어렸을 때 발전소 견학을 갔다가 송전선에 낙뢰가 떨어지기 전에 전기를 끊어서 시설을 보호할 수 있다는 설명을 들은적이 있었는데

그 때는 어떻게 낙뢰가 떨어지는것을 미리 알수 있는지 궁금했지만 (제 성격이 쑥맥이라서) 그 자리에서 물어보지 못했었습니다.

그 궁금증을 안고 성인이 된 지금까지 이에 대해 편하게 물어보거나 답해줄 사람이 없었고

구글링 등을 통해 찾아보려면 찾아볼 수도 있었겠지만 나름 전문 분야라 그런지 입맛에 맞는 답변을 찾기 어려워서

긴 시간을 들여서 원하는 답변을 찾는것을 반 포기 하고 있었습니다.

사실 작년에도 ChatGPT에게 동일한 질문을 해 봤으나 그 때의 답변은 '아, 아직 멀었구나' 라는 생각이 들었었는데

이번에 chatgpt.com 을 통해 얻은 답변은 다음과 같습니다.

질문 : 변전시설이 낙뢰가 떨어지기 직전에 전기를 끊을 수 있는 원리를 알고싶어.

ChatGPT 응답 : 변전시설이 낙뢰가 떨어지기 직전에 전기를 끊을 수 있는 원리를 이해하려면, 먼저 낙뢰가 발생하는 과정과 전기 시스템에서의 차단 원리를 이해하는 것이 중요합니다.

1. 낙뢰의 발생 원리

낙뢰는 대기 중에서 대전된 구름과 지구 사이에 전기적 차이가 발생하여 그 차이를 해소하려는 과정에서 일어납니다. 이 전기적 차이가 매우 커지면, 대기 중의 공기가 절연을 깨고 전류가 흐르기 시작하는데, 이를 "낙뢰"라고 합니다. 낙뢰가 발생하면 매우 높은 전류가 지면으로 흐르며, 이때 전기적 충격을 줄이기 위한 안전 장치가 필요합니다.

2. 낙뢰와 변전시설

변전시설에서는 고압 전기가 흐르기 때문에 낙뢰가 시설에 직접 떨어지거나 그 근처에 발생할 경우, 큰 전압 변동과 전류의 급증이 발생할 수 있습니다. 이는 변전시설의 전기 장비에 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다. 따라서 낙뢰가 발생할 때 이를 예방하거나 대응하기 위한 기술적 장치가 필요합니다.

3. 전기 차단 원리

변전시설에서는 낙뢰가 발생할 가능성에 대비하여 다양한 보호 장치와 차단 장치를 사용합니다. 낙뢰가 떨어지기 직전에 전기를 차단할 수 있는 주요 원리는 **“과전압 차단”**과 **“고속 차단 시스템”**을 통한 보호입니다.

1) 과전압 차단 장치

낙뢰가 발생하면 갑작스러운 전압 상승이 일어나므로, 변전소에는 서지 보호기(Surge Protector) 또는 과전압 릴레이가 설치되어 있습니다. 이 장치들은 급격한 전압 변동을 감지하고, 일정 임계값을 초과하면 전기를 빠르게 차단하거나 그 전압을 안전한 수준으로 낮춰 줍니다. 이를 통해 낙뢰로 인한 피해를 방지할 수 있습니다.

2) 고속 차단 시스템

낙뢰로 인한 전압 스파이크가 발생하기 전에, 변전시설의 차단기가 빠르게 동작하여 회로를 차단합니다. 차단기는 전류가 흐르기 전에 이를 감지하여 전기를 끊는 역할을 합니다. 이 시스템은 초고속으로 작동하여 전기 설비가 손상되지 않도록 보호합니다.

3) 대기전압 예측 및 대응

최근에는 낙뢰가 발생할 가능성이 높은 상황을 예측하고, 낙뢰 예측 시스템을 이용하여 기상 정보와 결합하여 낙뢰가 발생할 위험이 있는 지역에 대해 미리 경고하고, 이를 기반으로 변전시설의 전기 시스템을 미리 차단하거나 준비하는 방법도 연구되고 있습니다.

4. 결론

변전시설이 낙뢰가 떨어지기 직전에 전기를 끊는 원리는 과전압 차단 장치와 고속 차단 시스템을 활용하여 낙뢰로 인한 전압 스파이크와 전류 급증을 사전에 감지하고 차단하는 방식입니다. 또한, 낙뢰 발생에 대한 예측 시스템을 통해 보다 능동적으로 대응할 수 있습니다.

재 질문 : 과전압 차단장치나 고속 차단 시스템도 과도전류가 어느 이상이 돼야 이를 감지하고 동작하는것으로 보이는데 과도전류는 낙뢰가 떨어진 이후에 관찰되는 현상이 아닌가? 아니면 낙뢰가 떨어지기 직전에 과도전류가 먼저 발생하기 시작하는건가?

네, 당신이 언급하신 것처럼 과전압 차단장치나 고속 차단 시스템은 일반적으로 과도전류가 일정 수준을 초과할 때 작동하는 장치입니다. 그러나 낙뢰가 떨어지기 직전에 전기를 끊을 수 있는 방식은 조금 더 정밀한 시나리오를 요구합니다. 이 질문을 풀기 위해 낙뢰와 과도전류 발생 과정을 더 깊이 이해할 필요가 있습니다.

1. 낙뢰와 과도전류의 발생 시점

낙뢰가 발생하는 주요 과정은 아래와 같습니다:

• 구름과 지면 사이의 전위 차가 커지면, 대기 중에서 절연이 깨지고 전류가 흐르기 시작합니다. 이때 발생하는 전류를 낙뢰 전류라고 합니다.
• 낙뢰가 시작되기 전, 구름 안에서의 방전 준비가 이뤄지고 있을 때 이미 대전된 입자들이 빠르게 이동하여 전압을 형성합니다.
• 낙뢰가 떨어지기 직전에는 구름과 지면 사이의 전위 차이가 매우 크게 증가합니다. 하지만 실제로 낙뢰 전류가 발생하는 시점은 낙뢰가 지면에 떨어지면서 과도전류가 급격히 나타나는 순간입니다.

따라서, 낙뢰가 떨어지기 직전에 과도전류가 발생한다고 단정할 수는 없습니다. 낙뢰가 실제로 발생하는 순간, 그 순간의 전압 급등과 전류 급증이 과도전류로 나타나게 됩니다.

2. 과전압 차단기 및 고속 차단기 동작 시점

낙뢰가 발생하고 나서, 고속 차단기나 과전압 차단장치가 동작하는 원리는 낙뢰 전류의 급격한 변화를 감지하는 방식입니다.

• **과전압 차단장치 (서지 보호기)**는 낙뢰로 인한 전압의 급격한 상승(서지)을 빠르게 감지합니다. 이 장치는 전압이 갑자기 상승하는 시점을 감지하고, 과도전압을 다른 경로로 우회시켜 주거나 시스템에 과전압이 전달되지 않도록 합니다.

  • 이 장치는 낙뢰가 떨어진 후에 전압 스파이크를 감지하여 보호하는 방식으로 동작하지만, 서지 보호기는 대개 전압 상승의 초기 징후를 매우 빠르게 감지하여 빠르게 반응합니다.

• 고속 차단기는 전류의 급증(과도전류)을 감지하여 전류가 흐르기 전에 회로를 차단하는 역할을 합니다. 이는 낙뢰로 인한 과도전류가 발생하면 바로 차단하는 방식입니다. 낙뢰 전류의 크기나 전류의 급격한 변화가 감지되면 차단기가 즉시 동작합니다.

3. 낙뢰가 떨어지기 전의 과도전류 감지

낙뢰가 떨어지기 전에 과도전류가 먼저 발생하는지에 대한 질문에 대한 답은 **"일반적으로 낙뢰 전류가 발생하기 전에는 과도전류가 감지되지 않는다"**입니다. 그러나 낙뢰 전류가 발생하는 순간에는 고속 차단 시스템이 전류의 급증을 매우 빠르게 감지할 수 있습니다.

특히, 낙뢰는 대개 단기간에 매우 강한 전류 스파이크를 발생시키기 때문에, 고속 차단기나 서지 보호기와 같은 장치는 낙뢰가 발생한 직후 매우 짧은 시간 내에 이를 감지하고 차단하거나 보호하는 방식으로 동작합니다. 즉, 낙뢰가 이미 발생한 이후에 차단이 이루어지는 경우가 대부분입니다.

4. 결론

낙뢰가 떨어지기 직전에 과도전류가 먼저 발생한다고 말하기는 어렵습니다. 낙뢰가 발생하면 낙뢰 전류가 급격하게 흐르고, 이 전류의 급증을 감지한 과전압 차단장치나 고속 차단기가 이를 처리합니다. 낙뢰 전류가 발생하는 시점에 매우 빠르게 반응하는 장치들이기 때문에, 낙뢰 발생 후 매우 짧은 시간 안에 시스템을 보호할 수 있는 것입니다.

낙뢰가 "직전에" 전기를 끊는 기술은 예측 시스템을 통해 낙뢰 발생 가능성을 미리 알고, 이를 바탕으로 미리 보호하는 방식에 가까울 수 있습니다.

그럼 낙뢰로부터 보호를 위해 차단했던 전기가 다시 연결되는데 걸리는 시간은 대략 어느정도 걸리지?

낙뢰로 인한 과전압이나 과도전류를 차단한 후, 전기를 다시 연결하는 시간은 여러 요소에 따라 달라집니다. 이 시간은 사용된 차단기 종류, 보호 장치 설정, 시스템의 자동 복구 기능 등에 영향을 받습니다. 일반적으로, 변전소나 고압 전력 시스템에서 차단 후 재접속 시간은 몇 초에서 몇 분 사이로 다를 수 있습니다. 그러나 빠르게 재연결하는 시스템의 경우는 수 초 이내에 다시 전기를 공급할 수 있습니다.

1. 고속 차단기 (Circuit Breaker)와 자동 재연결

고속 차단기는 낙뢰로 인한 과도전류나 과전압이 감지되면 즉시 회로를 차단하고, 차단된 후 일정 시간이 지나면 자동으로 회로를 다시 연결(재연결)하려고 시도할 수 있습니다. 이 시스템은 보통 2초~10초 이내에 회로를 다시 연결하는 경우가 많습니다. 이때, 시스템은 전압이나 전류 상태를 점검하고 안전이 확인되면 다시 전기를 연결합니다.

2. 자동 재투입(Automatic Reclosing) 시스템

자동 재투입은 고속 차단기와 함께 동작하는 기능으로, 사고가 발생한 후 일정 시간이 지나면 자동으로 전기를 재연결하려고 시도합니다. 보통 변전소에서는 2초~5초 내에 차단 후 재투입을 시도할 수 있으며, 이 과정은 3회~5회 반복될 수 있습니다. 그 후에도 회로가 정상화되지 않으면 수동 복구가 필요할 수 있습니다.

3. 과전압 보호 장치의 경우

서지 보호기(Surge Protector)와 같은 과전압 차단 장치는 낙뢰와 같은 급격한 전압 상승을 감지하여 전기를 차단합니다. 이들 장치는 전압이 안정화되면 즉시 전기를 재개합니다. 하지만 과전압 차단기와 고속 차단기는 서로 다르게 동작하므로, 과전압 차단기가 단순히 서지를 처리하는 것에 반해, 고속 차단기는 과도전류나 과부하 상황에서 회로를 차단하고 다시 연결하는 방식입니다.

4. 다시 연결하기 전 점검 시간

다시 연결하기 전에 시스템은 안전 점검을 거칩니다. 예를 들어, 낙뢰로 인한 과전류나 과전압이 발생한 후, 그로 인한 다른 설비의 손상 여부를 점검할 수 있습니다. 이 점검에 따라 몇 초에서 몇 분이 걸릴 수 있습니다. 특히, 대규모 시스템에서는 점검 시간이 길어질 수 있습니다.

5. 결론: 대체로 1~10초 이내

일반적으로, 낙뢰 후 차단된 전기를 다시 연결하는 시간은 시스템의 설정에 따라 다르지만, 고속 차단기와 자동 재투입 기능을 갖춘 경우, 대부분의 변전소에서는 1초~10초 이내에 전기를 재연결할 수 있습니다. 특히, 2초~5초 내에 자동으로 재투입을 시도하는 시스템이 많습니다.

단, 시스템의 안전을 위해 전기가 다시 연결되기 전에 안전 점검이 필요할 수 있으므로, 수 초에서 수 분이 걸릴 수도 있습니다.

이런 시대가 오고 말았군요

재미있어서 좀 더 물어봤습니다.

낙뢰로부터 발생되는 전류를 차단한다고 했는데 낙뢰의 전류를 끊는다는 의미인가? 아니면 과도전류가 변전시설로 흘러들어가는것을 바이패스시킨다는 의미인가?

좋은 질문입니다! (아니, 사용자를 칭찬하는 기능도 있나요? 흥미롭습니다.) 낙뢰로부터 발생되는 전류를 차단한다는 말은 낙뢰 전류 자체를 끊는 것과 과도전류가 변전시설로 흐르는 것을 방지하는 것 두 가지를 모두 포함하는 의미가 될 수 있습니다. 그러나 두 가지 방식은 동작 원리가 다릅니다. 이 부분을 더 구체적으로 설명드리겠습니다.

1. 낙뢰 전류를 끊는다는 의미

일반적으로 변전시설에서 낙뢰 전류를 "끊는다"는 표현은 낙뢰 전류가 시설에 직접적으로 흘러 들어오는 것을 방지하는 것에 더 가깝습니다. 낙뢰 전류 자체를 "끊는" 것은 사실상 물리적으로 불가능하며, 낙뢰가 발생하면 매우 강력한 전류가 매우 빠르게 흐르기 때문입니다.

그러나 낙뢰 전류가 변전시설로 유입되는 것을 차단하는 방식은 가능합니다. 낙뢰 전류가 시설로 들어오기 전에 이를 우회시키거나 회로를 차단하는 방식이 이루어집니다. 이때 사용하는 장치가 바로 서지 보호기(Surge Protector)나 과전압 차단기입니다.

2. 과도전류가 변전시설로 흘러들어가는 것을 바이패스시키는 의미

실제로 과도전류를 바이패스시킨다는 의미는 더 구체적이고 실질적인 보호 방법입니다. 과도전류란 낙뢰가 발생했을 때 전압과 전류가 급격히 증가하는 현상인데, 변전시설로 유입되는 낙뢰 전류는 서지 보호기나 과전압 릴레이에 의해 감지되고, 해당 전류가 전기 시스템을 통해 흐르지 않도록 **우회로(bypass)**로 유도됩니다. 즉, 변전소의 주요 장비를 보호하기 위해 전류가 직접적으로 흐르지 않도록 우회 경로를 제공하는 방식입니다.

서지 보호기의 예를 들면:

• 서지 보호기는 낙뢰가 발생해 과도전류가 유입되면 전류가 급격히 증가한 시점에 전압을 낮추거나, 전류를 우회시키는 경로로 보내 변전시설의 장비가 과전압이나 과도전류를 견딜 수 있도록 합니다.
• 고속 차단기나 자동 재투입 시스템은 시스템이 위험을 감지하면 빠르게 회로를 차단하고, 이를 통해 변전시설 내부의 장비나 배선이 낙뢰 전류를 직접적으로 받지 않도록 차단합니다.

따라서, 낙뢰 전류 자체를 끊는 것은 아니지만, 변전시설로 흘러들어가는 낙뢰 전류를 방지하거나 우회시키는 방식입니다.

3. 낙뢰 전류 차단을 위한 구체적인 장치들

• 서지 보호기 (Surge Protector): 서지 보호기는 변전시설에 낙뢰로 인한 전압 급증(서지)을 감지하고, 이를 우회시켜 변전소 장비가 과전압에 의해 손상되지 않도록 보호합니다. 서지 보호기는 전압이 일정 수준을 초과하면 이를 지면으로 흘려보내거나, 다른 안전한 경로로 우회시키는 방식으로 작동합니다.

• 고속 차단기: 고속 차단기는 낙뢰로 인한 과도전류(낙뢰 전류)가 감지되면 회로를 즉시 차단하여, 전류가 변전소로 유입되지 않도록 합니다. 이를 통해 낙뢰 전류가 직접적으로 변전시설로 흐르지 않도록 보호할 수 있습니다. 고속 차단기는 몇 밀리초 내에 동작하여, 전류가 흐르기 전에 이를 차단합니다.

4. 바이패스 방식

서지 보호기와 고속 차단기의 차이점은, 서지 보호기는 전압 급증을 감지하고 전압을 안전한 경로로 우회시키는 방식이라면, 고속 차단기는 과도전류가 흘러 들어오는 것을 차단하여 흐르지 않게 하는 방식입니다. 후자는 변전소 내부의 회로가 완전히 차단되는 방식으로 작동하여, 낙뢰가 발생한 후 과도전류가 변전시설로 흘러들어오는 경로를 완전히 차단합니다.

5. 결론

따라서, 낙뢰 전류를 끊는 것이라는 표현은 정확히 말하면 낙뢰 전류가 변전시설로 흘러 들어오는 것을 방지하는 방식이라고 볼 수 있습니다. 이를 위해서는 서지 보호기나 고속 차단기와 같은 장치들이 과도전류가 변전시설에 도달하지 않도록 우회시키거나, 과도전류가 흐르지 않도록 차단하는 방식으로 작동합니다. 낙뢰 전류를 "끊는다"기보다는, 그 전류가 변전시설로 유입되지 않도록 차단하거나 우회시키는 방식으로 보호가 이루어집니다.