민감한 전자기기에 직접 내장되어 있는 경우도 있습니다.

• 위치: 콘센트 또는 장비 연결부에서 일반적으로 부하로부터 10미터(약 30피트) 이내입니다.
• 목적: 유형 2 SPD를 통과할 수 있거나 주변 장치에서 생성되는 작고 빠른 과도 상태를 클램핑합니다. 가장 필요한 곳에 매우 낮은 클램핑 전압을 제공한다는 것이 주요 장점입니다.
• 주요 사양: 타입 3 디바이스도 8/20µs 전류파로 테스트되지만, 대규모 에너지 처리보다는 저전력에 초점을 맞추고 있습니다. 전압 보호 등급(VPR) 또는 전압 보호 수준(상향). 이 등급은 장비가 노출될 수 있는 최대 전압을 나타내며 민감한 전자기기의 경우 이보다 낮을수록 좋습니다.
• 프로 팁: 유형 3 SPD에만 의존하지 마세요! 홍수를 막기 위해 커피 필터를 사용하는 것과 같습니다. 무거운 짐을 처리할 업스트림 유형 1 및 유형 2 장치가 없으면 큰 서지가 발생하면 유형 3 장치와 보호해야 할 장비가 즉시 파괴됩니다.

기능 비교: 유형 1 vs 유형 2 vs 유형 3

박스 내부 SPD 기술의 재료 비교

그렇다면 이러한 고속 전기 공학의 위업을 수행할 수 있는 장치 내부에는 실제로 무엇이 있을까요? SPD “유형”은 용도를 정의하지만, 실제 작동을 하는 것은 내부의 구성 요소 기술입니다. 소재의 선택에 따라 장치의 성능, 수명, 비용이 결정됩니다. 하이브리드 조합에 자주 사용되는 네 가지 주요 구성 요소가 있습니다.

1. 금속 산화물 배리스터(MOV)

MOV는 대부분의 유형 2 및 유형 3 SPD에서 볼 수 있는 서지 보호 세계의 확실한 주력 제품입니다. 이는 전압에 민감한 스위치처럼 작동하는 세라믹 반도체 장치(주로 다른 금속 산화물과 산화아연)입니다. 정상 전압에서는 입자 경계가 높은 저항을 생성합니다. 전압이 상승하면 이러한 경계가 나노초 만에 무너져 저항이 거의 0에 가깝게 떨어지면서 서지 전류를 접지로 차단합니다.

• 장점: 매우 빠른 응답 시간, 크기 대비 높은 에너지 흡수 능력, 상대적으로 저렴한 가격.
• 단점: 서지가 전환될 때마다 성능이 저하됩니다. 각 이벤트는 재료를 약간 변경하여 클램핑 전압을 낮춥니다. 시간이 지남에 따라 때로는 단락 상태에서 고장이 발생할 수 있습니다. 그렇기 때문에 MOV가 있는 모든 최신 SPD에는 수명이 다할 때 안전하게 분리할 수 있도록 열 퓨징 및 상태 표시기가 포함되어야 합니다.

2. 가스 방전관(GDT)

GDT는 불활성 가스로 채워진 작은 세라믹 튜브에 밀봉된 두 개 이상의 전극으로 구성된 간단하지만 강력한 장치입니다. 전극을 가로지르는 전압이 가스의 항복 전압을 초과하면 아크가 형성되어 저항이 매우 낮은 경로(가상 단락 회로)가 만들어집니다.

• 장점: 매우 높은 서지 전류를 처리할 수 있고(유형 1 애플리케이션에서 번개 수준의 이벤트에 이상적), 정전 용량이 매우 낮으며(데이터/통신 회선에 탁월), 매우 견고하여 MOV와 같은 방식으로 사용해도 성능이 저하되지 않습니다.
• 단점: MOV보다 반응 속도가 느립니다. 아크가 트리거되면 서지가 지나간 후에도 라인 전압이 아크를 유지하기에 충분한 한 “추종 전류”가 생성되어 아크가 계속 전도됩니다. 이는 AC 전원 라인에 장애를 일으킬 수 있으며 아크를 끄기 위해 2차 구성 요소(예: MOV 또는 퓨즈)가 필요한 경우가 많습니다.

3. 스파크 갭

스파크 갭은 원래의 “무차별” 서지 보호기입니다. 가장 간단한 형태는 작은 에어 갭으로 분리된 두 개의 도체일 뿐입니다. 번개와 같이 매우 높은 전압이 발생하면 아크가 갭을 뛰어넘어 전류를 전환합니다. 최신 “트리거 스파크 갭'은 세 번째 전극 또는 전자 회로를 사용하여 더 안정적이고 더 낮은 제어 전압에서 더 안정적으로 발화하는 더 발전된 버전입니다.

• 장점: 상상할 수 있는 최고 수준의 낙뢰 전류(Iimp > 100kA)를 처리할 수 있습니다. 믿을 수 없을 정도로 견고합니다.
• 단점: 매우 느리고 부정확한 트리거 전압이 발생하며 일반적으로 퓨즈 또는 차단기로 꺼야 하는 상당한 후속 전류를 생성합니다. 무차별 대입이 우선시되는 유틸리티 변전소 또는 주 서비스 입구의 고강도 유형 1 SPD에서 거의 독점적으로 발견됩니다.

4. 과도 전압 억제(TVS) 다이오드

TVS 다이오드는 초고속 제너 다이오드와 같은 반도체 장치로, 서지 보호용으로 특별히 설계되었습니다. SPD 세계의 정밀 기기이며 외과적 정확도로 전압을 클램핑합니다.

• 장점: 매우 빠른 응답 시간(피코초), 매우 정밀한 클램핑 전압, 반복 사용에도 성능이 저하되지 않습니다(정격 범위 내).
• 단점: 다른 기술에 비해 에너지 처리 능력이 훨씬 낮습니다. 민감한 보드 레벨 구성 요소를 보호하는 데 적합하며 종종 유형 3 장치에서 보호의 마지막 단계로 사용됩니다.

소재 기술 매트릭스: 한눈에 보는 비교

핵심 요점: 완벽한 SPD는 종종 단일 기술이 아니라 하이브리드 디자인 각각의 강점을 활용합니다. 고성능 유형 1 또는 유형 2 SPD의 일반적이고 매우 효과적인 조합은 대규모 에너지 처리를 위한 GDT 또는 스파크 갭과 응답 시간 및 클램핑 전압을 관리하는 MOV를 결합하여 무차별 보호와 빠르고 정확한 클램핑을 모두 보장하는 것입니다.

이론에서 실습까지: 3단계 선택 및 설치 가이드

이제 가장 중요한 부분인 이 모든 것을 시설에 어떻게 적용할까요? 좋은 디자인은 명확하고 논리적인 프로세스를 따릅니다.

1단계: 보호 구역 이해(LPZ 개념)

IEC 62305 표준은 낙뢰 보호 구역(LPZ)이라는 개념을 도입했습니다. 건물을 일련의 중첩된 상자로 생각하면 각 층이 더 많은 보호 기능을 제공합니다. 목표는 서지 에너지를 점진적으로 줄이기 위해 각 구역 전환의 경계에 SPD를 설치하는 것입니다.

번개 보호 구역(LPZ) 개념으로 구역 경계에 SPD 배치를 보여줍니다.

• LPZ 0: 건물 밖에서 직접 번개와 전자기장에 노출됩니다.
• LPZ 1: 건물 바로 안쪽, 첫 번째 보호 장치(유형 1 SPD) 뒤의 구역입니다.
• LPZ 2: 건물 내부의 더 깊은 곳, 2차 보호 장치(유형 2 SPD) 뒤에 있습니다.
• LPZ 3: 최종 장치(유형 3 SPD)로 보호되는 민감한 장치 주변의 바로 주변 영역입니다.

2단계: SPD 선택 의사 결정 트리

이 간단한 트리를 사용하여 선택 과정을 안내하세요.

3단계: 4가지 주요 설치 확인

수천 달러짜리 SPD 시스템이 엉성한 설치로 인해 무용지물이 되는 것을 본 적이 있습니다. 물리학은 용서하지 않습니다. 이 규칙을 종교적으로 따르세요.

1. 올바른 위치: SPD를 보호하는 패널이나 장비에 최대한 가깝게 배치하세요.
2. 짧은 리드 길이: 이것은 가장 중요한 단일 설치 규칙. SPD를 패널의 위상 및 접지 바에 연결하는 전선은 인덕턴스를 추가합니다. 전선의 모든 인치는 빠르게 상승하는 서지 동안 통과 전압을 증가시킵니다. 추가되는 전압은 피트당 수백 볼트가 될 수 있습니다! 프로 팁: 리드 길이는 어떤 경우에도 0.5m(약 20인치) 미만으로 유지하세요. 유도 루프를 줄이려면 위상선과 접지선을 함께 꼬아주세요.
3. 견고한 접지: SPD의 역할은 에너지를 지상으로 전환하는 것입니다. 접지 시스템이 열악하면(저항이 높으면) 에너지가 갈 곳이 없고 SPD가 제 역할을 할 수 없습니다. 임피던스가 낮은 단일 접지 기준이 있는지 확인하세요.
4. 적절한 과전류 보호: SPD는 회로 차단기 또는 퓨즈를 통해 연결해야 합니다. 이는 서지로부터 SPD를 보호하는 것이 아니라 드물게 수명이 다한 고장이 발생할 경우 전원에서 안전하게 분리하여 화재 위험을 예방하기 위한 것입니다. 이 차단기의 크기는 항상 제조업체의 권장 사항을 따르세요.

자주 묻는 질문(FAQ)

1. 멀티탭과 같은 타입 3 SPD만 설치하고 더 큰 SPD는 건너뛰어도 되나요?
아니요. 이는 흔하고 비용이 많이 드는 실수입니다. 유형 3 장치는 작은 잔류 서지만 처리하도록 설계되었습니다. 유틸리티 또는 근처의 낙뢰로 인한 큰 서지가 발생하면 이 장치와 연결된 장비가 파괴될 수 있습니다. 서지를 관리 가능한 수준으로 줄이려면 업스트림 유형 1 및 유형 2 장치가 필요합니다.

2. 서지 보호기를 교체해야 하는지 어떻게 알 수 있나요?
대부분의 최신 패널 장착형 SPD(유형 1 및 2)에는 상태 표시등 또는 기계식 플래그가 있습니다. 녹색은 일반적으로 작동 중임을 의미하며, 빨간색, 꺼짐 또는 다른 색은 보호 기능이 손상되어 장치를 교체해야 함을 의미합니다. 일부 고급 시스템에는 건물 관리 시스템에 연결할 수 있는 원격 모니터링 연락처도 있습니다.

3. 서지 보호기와 회로 차단기의 차이점은 무엇인가요?
회로 차단기는 다음을 보호합니다. 과전류-시스템이 지속적으로 너무 많은 전류를 소비하는 상태(예: 단락 또는 모터 과부하). 느리게 작동하는 열 자기 장치입니다. SPD는 다음을 보호합니다. 과전압-매우 빠르고 짧은 지속 시간의 전압 스파이크. 완전히 다르지만 똑같이 중요한 두 가지 보호 기능을 수행합니다.

4. 서지 보호기가 직접적인 낙뢰로부터 내 장비를 보호하나요?
어떤 장치도 구조물 자체에 대한 직접 타격으로부터 100% 보호를 제공할 수 없습니다. 올바르게 설치된 낙뢰 보호 시스템(LPS)이 직접 충격을 처리합니다. 유형 1 SPD는 다음과 같은 엄청난 전류를 처리하도록 설계되었습니다. 에서 전력선으로 전도됩니다. 그 파업. 이 두 가지는 완전한 시스템의 두 부분입니다.

5. kA 등급이 높을수록 항상 더 좋은가요?
어느 정도는요. kA 등급(Iimp 또는 In의 경우)이 높을수록 장치가 수명 동안 더 많은 서지 에너지 또는 더 많은 서지 이벤트를 처리할 수 있으므로 일반적으로 더 견고하고 오래 지속되는 장치를 나타냅니다. 그러나 노출 수준에 맞는 적절한 kA 등급이 정해지면 전압 보호 등급(VPR) 이상 는 민감한 전자기기를 보호하는 데 있어 더욱 중요한 요소가 됩니다.

6. 설치 리드 길이가 중요한 이유는 무엇인가요?
인덕턴스. 전선의 모든 센티미터에는 서지와 같은 급격한 전류 변화에 저항하는 인덕턴스가 있습니다. 이 저항은 전선을 따라 전압 강하를 일으킵니다. 서지가 발생하는 동안 이 전압은 SPD의 클램핑 전압에 추가되어 장비에 표시되는 총 전압을 증가시킵니다. 짧은 직선 전선은 이 추가 전압을 최소화합니다.

7. 뇌우가 자주 발생하는 지역에 SPD가 필요한가요?
네. 내부적으로 최대 80%의 서지가 발생한다는 점을 기억하세요. 모터, 컴프레서 또는 VFD가 사이클할 때마다 작은 서지가 발생합니다. 유틸리티 그리드 스위칭도 모든 곳에서 발생합니다. 이러한 이벤트는 전자 자산의 수명과 신뢰성을 떨어뜨리는 누적 손상을 유발합니다.

8. 패널 장착형 SPD를 직접 설치할 수 있나요?
자격을 갖춘 전기 기술자가 아니라면 전기 패널을 설치해서는 안 됩니다. 설치 작업에는 전기가 흐르고 있거나 흐르고 있을 가능성이 있는 전기 패널 내부에서 작업하는 것이 포함되므로 매우 위험합니다. 안전, 규정 준수 및 효율성을 위해 항상 전문가를 고용하세요.

결론: 그렇다면 모든 패널에 SPD를 설치해야 할까요?

다시 원래 질문으로 돌아가 보겠습니다. 정답은 무턱대고 SPD를 착용하지 않는 것입니다. 모든 패널을 설치하는 대신 전기 시스템의 모든 중요한 전환 지점에서 전략적으로 선택된 SPD입니다.

즉,

1. 무차별 대입 유형 1 디바이스로 시작하기 서비스 입구에 설치하여 외부에서 밀려오는 파도에 대비합니다.
2. 워크포스 유형 2 디바이스 추가 민감하거나 중요한 기계에 전력을 공급하는 주요 배전 패널에서 내부의 고르지 못한 파동을 처리합니다.
3. 정밀한 타입 3 장치로 마무리 가장 취약한 제어, 데이터 및 마이크로프로세서 기반 장비를 보호합니다.

의 차이를 이해함으로써 유형 1 대 유형 2 대 유형 3 SPD 토론을 통해 재료 비교 및 기타 기술을 활용하고, 세심하게 설계하고 정밀하게 설치하는 조율된 다계층 서지 보호 전략을 구현하면 치명적인 장애가 발생할 수 있는 상황을 비극적인 상황으로 전환할 수 있습니다. 전등이 깜빡일 수는 있지만 중요한 시스템은 온라인 상태를 유지하므로 다음 폭풍이 몰아쳐도 안심하고 잠을 잘 수 있습니다.