서지 보호 소자의 열화 방지를 위한 소형 서지 카운터 설계

1.1 연구 배경과 필요성

현대의 전자 통신장비는 고속화, 저 전력화, 고 밀도화 등이 요구되고 있다. 이는 전자회로 내부에 사용되는 IC나 반도체들이 작은 노이즈에도 민감하게 반응하여 성능이 저하되거나 오작동 혹은, 장비의 고장을 일으킬 수 있다[1]. 더욱이 최근 들어 이상 기후로 낙뢰, 번개의 발생 빈도가 높아져 이로 인한 경제적 피해가 늘어나고 있는 실정이다[2][3]. 이와 같은 피해를 예방하기 위하여 낙뢰 등의 이상 전압으로부터 기기를 보호하는 서지보호기에 대해 많은 연구개발이 이루어지고 있다[4]-[6]. 하지만, 서지보호기 역시 전자 부품이 사용되는 장비라서 수명이 영구적이지 않기 때문에, 낙뢰의 세기가 크고 빈도수가 높은 일부 지역에서는 서지 보호소자가 열화 되어 서지보호 성능을 보장하지 못하게 되고, 이는 장비의 고장, 화재 등의 2차 피해를 발생시킬 수 있다. 이러한 피해를 막기 위하여, 최근에는 서지보호기의 열화 상태를 확인하기 위한 방법들이 많이 개발되고 있으며[7]-[11], 그 중 하나로서 서지 카운터를 서지보호기와 함께 설치하고 있다.

서지 카운터는 주로 장비의 접지 라인에 설치되어 전자 통신장비에 일정 전압 이상으로 유입된 서지를 감지하고 카운트하는 장비로서, 서지보호소자의 열화 주기 파악 및 유지 보수 기초 자료로 활용된다.

1.2 연구목적

이상 기후로 인한 낙뢰 등의 과전압으로부터 장비의 손상을 막기 위하여 서지보호기는 반드시 설치되어야 한다. 하지만, 설치 장소나 환경에 따라 유입되는 서지의 세기와 빈도수가 다르기 때문에, 설치 지역마다 서지보호기의 성능과 수명에서 큰 차이를 보이고 있다. 특히, 서지보호기의 외관만으로는 열화 상태를 확인할 수 없기 때문에, 서지보호기의 열화 상태 확인 방법에 대한 필요성이 점차 증가되고 있다. 낙뢰 서지의 유입 빈도수가 많은 지역에서는 보호소자에 반복되는 서지의 유입으로 인해 데미지가 누적되어 절연저항이 낮아지고, 보호소자의 기능을 상실할 수 있다. 이러한 피해를 예방하기 위해 장비로 유입되는 과전압 서지의 횟수를 카운트하여 서지보호소자의 열화 주기를 파악하고, 교체 시기를 알려주기 위한 서지 카운터가 열화 상태확인을 위한 방법으로 가장 많이 활용되고 있다.

그러나, 현재 시중에 판매되는 서지 카운터는 부피가 크고 서지보호기와 별도로 설치되어 사용이 가능하다. 또한, 낙뢰를 카운트하는 전류 기준이 높아서 비교적 낮은 전압부터 보호해야 되는 통신용 서지보호기의 경우, 누적되는 데미지로 인한 열화 현상을 확인하는데 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 서지 카운트 기준 전압이 낮고, 서지 유입 횟수에 따라 경고 알림을 제공하는 소형의 서지 카운터를 제안한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 낙뢰 서지에 대한 규격 및 서지보호기 열화 방지 대책을 기술하고, 3장에서는 제안하는 서지 카운터의 구성 및 특징을 기술한다. 4장에서는 설계된 서지 카운터의 성능 평가에 대하여 설명한다. 마지막으로 5장에서는 결론에 대해 기술하고, 향후 연구 방향을 제시한다.

2.1 낙뢰 서지 관련 규격

우리나라에서는 낙뢰 서지에 대한 저전압 서지보호기의 규격으로서, 국제 표준 규격인 IEC(Intermediate Electrotechnical Commission)를 직역한 KS 규격을 가장 많이 사용하고 있다. 특히, 서지 카운터의 설계 및 시험에 대해서는 <뇌 전자파 임펄스 보호-일반 원칙 KS C IEC 61312-1>과 <통신 및 신호망에 연결된 서지보호장치-성능 요건과 시험방법 KS C IEC 61643-21>, 그리고 <통신망과 신호망 접속용 서지보호장치-선정 및 적용지침 KS C IEC 61643-22>와 <서지 내성시험 KS C IEC 61000-4-5>가 있다.

낙뢰로부터 유입되는 서지의 세기와 발생 빈도는 장비 설치 장소에 따라 큰 차이를 보인다. 특히, 통신선로에 사용되는 서지보호기의 경우, 비교적 낮은 전압부터 보호소자가 동작하기 때문에 서지보호소자의 열화 주기를 확인하기 위해서는, 과전압을 판단하여 카운트하는 기준 전압도 낮게 설정되어야 한다. 즉, 서지 카운터는 서지보호기의 용도에 따라 서지 카운트 기준 전압을 다르게 설정하여야 한다.

그림 1은 피뢰 구역별 낙뢰보호 개념의 구성으로, 건물 내부에 설치된 장비의 위치에 따라 여러 구역으로 나누어진 낙뢰 보호 구성의 예를 보여 주며, (d)는 피뢰 구역(LPZ) 경계의 접지 통합을 위한 본딩 바를 나타내고, (f, g, h, p)는 서지의 인입 설비를 나타낸다[12][13].

Fig. 1.

Lightning protection concept by lightning protection area

표 1은 KS C IEC 61312-1과 KS C IEC 61000-4-5의 규격에 따른 피뢰 구역별 서지보호기(SPD, Surge Protect Device)의 정격 기준을 나타낸다. 낙뢰로부터의 피해를 최소화하기 위해서는 장비 설치 위치에 따라 서지 정격에 맞는 SPD가 설치되어야 한다. 또한, 피뢰 구역에 따라 저전압에서 사용되는 서지보호기의 열화 주기 파악을 위해 서지를 카운트하는 기준 전압을 낮출 필요가 있다[14][15].

Table 1.

Criteria for selecting SPD rating for each lightning protection area according to KS C IEC 61312-1 and KS C IEC 61000-4-5

그림 2는 피뢰 구역에 따른 SPD의 구성 예시로서, 보호 구역에 따라 SPD의 보호 레벨을 나타낸다. 이때, 서지 파형은 직격뢰의 경우 전류파형이 10/350㎲이고, 유도되는 서지 전류 파형은 8/20㎲이다. 그리고 통신 선로와 근접하지만 보호 장비로부터 멀리 떨어진 장소에 친 뇌격의 전압은 10/700㎲의 파형을 가진다. 예를 들어, LPZ 1/2 구역에 유도뢰로부터 서지를 보호하는 서지보호기의 경우 최소 0.5kV에서 최대 10kV(1.2/50㎲)의 서지 전압에 대한 보호 성능이 필요하다.

Fig. 2.

Example of the composition of SPD according to the lightning protection area

2.2 서지보호기 열화 방지 대책

서지보호기의 열화로 인한 2차 피해를 예방하기 위하여 서지보호기의 열화 상태를 진단하는 방법에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 대표적인 열화 진단 방법으로는, 서지보호에 사용되는 MOV 소자가 열화 시 온도가 상승하는 점을 이용하여 서지 발생을 판단하는 온도 측정법, 퓨즈 형태로 연결되어 단락 고장 등의 상태를 나타내는 고장 표시법, 그리고, 서지의 유입 횟수를 카운트하는 서지 계수법 등이 있다. 이 중에서, 현재는 회로 구성이 매우 간단하고 보호기의 고장상태를 쉽게 파악 가능한 고장 표시법과 서지 계수법이 많이 사용되고 있다. 하지만, 고장 표시법의 경우, 보호기의 열화 발생을 통해 장비의 고장이 인지되고 사후 교체되는 형식이기 때문에, 사전에 열화 상태를 확인하기 어려운 단점이 있고, 서지 계수법의 경우, 서지 카운터의 크기가 커서 설치에 어려운 문제점이 있다.

그리고 서지보호기의 열화로 인한 2차 피해를 막기 위하여 낙뢰보호 장비의 케이스 선정에 주의가 필요하다. 대부분의 서지보호기, 서지 카운터 등의 낙뢰보호 장비 케이스는 제품 단가 및 무게를 고려하여 플라스틱 재료를 사용하고 있다. 그러나 플라스틱은 작은 발화점에도 화재에 취약하기 때문에, 플라스틱 재료의 케이스를 사용할 경우 표 2의 인화성 안전 표준 UL 94 V-0 등급 이상의 난연성 소재를 사용해야 한다. 표 2는 플라스틱 재료의 인화성 안전 표준으로 <IEC 60707>, <IEC 60695-11-10>, <IEC 60695-11-20>, <ISO 9772>, <ISO 9773>이 조화된 표준 규격이다.

Table 2.

Safety standards for flammability of plastic materials

3.1 서지 카운터 구성

그림 3은 일반적인 낙뢰 서지 대책의 구성을 나타내고 있다. 낙뢰 서지는 장비에 연결된 케이블 등의 도체를 통하여 침입하며, 이는 장비의 파손이나 오작동 등의 피해를 일으킬 수 있다. 따라서, 일반적으로 신호선(Signal line) 등의 케이블이 연결되는 장비 인입부에 SPD를 설치하여 낙뢰 서지로부터 장비를 보호하도록 하며, SPD와 장비 사이의 전위차가 발생하지 않도록 접지선은 공통으로 연결한다.

Fig. 3.

General lightning surge measures

그림 4는 서지 카운터의 설치 구성이다. 일반적으로 서지 카운터는 장비(Equipment)와 SPD의 접지선에 CT(Current Transformer) 소자를 설치하여, 케이블을 타고 유입된 서지를 SPD가 방류할 때 접지 라인을 타고 흐르는 전류를 전기적 유도 방식을 이용하여 감지하고, 서지 카운터로 전달하여, 일정 전압 이상의 서지 유입이 판단되면 카운트하는 방식으로 사용된다.

Fig. 4.

Surge counter installation configuration

3.2 서지 카운터 설계

서지 카운터는 서지보호기 열화 진단 방법 중 하나인 서지 계수법을 사용하여 장비 스트레스로 인한 열화 주기를 파악하기 위한 장비이다. 그러나 기존 서지 카운터는 부피가 커서 설치 공간 확보에 어려운 문제가 있고, 서지를 카운트하는 기준전압이 높아서 비교적 낮은 전압부터 보호가 필요한 통신용 서지 보호기의 열화 상태를 확인하기 어려운 문제점이 있다. 이에 본 논문은 소형 서지 카운터를 제안한다. 제안하는 서지 카운터는 저전압 통신용 서지보호기의 최소 보호 동작 전압 기준인 500V부터 서지를 카운트할 수 있도록 하였다. 또한, 서지보호기에 따라 열화를 판단하는 서지 유입 카운트 횟수를 설정할 수 있게 하여 서지의 유입이 열화 판단 카운트 횟수를 넘어가면 외부의 경고 LED를 통해 서지보호기 교체시기를 알릴 수 있도록 하였다. 그리고 내부에 2차 전지를 가지고 있어 장비의 이상 동작 또는 정전 등의 이유로 전원이 들어오지 않아도 서지 유입 횟수를 기억하며 정상 동작하도록 하였다.

그림 5는 제안하는 서지 카운터의 구성을 보여주며, 서지 보호 회로(Surge protect circuit)에 서지인가 시 서지보호회로에서 접지선을 통해 방류하는 서지 전류를 CT 소자가 감지하고 서지 카운터에 전달한다.

Fig. 5.

Surge counter configuration

서지 카운터는 유입된 서지의 값을 정류하고, 카운터 내부 회로가 망가지지 않도록 들어온 서지 전압을 제한하며, 회로적으로 분리하여 입력을 받는다. 그 후, 서지를 카운트하는 기준 전압보다 높은 서지가 유입되었을 경우 서지를 카운트하도록 구성하였다. 그리고 서지의 유입 횟수가 열화를 판단하는 카운트 횟수를 넘어가게 되면, 외부 LED를 통해 서지보호기의 열화 상태 경고를 알려 서지보호기를 교체하도록 한다.

그림 6은 서지 카운터의 회로 구성으로서, 장비 또는, 서지보호기에서 접지 라인에 서지가 방류할 때, CT 소자를 거쳐 입력받고, 정류 회로를 통해 유입된 서지 입력을 정류한다. 그리고 유입 전압이 서지 카운터 내부 회로에 영향을 주지 않도록 전압을 제한하고 회로적으로 분리하여 프로그램 IC로 전달한다. 그리고 프로그램 IC에서 유입된 전압을 서지 카운트 기준 전압과 비교하여 카운트한다. 서지의 카운트 횟수가 COUNT SEL에서 설정한 서지 열화 횟수에 도달할 경우 서지 카운터는 외부 LED를 통해 장비의 교체 경보를 2단계로 나누어 표시하도록 하였다. 예를 들어, 100회의 서지가 유입되었을 때 서지보호기의 열화가 예상된다면 90회의 서지 유입 시 경고를 알리는 YELLOW LED를 점등하여 서지보호기를 교체할 준비를 하도록 하고, 100회에서 교체를 알리는 RED LED를 점등하여 서지보호기를 교체하도록 하였다.

Fig. 6.

Surge counter circuit configuration

그리고 서지보호기 교체 후에는 서지 카운터를 리셋하여 재사용 가능하도록 하였다. 또한, 서지의 유입을 판단하여 카운트하는 프로그램 IC의 전원공급을 위해 장비로부터 +5V DC의 전원을 받아 사용하지만, 장비의 고장 또는, 전원부의 문제로 서지 카운터에 전원이 공급되지 않을 경우에도 정상 동작하도록, 충전이 가능한 2차 전지를 내장하여 전원 공급을 안정적으로 보장하도록 설계하였다.

4.1 성능시험 파형

본 논문에서는 국제표준 <서지 내성시험 KS C IEC 61000-4-5>의 서지 전압 및 전류 시험 파형을 사용하였다. 그림 7과 8은 시험에 사용한 전압과 전류 파형의 예시로서 4kV/2kA의 파형을 나타낸다.

Fig. 7.

Surge voltage waveform

Fig. 8.

Surge current waveform

그림 7은 성능시험의 전압 파형 예시로서 4kV 전압의 1.2/50㎲ 파형을 나타낸다. 1.2㎲는 최대 전압치(Vpk)를 기준으로 상승곡선 30%에서 90%까지 소요되는 시간이고, 50㎲는 하강 곡선의 50%까지 도달되는 시간을 나타낸다. 전압 파형은 전류파형에 비해 최대 전압치까지 상승곡선이 짧은 편이나 지속되는 시간은 전류에 비해 두 배 이상 지속된다.

그림 8은 성능시험의 전류파형 예시로서 2kA 전류의 8/20㎲ 서지 전류 파형을 나타내며, 8㎲는 최대 전류치(Ipk)의 상승곡선 10%에서 90%까지 소요되는 시간을 나타내고, 20㎲는 하강 곡선의 50%까지 도달되는 시간을 나타낸다.

4.2 성능시험 환경

그림 9는 성능 시험 구성으로서, 서지 발생기를 통해 서지를 서지 보호기에 인가하고, 서지 보호기에서 접지로 서지를 방류하면 전류 변환 소자를 거쳐 서지 카운터에 입력한다. 그 후, 서지 카운터에서 서지를 카운트하여 동작 성능을 확인할 수 있도록 구성하였다. 이때, 서지 발생기에 고전압 프로브와 오실로스코프를 연결하여 서지 발생기에서 출력하는 전압의 파형과 세기를 확인하였다.

Fig. 9.

Performance test configuration

그림 10은 부천산업진흥원에서 성능 시험에 사용한 시험 기기로서 NoiseKen사의 서지 발생기인 LSS-15AX-A1A를 사용하였고, 오실로스코프는 Tektronix 사의 TDS 2024B를 사용하였다. 그리고 고전압 프로브는 Lockinc 사의 SI-9101A를 사용하였다.

Fig. 10.

Test equipment

표 3은 부천산업진흥원에서 성능시험에 사용한 NoiseKen 사의 서지 발생기인 LSS-15AX-A1A의 성능을 나타내며, 국제 표준 시험 규격인 IEC 61000-4-5를 만족한다.

Table 3.

Surge generator specifications

그리고 임피던스는 2Ω이고 출력파형은 전압파형 1.2/50㎲, 전류파형 8/20㎲을 사용하며, 최소 500V/ 250A에서 최대 15kV/7.5kA를 정극성과 부극성으로 출력하여 시험 가능하다.

표 4는 서지 카운터의 성능시험 목록이다. 성능시험은 총 4가지로서, 국제규격 <IEC 61643-21의 C2>에서 제시하는 최소 출력파형 2kV/1kA와 최대 출력 파형인 10kV/5kA를 포함하였고, 사용한 서지 발생기의 최소 출력 파형인 0.5kV/0.25kA와 최대 출력 파형인 15kV/7.5kA를 시험함으로써, 서지 카운터가 다양한 서지 환경에서 정확하게 카운트하고 서지보호기의 열화상태 및 교체를 알릴 수 있는지를 시험하였다.

Table 4.

Surge counter performance test list

그림 11은 부천산업진흥원에서 성능시험을 진행한 시험 사진이다.

Fig. 11.

Performance test pictures

4.3 성능시험 결과

서지 카운트 성능시험은 부천산업진흥원에서 진행하였으며 표 4의 시험 목록에 따라 시험하고 시험 결과를 표 5에 나타내었다.

Table 5.

Performance test results

성능시험은 0.5kV/0.25kA부터 15kV/7.5kA까지 총 4가지의 파형으로 진행하였으며, 시험 파형을 20초 간격으로 정극성, 부극성 각 50회 인가하여 총 100회의 서지를 인가하고, 경고 LED를 두 단계로 나누어 Yellow LED는 90회에서 점등하도록 하고, Red LED는 100회에서 점등하도록 하여 100% 정상 동작하는 것을 확인하였다.