피뢰설비 설계

 

♣ 피뢰설비 설계 ♣

2. 피뢰설비 설계 2.1 피뢰설비를 필요로 하는 건축물 피뢰설비는 다음 3가지 경우에 설치해야 된다. (1) 건축 기준법에 높이 20m를 초과하는 건축물에는 유효하게 피뢰설비를 설치해야 돈다. (2) 소방법으로 정하는 위험물의 제조소, 옥내 저장소, 옥외 탱크 저장소에는 높이와 관계없이      유효한 피뢰설비를 설치해야 된다. (3) 화학류 단속법에 규정하는 화약의 저장소나 취급장소에서도 높이와 관계없이 피뢰설비를      설치해야 된다. 2.2 수뢰부의 설계 돌침을 이용할 때 그 설치위치 및 설치수는 피보호물이 보호하려는 부분 전체가 보호범위내에 들어가도록 정한다. 이 경우 보호각은 60°이하로 한다. 돌침의 맨끝은 가연물에서 0.3m이상 돌출하도록규정되어 있다. 하지만 안전상 1 ∼ 1.5m정도의 높이로 하는 것이 바람직하다. 용마루 위의 도체를 이용할 때는 용마루, 파라페트, 지붕 기타 전격을 받기 쉬운 부분의 위에 설치한다. 평지붕에 설치하는 경우는 바깥둘레를 따라 루프형태로 한다. 이 경우도 보호각은 60°이하로 하고 가연물과는 0.3m이상 떨어뜨려야 한다. 보호범위에 안 들어가는 지붕부분에 대한 용마루 위의 도체는 비보호범위 부분의 각 점에서 용마루위의 도체까지의 수평거리가 10m이하가 되도록 설치한 경우는 지붕 전체가 보호되는 것으로 한다. 돌침의 재질는 동, 알루미늄 합금, 용융 아연도금을 한 철 또는 강(주철을 포함)으로 직경 12mm 이상의 봉이나 이와 동등 이상의 강도 및 성능을 가진 것으로 한다. 용마루위의 도체의 재질은 피뢰도선과 동일한 것으로 한다. 즉 동 또는 알루미늄의 단선, 연선, 평각선이나 관으로 하고 단면적은 동에서는 30㎟ 이상, 알루미늄에서는 50㎟ 이상으로 한다. 또한 평지붕에 시설된 난간, 펜스의 금속체로 직경 12mm 이상의 강봉이나 이와 동등 이상의 강도 및 성능을 가진 것으로 대체해도 된다. 단 금속체 상호간은 완전하게 접속해야 된다. 2.3 피뢰도선의 설계 인하도선은 한 개의 피보호물에 대해 2조 이상으로 한다. 단, 피보호물의 수평단면적이 50㎡이하인 것에 대해서는 1조면 된다. 인하도선은 바깥둘레를 따라 50m 이하의 간격으로 바깥둘레에 거의 균등하게 가능한한 돌각부에 가깝게 배치한다. 수뢰부가 2이상인 경우는 용마루, 파라페트 또는 지붕위에 설치한 피뢰도선으로 연접하거나 루프모량으로 접속한다. 피뢰도선은 동 또는 알루미늄의 단선, 연선, 평각선 이나 관으로 한다. 단면적은 동 30㎟이상, 알루미늄은 50㎟이상으로 한다. 2.4 접지극 접지극은 각 인하도선에 한 개 이상 접속한다. 접속극은 길이 1.5m이상, 외경 12mm이상의 용융 아연도금강 봉, 동봉, 용융 아연도금 배관용탄소강과(두께 2mm이상), 스텐레스 강관(SUS304, 두께 1mm이상), 면적이 0.35㎡ 이상인 용융아연도금 강판(두께 2이상), 동판(두께 1.4mm이상) 이와 동등 이상의 접지효과가 있는 금속체를 사용한다. 단, 알루미늄 기타 이와 유사한 부식하기 쉬운 것은 사용하면 안된다. 피뢰설비의 종합 접지저항은 10Ω이하로 한다. 각 인하도선의 단독 접지저항은 50Ω이하면 된다. 2.5 철골구조, 철근콘크리이트 구조, 철골철근 콘크리이트 구조의 피보호물에 대한 피뢰설비 수뢰부는 철골구조에서는 철골 또는 피보호물의 덮는 금속판으로 대신해도 된다. 단 금속판의 두께는 철판 또는 동판에서는 1.0mm이상, 알루미늄판에서는 2.0mm이상이어야 한다. 이 경우 금속판을 서로 잘 접속한다. 피뢰도선은 철골조의 경우는 철골 또는 피보호물을 덮는 금속판으로 대신해도 된다. 또한 철골 철근 콘크리이트 구조의 경우는 2조 이상의 주철근으로 인하도선을 대신해도 된다.이 경우 단면적 30㎟이상의 동선으로 접지극에 접속한다. 접지극은 피보호물의 기초 접지저항이 5Ω이하면 생략해도 된다. 2.6 접지극 생략의 판정방법 접지극 생략 여부의 판정은 대지저항률 ρ(Ω. m), 건축물 지하부분의 연표면적 A(㎡)을 구하고 ρ와 A의 교점이 생략 가능한 영역이면 접지극을 생략할 수 있다.

 

♣ 피뢰설비 개요 ♣

1. 피뢰설비 개요 건축물에 설비해서 접근하는 뇌격을 확실하게 흡인해서 전격전류를 안전하게 대지로 방류함으로써 건출물 및 내부의 사람이나 물건을 뇌격에서 지키기 위한 것이다. (1) 피뢰설비(피뢰침) 수뢰부, 피뢰도선 및 접지극으로 이루어지는 피뢰용설비로 전격으로 발생하는 화재, 파손 또는 사람과 가축으로의 상해방지를 목적으로 하는 것의 총칭이다. (2) 수뢰부 뇌격을 받아서 멈추기 위해 사용하는 금속체, 이 안에는 돌칩부, 용마루의 도체, 케이지의 망모양 도체 이외에 직접전격을 받는 것으로 이용하는 난간, 펜스, 물탱크 등 건축물에 부속된 금속체도 포함된다. (3) 돌침 공중에 돌출된 수뢰부 (4) 돌침부 돌침, 돌침지지 금속물 및 이들 설치대의 총칭 (5) 용마루 위의 도체 용마루, 파라페트 또는 지붕위를 따라서 설치할 수 있 수뢰부 (6) 독립 피뢰침 피보호물에서 떨어져 지상에 독립한 돌침을 수뢰부로 하는 피뢰부 (7) 독립 가공지선 피보호물의 위쪽에 이것과 적당한 거리를 두고 가선한 도선을 수뢰부로 하고 피보호물에 독립한 피뢰설비 (8) 케이지 피뢰를 목적으로 피보호물 전체를 포함하는 연속적인 망모양의 도체(금속판 포함) (9) 피뢰도선 뇌격전류를 흘리기 위해 수뢰부와 접지극을 접속하는 도선 (10) 인하도선 피뢰도선의 일부로 피보호물의 꼭대기부분에서 접지극까지의 거의 연직인 부분 (11) 접지극 피뢰도선과 대지를 전기적으로 접속하기 위해 땅속에 매설한 도체 (12) 보호범위 피뢰설비의 설치에 의해 번개의 직격 위험에서 보호되는 피뢰설비 주변의 대지 및 공간 (13) 보호각 수뢰부의 상단에서 그 상단을 통하는 연직서느에 대해 보호범위를 예상하는 각도

 

(1) 뢰운의 발생

(그림1-1) 뢰운의 발달 단계

뢰운의 특징은 구름 층의 높이가 매우 높다는 것이다. 그림1-1에 뢰운이 발달하는 단계를 나타내었다. 초기의 것도 구름의 밑이 지상에서 1000∼2000m 높이에 있으며 정상부분은 8000m 상공까지 뻗혀있다.

이러한 구름의 구성은 구름 중의 공기가 점점 상승해가는 상태에 있기 때문에 종방향으로 길게 늘어선 모양을 이룬다. 이것은 상승기류가 활발해짐을 나타내는 (그림1-2) 뢰운의 전하분포 것으로 이것이 대량의 전기가 만들어 지는 원인이 된다.

그 이유는, 활발한 상승기류로 인하여 물방울이 서로 결합하여 큰입자로 되고, 상공으로 감에 따라 온도가 낮아져 얼어붙게 되어 얼음입자로 변한다. 이들 중 작은 얼음입자는 위로 날아가지만 큰 입자는 그 무게 때문에 상승기류에 지탱할 수 없게 되어 아래로 낙하한다.

이들이 떨어지면서 마찰이나 충돌 등의 복잡한 운동에 의해 ＋전하를 가진 부분과 －전하를 가진 부분으로 대전한다. 이들 중 일부는 낙하도중에 녹아서 강한 비를 내리기도 한다. 전하의 분포는 구름의 상부에는 ＋로, 아래부분은 －로 된다. 이때 대량의 전하가 만들어지므로 구름들끼리의 방전이나 낙뢰가 발생한다. 지표의 ＋전하는 구름의 하단부에 있는 －전하에 의해 유도되어 생긴 것이다.

 

(그림1-2) 뢰운의 전하분포

(2) 낙뢰

 

낙뢰가 발생될 때 구름과 지상 사이에는 어느 정도의 전압이 걸리게 되는가. 1㎝ 떨어진 공기절연체의 절연이 파괴되어 방전이 일어나기 위해서는 수천볼트 이상의 전압이 필요하다. 지금 구름의 밑이 지상에서 2000m 상공에 위치해 있고 1㎝당의 방전전압이 5000볼트(V)라고 하면 낙뢰시의 전압은 약5000 X 2 X 10⁵ = 10×10⁸V , 결국 10억 볼트가 된다. 또, 그때의 뢰 에너지는 1회 낙뢰로 인해 중화되는 전기량을 20쿠울롱 이라고 하면 W=1/2QV(W.s) 로 되어 W=1/2 20 X 10 X 10⁸ = 10 ¹⁰ ( W.s )=2778KWh 로 된다.

 

(3) 여름뢰와 겨울뢰

 

일반적으로 대기가 불안정하면 상승 기류가 일어난다. 여름의 경우 지상 가까이에 있는 소립원 기단의 습한 공기가 확장되어 시베리아에서 불어온 찬 공기가 상공으로 진입하면 뢰가 발생되기 쉽다. 겨울에는 동해측에서 기온이 낮아지면 같은 조건이 생겨 대기가 대단히 불안하게 되어 동계뢰를 발생시킨다. 여름철 뢰와 겨울철 뢰가 다른 점은 다음과 같다.(그림1-3 참조) ① 여름 뢰운은 1.5∼10㎞ 이상 높이의 층을 갖고 있으나 겨울 뢰운은 300m∼6㎞정도로 낮다. ② 겨울철 동해 연안에는 대기의 상층부가 하층부 보다 풍속이 강하기 때문에 뢰운이 수평 방향으로 확장된다.

(그림1-3) 여름철뢰와 겨울철뢰의 구조

 

전자식피뢰침의 특징

1. 개요

건축물의 보호에 있어 일반피뢰침의 설치시 다수개의 피뢰침과 다수개의 접지극을갖게 되는바 이러한 단점을 보호하기 위해서 스페인의 CIRPROTEC사는 고전압 펄스식 피뢰침을 개발하여 소수의 피뢰침과 소수의 접지극으로 설치하여 평상시에는 동작하지 않으나 낙뢰시 대기중으로 이온(IONS)을 방사하여 뇌격을 흡수 대지로 방류시키는 최첨단의 광역 피뢰침이다.

 

2. 뇌격 진행 과정

대기중에 뇌운이 형성되면 지표면 근처에서는 전계가 증계된다. 이전계의 세기는 약5㎸/m이상되며 지표면상의 물체의 요철에 따라 코로나 방전을 일으킨다.

뇌격은 뇌운에서 지표면으로 계단 모양의 하강리더(Down Ward Leader)를 형성하면서 시작된다. 하강리더는 많은 전하들을 운반하며 지표면에서는 지수 함수적으로 전계가 증가된다. 이 결과 지상이 한 지점에서 코로나 방전이 시작되고 [그림b] 스트리머와 상향리더(Up Ward Leader)가 점진적으로 형성 진행되어 [그림C] 결국은 뇌운에서 형성된 하강리더와 마주치게 된다.

상항리더의 진행에 따라 하강리더의 경로에 영향을 주며 [그림C] 하강, 상승리더는 점에서 만난다. [그림d] 이때 지표면과 뇌운 사이에는 전기적으로 통전 상태가 되며 한번 또는 여러번의 후속뇌격을 동반하여 주방전 또는 귀환뇌격 (또는 주뇌격)이 일어난다. 건축물이 돌출부에서 여러개의 상향리더가 형성 될 수도 있으나 최초로
상향리더와 하강리더가 만나는 곳이 뇌격지점이 된다.

 

                   [A]                  [B]                 [C]                [D]

 

[그림Ⅰ] 뇌격에 의한하강, 상승리더 형성 진행 과정

 

3. 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)의 동작원리

전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)은 내부 장치에 의해서 다량의 이온(Ions)을 대기중으로 방사한다.
실제로 뇌운중에 전계의 전파조건이 충족되면 내부 장치는 초기에 먼저 상승리더(Leader)를 발생시키고 이것이 접근하는 하강리더에 최초로 접촉하게 된다.

 

4. 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)에 의한 보호상의 장점

 

① 시간이득 ( T)
전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)은 상향리더의 생성 및 방사과정에 있어서
획기적으로 그 시간을 줄일 수 있도록 설계되었다.
이것은 동일 환경 조건하에서 일반 피뢰침과 비교 실험할 경우 시간 이득을
알 수 있다.
전자식(ESE) 피뢰침에서 형성 방사되는 상승리더는 뇌운에서 진행된 하강
리더와 맨 처음 만나게 된다.
T로 표시되는 상향리더 형성, 방사에 대한 일반 피뢰침과의 시간차이는 고전압 성능시험 과정에서 결정된다.

 

② 상향리더의 거리이득(L)
일반 피뢰침 선단부에서 상향리더 방사순간, 하강리더의 끝부분도 지표면상의 어떤 일정한 높이에 위치한다. 전자식(ESE)피뢰침의 경우에는 T 만큼의
시간이득이 있기 때문에 같은 순간에 상향리더의 끝 부분은 Vu의 속도로서
이동하여 Vu × T의 거리에 위치하게 된다. 이것이 전자식(ESE) 피뢰침에 의한 상향리더의 거리이득 ( L = Vu × T)이다.

 

 

5. 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)의 보호범위

전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)의 피뢰보호범위는 프랑스 표준 NF C17-102와 스페인규격 21186-96에 의해

 

Rp=

단, h 5m인 경우

 

h 5m인 경우 Tabel참조

Rp = 피뢰보호반경

h = Nimbus의 높이

D = 뇌격거리(striking distance) [ D=10×1⅔, Ⅰ= 뇌격전류(KA)]

보호등급 Ⅰ일 경우 D = 20m

보호등급 Ⅱ일 경우 D = 45m

보호등급 Ⅲ일 경우 D = 60m

L = 상승 스트리머 전진거리

L = V(m/μsec) ×T(μsec) [V = 1(m/μsec), 상승스트리머의 속도]

= 1(m/μsec) × T(μsec)

= T(m)

 

표2. 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)의 보호반경표

 

6. 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)의 외형

 

① 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)의 외형도는 다음과 같다.

 

 

 

② 규격별 SIZE

 

7. 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)의 시방서

① 무 전원 공급 방식이다.
② 평상시에는 동작하지 않고 낙뢰시에만 동작한다.
③ 스트리머 방사시에 고주파의 전파를 발생하지 않고 방사성 물질등에
    이온(IONS)가 방사 되지 않는다.
④ 피보호물 상부의 직격뇌뿐만 아니라 측뇌도 완전히 보호 할 수 있다.
⑤ 양이온(+)과 음이온(-) 뇌운에도 각 극성에 대응하는 상항스트리머가
    발생되므로 완벽 하게 보호 가능하다.
⑥ 보호반경, 동작특성 T의 값 들은 NFC 17-102, NFPA780, UNE21186-96에 적합
    하고 인증서 및 제품품질보증서가 각 모델 별로 있다.
⑦ 모든 재질은 스텐인레스(Stainless-steel)로 되어 있다.

 

8. 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus)과 일반 피뢰침의 비교분석

◆ 전자식(ESE) 피뢰침(Nimbus) 자세히보기

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