서지전압은 왜 발생하며 어떻게 보호할 수 있는가

 

서지 전압(surge voltage)은 과도 전압(transient voltage)이라고도 불리며 전기 회로 또는 시스템에서 전압이 갑자기 일시적으로 증가하는 것을 말한다. 일반적으로 전압이 급격히 상승하여 짧은 시간(보통 수 마이크로 초 미만) 동안 지속되는 것이 특징이다. 서지 전압은 다양한 요인에 의해 발생할 수 있다. 낙뢰나 번개 등과 같은 자연현상에 의한 것도 있고 모터나 변압기 등과 같은 부하에 의해서도 발생할 수 있다. 이번 편에서는 서지 전압의 발생 원인과 어떤 영향을 미치는지, 그리고 서지 전압으로부터 보호하기 위한 대책은 무엇인지에 대해서 알아보고자 한다.

서지 전압은 왜 발생하는가

일반적으로 서지 전압은 낙뢰, 정전, 유도 부하 전환, 전자기 간섭 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있다. 번개나 낙뢰와 같은 현상은 매우 짧은 시간 안에 엄청난 양의 전기 에너지를 생산할 수 있는 자연 현상이다. 번개가 근처의 전력선이나 전기 장비를 칠 때, 그것은 전력 시스템에 서지 전압을 유도할 수 있다. 번개에 의해 생성되는 서지 전압은 매우 높을 수 있으며, 종종 수천 볼트에 이를 수 있다. 이러한 전압의 갑작스럽고 강력한 증가는 시스템의 전자 부품을 손상시키거나 파괴할 수 있다. 그리고 모터 또는 변압기와 같은 유도 부하의 전원을 끄면 부하를 둘러싼 자기장이 갑자기 붕괴되면서 기존의 공급 전력과 반대 방향으로 서지 전압을 발생시킬 수 있으며 이 전압은 전력 시스템을 통과하여 전자 부품에 손상을 손상시킬 수 있다. 또한 전력 시스템에 사용되는 고전압 캐패시터와 같은 용량성 부하의 전원을 켜거나 끌 때 서지 전압을 생성할 수도 있다. 커패시터는 회로에 연결되거나 회로에서 분리될 때 전기 에너지를 저장했다가 갑자기 방출할 수 있기 때문이다. 저장된 에너지가 갑자기 방출되면 고전압에 의한 서지 전압이 발생하여 시스템의 전자 부품에 손상을 일으킬 수도 있다. EMI라 불리는 전자기 간섭도 서지 전압의 또 다른 일반적인 원인이다. EMI는 전자 장치 및 장비에 의해 생성되며, 근처 장치의 작동을 방해할 수 있다. 전자 장치가 EMI를 방출할 때, 주변 회로 및 시스템에 서지 전압을 유도하여 전자 부품의 손상을 유발할 수 있다. 때로는 전력망 자체에서 과전압 상태가 발생하여 서지 전압이 전력 시스템을 통해 전달될 수도 있다. 과전압은 낙뢰나 변압기 고장과 같은 전력망의 결함으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 고장으로 인해 전압이 전력 시스템의 정상 작동 전압보다 높은 수준으로 상승하여 서지 전압이 발생할 수 있습니다. 이렇듯 다양한 원인에 의해 전력 시스템에 서지전압이 발생할 수 있다. 그렇다면 이렇게 불규칙한 서지 전압은 전력 설비에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 알아보자.

 

 

서지 전압이 미치는 영향

서지 전압은 예상할 수 없이 갑작스럽게 발생할 수 있고 그 영향으로 인해 장비의 손상이 발생할 수도 있다. 이번에는 서지 전압이 전력 시스템에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서 알아보자. 우선 서지 전압은 전원 시스템 내의 장비를 손상시킬 수 있다. 전원 공급 장치, 제어 회로 및 통신 시스템과 같은 전자 부품은 서지 전압에 의한 손상에 특히 취약할 수 있다. 서지 전압과 관련된 고전압 및 전류로 인해 구성 요소가 고장이 발생하거나 영구적으로 손상될 수 있다. 서지 전압은 전원 시스템의 작동을 방해할 수도 있다. 갑작스러운 과전압이 발생하고 이로 인해 정전, 장비 종료 및 기타 시스템 중단이 발생할 수 있다. 이러한 중단은 전원 공급 중단, 장비 손상 및 생산성 손실로 이어질 수 있다. 또한 서지 전압은 전원 시스템의 전압 불안정을 야기할 수도 있다. 전압 불안정은 시스템의 전압 레벨이 예측할 수 없이 빠르게 변동할 때 발생하고 이로 인해 장비가 잘못된 전압 레벨에서 작동하여 손상 및 장비 고장으로 이어질 수 있다. 이러한 불안정한 전압으로 인해 전원 시스템 전체의 품질에도 영향을 미칠 수 있다. 전력 품질은 소비자에게 전달되는 전력의 전압, 주파수, 파형 수준을 의미한다. 서지 전압은 파형에 왜곡을 일으켜 고조파 왜곡, 전압의 스파이크와 같은 전력 품질 문제를 일으킬 수 있다.

 

이렇게 서지 전압은 전력 시스템에 상당한 영향을 미쳐 장비 손상, 시스템 장애, 전압 불안정 및 전력 품질 문제를 야기할 수 있다. 서지 전압을 방지하고 완화하는 것은 장비를 보호하고 전기 시스템의 안정적인 작동을 보장하는 데 필수적이다. 그렇다면 이런 서지전압으로부터 장비를 보호할 수 있는 방법에는 무엇이 있는지에 대해서 알아보자.

 

 

서지 전압의 예방 대책

서지 전압을 방지하고 완화하기 위해 취할 수 있는 방법에는 여러가지가 있다. 그중에 첫 번째는 서지 보호 장치(Surge Protective Device)이다. 서지 보호 장치는 이를 통과하는 전압과 전류를 제한하도록 설계되어 서지 전압으로부터 그 이하의 장비들을 보호한다. SPD는 전기력시스템 최상단에 설치되어 서지 전압이 시스템에 유입되는 것을 초기에 방지한다. 대표적인 SPD에는 서지 피뢰기가 있다. 접지를 하는 것도 서지 전압으로부터 장비를 보호하는 방법 중에 하나이다. 접지 시스템은 과도한 전류가 안전하게 방전될 수 있는 경로를 제공하여 장비 손상 및 시스템 중단을 방지한다. 적절한 접지는 또한 EMI로 인한 서지 전압의 위험을 줄일 수도 있다. 차폐를 통해 서지 전압으로부터 보호하는 방법도 있다. 차폐는 EMI가 장비로 유입되는 것을 방지하기 위해 구리와 같은 전도성 물질에 장비를 둘러싸는 것을 포함한다. 차폐는 의료기기 및 통신 시스템과 같은 민감한 장비에 특히 효과적일 수 있다. 그 외에도 전력 시스템을 적절하게 유지 관리하는 것도 서지 전압을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 장비와 배선을 정기적으로 검사하면 손상이 발생하기 전에 잠재적인 문제를 식별하는 데 도움이 될 수 있다. 또한 장비 내에 열 축적이나 절연 파괴로 인한 문제를 예방하는 데 도움이 될 수 있다.

 

서지 전압은 전력 시스템에 상당한 영향을 미칠 수 있으며 장비 손상, 전압 불안정 및 전력 품질 문제를 야기할 수 있다. 이러한 서지전압의 발생에 대해 서지 보호 장치, 차폐 및 적절한 유지보수를 포함한 여러 가지 조치를 통해 완화 조치를 구현하면 서지 전압의 영향으로부터 전력 시스템을 보호하고 안정적으로 설비를 작동하는데 도움이 될 수 있을 것이다.