영어 : Surge Protector
러시아어 : Сетевой Фильтр
프랑스어 : Parafoudre
1. 개요
한국전기설비규정(KEC)에서는 서지보호장치라고 부르며, Surge[1]로부터 전력설비를 보호하는 장비를 서지 보호기라고 한다. 낙뢰, 지락, 혹은 전기시공상의 문제로 인해 종종 순간적으로 과전압이 유입되는 사고가 생기곤 하는데, 이 과전압이 회로로 유기되면 회로의 설계 전압을 초과하면서 회로가 고장나거나, 오작동하거나, 심지어 아예 타버리는 등 영 좋지 않은 결과로 이어지게 된다.서지란 쉽게 말하면, 가정용 공급되는 220V 60Hz 교류에 낙뢰나 스위치 개폐나 모터류 등으로 인해 220V가 아닌 그 이상의 전압과 그에 동반되는 높은 에너지를 가진 비정상 파형이 순간적으로 들어오는 경우라 할 수 있다. 번개치고 가전제품 고장난 경우가 낙뢰가 전신주 근처를 때려서 전력선이나 통신선으로 낙뢰의 에너지가 유기된 경우이다. 전력선은 그래도 지역 배전설비의 보호를 받기라도 하는데 통신선은 별다른 보호를 받지 못하는 경우가 많기 때문에 서지에 더욱 취약하다. 도시든 깡촌이든 가정에는 이렇게 보호되지 않은 통신선이 들어오기 때문에, 전력망의 전력 품질이 안정적이어도 서지로부터 전혀 안전하지 않다.
과거에는 대규모 전력설비에나 사용하였지만, 전력망이 극도로 복잡해져 가정에도 불량전류가 들어오는 일이 잦아졌을 뿐더러, 가정용 전자기기들도 굉장히 정밀화되었고 가격도 비싸져 범지구적 필수품이 취급되고 있다. 한국에서는 비교적 생소했던 장비이지만, 한전도 툭하면 불량 전류를 유기시켜 난리가 나는 일이 매우 흔해졌고, 애초에 툭하면 그 놈의 낙뢰에 기기가 뻗는 게 일상인 나라이기에 예외 없이 필수 장비로 구비하는 게 좋다. 인터넷 등 통신선용 서지 보호기와 전력선용 보호기는 당연히 따로 구비해야한다.
전기 품질이 조금이라도 불안정하다 싶은 나라에서 이게 없으면 큰일난다. 전압이 튀어서 전자제품을 홀라당 잡아먹히는 일이 아주 흔하다. 실제로 오지여행기를 보면 기껏 큰 돈 들여 TV, 컴퓨터, 가라오케 등을 사놨는데 망가진 채 방치 중인 현지인 집안 이야기가 한둘씩 보인다.
하도 이런 전력 품질 불량이나 낙뢰로 인한 고장이 잦은 탓에, 많은 전자기기는 전원 인입회로 규격에 쥐꼬리만큼이나마 서지 보호소자가 기본 내장되어 있다. 설계된 수명보다 빨리 고장나면 곤란한 백색가전이나, 몸값이 비싼 PC들이 대표적인 경우.[2] 물론, 많이 들어가봐야 MOV 몇 개, GDT 몇 개, TVS 다이오드 몇 개로 눈가리고 아웅 수준이지만, 이 허술하기 짝이 없는 소자 몇개 덕분에 기기 전체가 노릇노릇하게 구워질 상황에서 구원받는 일이 많다. 물론 전원부는 얄짤 없이 황천행이고 교체비로 수십만원은 깨지겠지만.[3]
2. 전원장애와 서지
전력망에는 본래 항상 깔끔한 교류전원이 흐르고 있어야 한다. 현실의 송배전망은 각종 천재지변부터 전력사 과실 및 본인 과실까지 다양한 위험에 노출되어 있으며, 이로인해 많은 전원장애가 발생한다. 정전도 전원장애의 하나다.정전압 정주파수 정파형이 유지되지 못하고 무언가 틀어지면 그게 전부 전원장애인데, 분류가 따로 되어 있는 전원장애들은 다음과 같다.
- 정전
- Sag : 순간적인 정전. 대략 10cycle[4] 내외의 시간 동안 매우 깔끔하게 전원이 안들어오다 다시 뭔 일이 있었냐는듯이 매우 깔끔하게 전원이 들어오는 전력장애다. 새그의 주요 특징으로 후속적인 장애 없이 정말 깔끔하게 아주 잠깐 전기가 끊어진다. 이로 인해 유도되는 장애로는 전압백터가 ∮=90˚ 일 때 끊어질 경우 발생하는 강력한 Back EMF와 잠깐 끊어지기 때문에 발생하는 불연속성에 의한 장비 불일치가 있다. 전자의 경우는 프로텍터를 때려박아 해결할 수 있지만, 후자의 경우는 프로그램으로 치자면 하이젠버그급의 장애여서 찾기가 매우 힘들다.[5]
- Frequency Shift : 약간의 시간동안 전류가 밀리거나 당겨지면서 평균시간에 의한 주파수는 상전과 동일하나, 각속도로 쪼개었을 때 주파수가 높아지거나 낮아지는 장애다. 큰 문제를 일으키지 않는다.
- Over Voltage : 과전압
- Under Voltage : 저전압
- Surge.
요렇게 아주 잠깐 전압이 튀는 걸 Surge라 한다.
고조파다. [6]
대체적으로 회로의 상용전압보다 2배 이상 높아지면 surge라고 부르며, 통상적인 회로 설계 관례에선 1.5배 이상의 과도전압을 surge 라고 부른다.
서지의 유형은 대표적으로 다음 3가지가 있다.
- 낙뢰, 유도뢰, 기타 직류고압에 의한 impulse 형 서지
표준 파형이 있으며, 보통 서지의 95%가 impulse 형 서지로, 서지 사고가 났다하면 대부분 이 예시와 파형이 거의 일치할 정도로 흔한 서지 유형이다.
- 순간적인 고조파 합성에 의해 유기되는 서지.
정말로 보기 드물다. 고조파가 회로에 섞여들어갈 때 고조파의 파고치와 원래 있던 f=1의 파고치가 더해지면서 발생하는 서지다.
- 파형이 밀리면서 발생하는 서지
백터 해석시 RMS(실효) 전압이 약간 올라간 유형.
이 외에도 단전이 일어날 때도 전압이 튀면서 서지가 발생한다. 정전이 잦은 지역에서도 서지 보호기가 필수품인 이유다.
3. 서지 프로텍터의 매우 기본적인 작동
정전 없이 상용전원에서 고전압분만 제거한 안전범위의 전압을 회로에 공급할 수 있도록 하는 게 목표다.3.1. 고전압 임펄스 감지
GDT, TVSS, 기타 Zn소자들은 일정한 문턱값을 가지고 전원과 연결되어 있으며, 반대쪽은 접지와 연결되어 있다. 이 때 회로에 일반전압이 공급될 경우 소자들은 자신들의 문턱값 이내의 전압이 들어가기 때문에 전류가 흐르지 않게 된다. 그러나, 고전압이 약간이라도 튀면 문턱값을 넘어서면서 프로텍터의 회로가 가동되게 된다.GDT의 경우는 내부에 네온, 아르곤 등의 비활성 기체나 수소 같은 기체를 이용하는데, 기체 원소마다 특성이 달라지므로 제품 라인업이 여러가지이다. 원리는 네온램프나 수은등을 작동시키기 위해 고전압을 걸어줘야 하는 것을 생각하면 이해가 빠르다. GDT는 MOV에 비해 캐패시턴스 값이 적으므로 통신선에 주로 사용된다.
3.2. 고전압으로 인한 전류를 접지로 방전
당해 회로들이 점호, 혹은 개통되면 접지와 전원선로가 전기적으로 연결되며 과도전류가 접지로 방전되기 시작한다. 이 때 각 소자별로 유지전압이 있어 방전 중에는 유지전압만큼의 전압이 계속 회로에 흐르게 된다. 그래서 정전 없이 서지를 제거할 수 있다.3.3. 방전 이후 복귀
서지가 지나간 이후에 소자의 복귀전압만큼 전압이 떨어지면 소자는 소호되며, 다시 절연상태를 유지하여 대기상태에 들어간다. 그러나 흘러간 이상전류가 소자의 용량을 초과한다면 발열로 인하여 구성재료가 연소할 수 있다.4. 서지 프로텍터의 복잡한 작동원리
서지 프로텍터의 차단소자와 방류소자는 다양한 종류, 다양한 용량으로 구성되어 있으며 회로와 접지 사이에 끼여있기도 하며 회로와 병렬 혹은 직렬로 물려 있기도 한다. 이는 다분히 소자들의 역할이 다르기 때문이며, 보호하고자 하는 회로에 적절한 구성의 소자가 서지 프로텍터의 구성에 사용된다.4.1. 전압 제한형
ZnO, 바리스터, MOV를 필두로 대부분의 서지 프로텍터가 사용하는 방법이다. 이 소자는 회로와 병렬로 연결되어 있으며, 부품의 Vc[7] 이상에서 저항값이 급격히 낮아짐을 이용해 과도전압을 제한한다.
즉, 전원 공급은 지속되면서 전압만 MOV 문턱값 아래로 제한시키는 것이다.
4.2. 전류 방전형
GDT, GTA, 대형 MOV 를 필두로 역시 대부분의 서지 프로텍터가 사용하는 방법이다. 같은 원리로 CM 구성에서 사고전류를 땅으로 보내버린다.전압 제한형이 전원 공급은 지속되면서 전압만 MOV 문턱값 아래로 제한시키는 것인데, 이 것은 다른 극을 통한 것이지만, 전류 방전형은 접지를 통해 문턱값을 넘은 전류를 대지로 흘려보내는 것이다. MOV가 라인간 라인이면 전압 제한, 라인간 접지이면 전류 방전이다.
4.3. 전류 제한형
직렬형 서지 프로텍터가 이용하는 방법으로 dv/dt 값이 높은 성분은 인덕터에서 저지됨을 사용해 사고전류가 회로로 유입되는 것을 막게된다.갑작스런 전류의 변화를 인덕터의 특성으로 제한시킨다.
4.3.1. 국내 기술
한국 내 서지 관련 회사 중에서는 의제전기설비연구원(주식회사 옴니피엘에스), 삼부산업(주식회사 그라운드) 가 관련 기술을 보유하고 있다. 의제전기설비연구원은 국내에서 유일하게 ISO/IEC KOLAS 물론, TUV Appointment 까지 달성한 실험시스템을 구성하여 IEC 62561 Class 1~7 을 모두 시험할 수 있는 시험소를 기반으로 직격뢰를 방해하는 Bipolar Conventional Air Terminal 과 Pearlite Carbon Ground Module 를 만든것으로 유명하나 당해 문서에서 언급하는 서지 프로텍터는 살짝 아쉬운 편에 속한다.삼부산업은 여러 특징을 가진 모듈을 다중 사용하여 전압을 감쇠하는 ECA 시스템을 사용한다, 다른 SPD와 달리 에너지를 밖으로 내보내지 않고 기기 자체가 서지 에너지 대부분을 흡수하여 소멸시킬 수 있어 접지가 제대로 되지 않은 작업 중인 현장에서 특히 빛을 발한다. [8] 또한 이동하며 사용하는 경우가 많아 접지가 어려운 군사장비에도 유용하게 쓸 수 있어 민간 판매를 한동안 중단했다가 조용히 다시 개시할 만큼 군납의 비중이 크다.[* 실제로 대부분의 제품이 전략물자로 등록되어 있어 준비할 서류가 많다.
5. 서지 프로텍터의 시험과 클램프 동작
서지 프로텍터는 표준파형 재현장비를 사용하여 고전류를 인가하는 방법과 고전압 발생기를 사용해서 시험을 하게 된다. 라이트닝 시뮬레이터를 사용하는 방법은 주로 서지 프로텍터가 정상적으로 자기 용량 내에서 전류를 소화해 내는가를 보기 위해 사용하며 인가전압은 3kV 대, 시간은 8~20us로 낮으나 전류가 4kA ~ 20kA, 높으면 200kA 이상 시험한다. 고전압발생기를 사용하는 경우엔 2~30kV의 고전압, 대신 저 전류를 인가하는 EMI건이나 고압발생기를 사용해 선로 양단 또는 선로와 접지사이에 수 초 내지 수 분간 인가하여 정상적으로 고전압분을 제거하는지 시험한다.
이를 통해 서지 프로텍터는 최대방전전류와 최대보호전압 2가지의 성능지표를 확립하고 상용으로 판매된다.
6. 서지 프로텍터가 서지를 막으면 어떻게 되는가.
서지 프로텍터가 서지를 방호하는 개념은 고전압을 프로텍터가 대신 먹는다는 것과 동일한 개념으로, 프로텍터가 전소하는 경우도 심심치가 않다. 그리고 배전반 설치용 서지 프로텍터에는 대게 분석용 인디케이터가 있어 소자의 상태가 비 정상적일 경우 인디케이터의 색이 바뀌게 되는데, 이 때 소자 모듈을 반드시 교체해야 한다. 분석용 인디케이터의 색이 바뀌었다는 것은 서지 프로텍터가 이상전류를 방전하면서 온도의 상승으로 퓨즈가 끊어져있다는 것으로, 따라서 더 이상 정상 작동할 수가 없다.고전압 혼촉 사고로 인해 SPD가 전소한 사례. 380v 선로에 22.9kV 전압이 유기된 사고로, SPD가 가동되어 고전압을 대신 먹어주었으나 지속적인 고전압이 인가된 끝에 결국 SPD가 완전히 타버렸다.
이렇게 될 정도까지 낙뢰가 유입이 되면 보호되고 있던 기기도 보장을 못한다.[9] 그래서 서지 프로텍터는 인입되는 전력배전을 단계별로 나누고 다수를 동시에 사용해야 보호능력을 보장한다. 그래서 제대로 된 서지 보호계통이 필요하면 낙뢰방어와 함께 전체를 회로적으로 보고 단계적인 보호 대책을 필히 구축하여야 한다. 그래도 요즘은 제대로 된 멀티탭형 가정용 서지 프로텍터 제품이라면 개개의 보호 소자 옆에 별도로 써멀 퓨즈를 붙여놓음으로 이 정도까지 연소하는 일은 드물 것 이다.
통상적으로 서지 프로텍터가 정상 작동한 경우 멀티탭형의 경우 MOV들만 펑펑 터져있는 경우가 대부분이며 산업용의 경우엔 정상적으로 단계적인 보호대응이 되어있다면, 최상단 차단기만 그을려있고 SPD아래쪽은 멀쩡한 경우가 많다. 물론 한국 한정으로 낙뢰만큼 가능성이 높은 22.9kV 접촉사고 특성상 깔끔하게 끝나는 건 쉬운 일이 아니다.
해외에서는 이 서지프로텍터의 전소 때문에 화재가 유발되는 경우가 종종 있는데, 거의 멀티탭형 서지프로텍터가 원인이다. 하지만, 문어발 구성 안하고. 주변에 쉽게 불이 붙는 물건을 두지 않는다면 규격대로 만든 제대로 된 제품이라는 가정 하에 멀티탭이나 서지프로텍터는 난불연성 재질의 플라스틱을 사용하기 때문에 안전하다. 불이 닿아도 자글자글 끓으면서 검게 타기만 한다. 물론 수지 종류에 따라 다르다.
보통 이런 화재는 MOV에 의해 일어난다. 특히 바리스터를 감싸고 있는 외피가 잘탄다. 통상 MOV가 적용되는 선로들의 경우 고전류를 띄고있는 제품들이 많고, 특히나 방전전류를 높이기 위해 대용량 MOV를 적용하다보니 매우 높은 전류가 흐르는 것이 있다. 그렇다고 GDT는 그러지 않냐 하면 GDT도 회로구성에 따라 다르지만 직접적으로 낙뢰를 맞으면 결국 불꽃내며 터지는 경우가 있다. 그래서 MOV의 경우 전력용으로 보편적으로 많이 쓰이기 때문에 이런 문제로 인해 아예 보호소자를 세라믹으로 패키징해서 불꽃놀이를 방지하는 경우도 있다. 아니면 요즘에는 MOV에 써멀퓨즈를 가까이 붙여놓고 수축튜브나 내열필름으로 감싸주는 경우도 많고, 현재는 제대로된 회사라면 대게 멀티탭 형태의 가정용 서지프로텍터는 이런 식으로 보완해서 생산한다. 또는 아예 서지 프로텍터 케이스를 금속제로 만든 경우도 있다. 보통 방전전류 200kA대 이상부터 서지 프로텍터가 DIN레일에 꽂는게 아닌 금속 케이싱을 가진 완제품인 경우가 많다. GDT의 경우에는 아예 개별 GDT 모양이 지속 방전으로 발열이 일정 수준 이상 생기면, 꼬다리로 붙여놓은 납이 녹으면서 아예 회로를 쇼트시켜버리는 식으로 제작된다.
일반 사용자가 주의해야 할 점으로는, 서지 프로텍터의 개념은 서지 에너지를 서지 프로텍터 성능의 한도 내에서 저감한다는 것이지 완벽히 보호한다는 뜻이 아니다. APC 멀티탭으론 번개를 막아줄거란 환상을 버려야 하며, 통상적으로 구내 전기설비가 처리하지 못 할 정도의 서지에 대해 일정 부분 하나의 방패를 더 가진다는 개념으로 접근하는것이 좋다. 좀 더 전문적으로 접근하고자 하는 유저의 경우 일반적으로 분전반의 각 부하별 분기에 서지 프로텍터를 하나씩, 주 차단기 바로 아래에 하나 더 하는 식으로 단계적인 보호 대책 및 구획화를 하면 낙뢰나 기타 과전압 문제로 한국은 고저압 접촉사고가 매우 많이 일어나는 편에 속하므로, 서지 프로텍터를 사용하면 가전제품과 전자기기를 더욱 안전하게 보호할 수 있다.
제품이 처리할 수 있는 서지 용량은 줄(J) 로 나타내고, 이는 정상적인 접지회로가 존재하는 상태에서 내부에 사용된 보호소자의 처리용량과 개수에 따라 틀리게 된다. 당연하지만 스펙상 줄(J)이 높을 수록 갑작스러운 서지에 더 확실히 보호한다.
7. 접지의 필요 유무
서지 전류가 유입되었을때 스펙상 규정된 보호 성능을 최대한 보장하려면 정상으로 기능하는 접지 배선이 무조건 되어있어야 한다. 그리고 그 접지 배선도 접지 저항이 일정 수준 이하이어야만 한다. 하지만, 접지 배선이 없더라도 일반적인 멀티탭형 서지 프로텍터는 약 50% 정도는 보호 기능을 한다. 가정용으로 판매되는 제대로된 멀티탭형 서지 프로텍터는 전압 제한형과 전류 방전을 모두 할 수 있도록 보호 소자가 구성되어 있으며, 접지가 없을시 기능이 제한되는 것은 전류 방전일 뿐으로, 전압 제한형은 작동할 수 있다. 더욱이 해외에서 저가형으로 이름만 서지 프로텍터인 멀티탭의 경우 고작 전압 제한형으로 극과 극 사이에 MOV 하나만 달려있는 경우도 있다. 단, 누전 차단기의 트립 속도가 수십 ms 수준으로 서지 유입과 MOV의 동작 속도보다는 느리지만, 누전 차단기가 서지 유입에 트립되지 않는 충격파 부동작형이어야 한다.배전반에 설치하여 접지 배선과 직결 연결되어야 하는 서지 프로텍터는 접지 배선이 없으면 아예 기능이 불가능 하므로 유의. 다만, 시중에 판매되는 멀티탭형 가정용 서지 프로텍터 제품들은 극과 극, 극과 접지 이렇게 MOV와 GDT가 구성되어 있으므로, 접지 배선이 없어도 극과 극에 놓여진 MOV, GDT를 통해 반절이나마 목표로 한 보호 기능을 할 수 있을 뿐이다. 그리고 이 경우도 가정용 저압 단상 기준으로 활선과 중성선으로 구성되어 있는 경우에만 해당된다.
8. 서지 프로텍터 관련 규정
서지 프로텍터는 대개- IEC 61643-1 (1998-02) : Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Part 1: Performance requirements and testing methods
- IEC 61643-12 : Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Part 12: Selection and application principles
- IEC 61643-21 (2000-09) : Low voltage surge protective devices - Part 21: Surge protective devices connected to telecommunications and signalling networks - Performance requirements and testing methods
- IEC 61643-22 : Surge protective devices connected to telecommunications and signalling networks - Part 2: Selection and application principles (Former project IEC 61644-2 Ed.1)
- C62.31-1987 : IEEE Standard Test Specifications for Gas-Tube Surge-Protective Devices
- C62.32-1981 : IEEE Standard Test Specifications for Low-Voltage Air Gap Surge-Protective Devices (Excluding Valve and Expulsion Type Devices)
- C62.33-1982 : IEEE Standard Test Specifications for Varistor Surge-Protective Devices
- C62.34-1996: IEEE Standard for Performance of Low-Voltage Surge-Protective Devices (Secondary Arresters)
- C62.35-1987 : IEEE Standard Test Specifications for Avalanche Junction Semiconductor Surge Protective Devices
- C62.36-2000 : IEEE Standard Test Methods for Surge Protectors Used in Low-Voltage Data, Communications, and Signaling Circuits
- C62.41-1991 :IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits
- UL 1449 2000-03-08 Transient Voltage Surge Suppressor
9. 관련 문서
[1] 마땅한 번역이 없는 전력용어라서 KEC규정에서도 서지라고 표기하며, 번역한다면 과도 과전압, 더 줄여서 과전압으로 대체할 수 있다.[2] 특히, 파워 서지 피해의 동네북인 노트북은 요즘 전원부에 보호 회로가 없는 경우를 찾아보기 힘들다. 아무리 구려터진 중국산이라도 형식적으론 들어간다.[3] 노트북은 배터리가 불량 전류로부터 메인보드를 지키는 몸빵 역할을 해주기도 한다. 불량 전류가 보호회로를 넘어오면 그대로 배터리로 유기되니 당연한 이치다.[4] 교류 전기는 1초에 일정 숫자만큼 전기가 +nV에서 -nV까지(한국의 경우 +220V에서 -220V까지) 변화하는데, 이렇게 한 번 진동하는 횟수를 cycle이라고 한다. 60Hz라면 1초에 60cycle만큼 반복하는 것과 같다.[5] 시퀸셜 회로로만 구성되었을 경우 그 난이도는 배로 증가한다. PLC로 구성될 경우 전원이 조금이라도 끊어지면 전원장애 alarm이 들어가면서 emergency stop이 뜬다. PC 로 운영되며 all-servo 구성이면 그 전원부의 특성상 장애없이 운전된다.[6] 위상제어를 할 때 ∮=90˚ 에서 전고조파가 가장 강하게 발생하는 모습을 볼 수 있으며, 그 고조파에 의해 회로에 고전압이 유기되는 모습이다.[7] 'Clamp Voltage'다.[8] 대신 타 회사 SPD에 비해 부피가 상당히 크다. 제품에 흡수 가능한 총 에너지량이 표기되어 있으므로 적절한 것을 선택하기 편하다.[9] 전기기사들이 모여있는 카페들을 보면 '번개를 맞아서 프로텍터가 다 타버렸는데 PLC나 제어반이나 인버터는 살았다'등의 글이 꽤 많다는건 감안해야한다.