건축물 피뢰설비 안정성 평가를 위한 인하도선 전기적 연속성 측정 장치에 관한 연구 = A study on electrical continuity measurement device for the safety evaluation of down conductors of lightning protection system of buildings

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 건축 피뢰시스템의 안전성평가를 위한 전기적연속성 측정 장치 개발에 관한 연구에 대해 기술하였다.
낙뢰에 의한 전기전자 설비의 오동작 및 고장사고는 안정적인 전원공급을 위협하는 위험요소로 국내에서도 이와 관련된 사고가 빈번히 발생하고 있다. 국내에서는 2011년 자연재해대책법이 발효되었으며 낙뢰 역시 자연재해의 요인으로 규정하고 있어 주요 공공 시설물에서는 이에 대한 보호대책 수립 및 점검이 필요하다.
피뢰시스템은 국제 기술표준 IEC 62305 Protection against lightning에 규정되어 있으며 건축구조물의 피뢰대책 수립은 설계 단계에서부터 반영되어 완벽한 본딩 시스템이 구축되어져야 하며 주기적인 예방 점검이 필요하다. 본 연구에서는 피뢰설비 안전성 진단의 일환으로 건축구조물의 전기적 연속성 측정 장치에 관한 연구를 수행하였다. 피뢰시스템은 수뢰부에 뇌격 시 이를 인하도선과 접지시스템을 통해 뇌격전류를 대지로 방류하기 위한 것으로 구조물의 최상부에서 접지시스템까지의 전기적 연속성에 대한 검증이 필요하다. IEC 62305에 의하면 철근콘크리트 구조물에서 최상부와 지표사이의 전기적 연속성을 측정하며 10[A]의 시험전류로 측정하여 저항이 0.2[Ω]이하로 유지하도록 규정하고 있다.
이를 위해 10[A]급의 정현파 전류를 주입하여 피뢰설비의 전기적 연속성을 평가하기 위한 측정시스템을 임베디드 기반 하드웨어로 설계하였다. 전기적 연속성 측정 장치의 시험전류 생성부는 D/A변환기와 전류 증폭용 앰프회로의 조합으로 구성하였으며 설계된 최대 저항 측정 범위인 3[Ω] 까지 10[A]의 정현파 정전류를 유지하며 측정됨을 확인하였으며 IEC 62305 규격의 시험규격에 부합함을 확인하였다.
단순히 저항을 측정하는 방식에서 저항성분과 리액턴스 성분을 측정하여 임피던스로 분석하는 방안을 제시하였으며 이는 피뢰설비의 뇌격전류와 같은 고주파 성분이 포함된 시설물의 안전성 평가에는 기존의 방법 보다 신뢰성 있는 방안으로 판단된다.
측정의 정확도를 개선하기 위해 측정 리드선의 영향을 배제하고 4단자 식 측정을 2단자 식 측정으로 간소화하는 기능을 구현하였다. 2단자 식 측정 기법으로 측정 시, 측정용 장거리 리드선에 따른 측정 오차를 개선하기 위해 리드선의 임피던스를 먼저 측정하여 보상하는 방식을 제안하였다. 이를 통해 기존의 4선식 측정방식에 비해 동등한 정확도를 유지하면서 현장에서 사용 시 작업 효율성의 개선효과가 있다고 판단된다.
저 저항 측정에 대한 공인 시험 결과 교정된 측정 장치와 시제작된 측정 장치로 측정된 값이 거의 일치함을 확인하였으며 개발품의 저항 측정 정확도를 입증하였다.
시제작된 측정 장치를 이용하여 현장에서 기존 상용 측정 장치와 비교 측정한 결과 유사한 결과 값을 나타냄을 확인하였다. 또한 기존 상용 장치에서는 분석이 불가능한 저항성분과 리액턴스 성분에 대한 측정도 가능함을 확인하였다. 이를 통해 건축물에서 인하도선 또는 금속 구조물로 구성되는 피뢰시스템의 특성을 임피던스로 분석하기 위한 기본 자료 확보가 가능하며 피뢰설비의 안전성 검증 및 대책 수립에 효과적인 데이터를 제공할 수 있다.
이상의 연구를 통해 건축물 피뢰시스템의 안전성 평가를 위한 전기적 연속성 측정 장치를 구현하였으며 현장 적용을 통해 유효성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper has studied the electrical continuity measurement system for the safety evaluation of the lightning protection system of building. Malfunctions and accidents in electrical equipment caused by lightning strike are a risk factor for stable electrical environment. In Korea, the Natural Disaster Countermeasures Act came into effect in 2011, and lightning strikes are also a factor in natural disasters, so major public facilities need to establish and check their countermeasures. The lightning protection system is defined in the international technical standard IEC 62305 "Protection against lightning", and the establishment of lightning protection measures for building structures should be reflected from the design stage, and a perfect bonding system should be built and periodical preventive checks are required.
In this study, the electrical continuity measuring device of the building structure was studied as part of the safety diagnosis of the lightning protection system. The lightning protection system is for discharging lightning current to ground through the down-conductor wire and grounding system. It is necessary to verify the electrical continuity from the top of the structure to the grounding system. According to IEC 62305, the electrical continuity between the top and the ground in reinforced concrete structures is limited below 0.2Ω. at 10A of test current.
For this purpose, a embedded system for evaluating the electrical continuity of the lightning protection system by using a 10A current was designed. The test current generator part was composed of D/A converter and current amplifying amplifiers and it was confirmed that the sine wave constant current of 10 A is maintained up to the maximum resistance measurement range of 3 Ω.
Also it is suggested to measure the resistive component and reactance component instead of only measuring the resistance of structure. Because this method is more reliable than the existing method to evaluate the safety of the facility including the high frequency component such as lightning current.
In order to increase the accuracy of the measurement, the function of excluding the influence of the measurement lead wire and simplifying the 4-terminal measurement to the 2-terminal measurement is implemented. Compensating method was suggested to reduce the measurement error by the long-distance lead wire.
As a result of the official test for low resistance measurement, it was confirmed that the value measured by the calibrated measuring device and the manufactured measuring device was almost identical and the resistance measurement accuracy of the developed product was proved. It was confirmed that the result of the comparative measurement in the field using the prototype measuring device showed similar result value. In addition, it was confirmed that the measurement of the resistance component and reactance component that cannot be analyzed in the existing commercial equipment. Through this, it is possible to secure basic data for analyzing the characteristics of the lightning protection system composed of down-conducting wires or metal structures and to provide effective data for safety verification and establishment of measures for lightning protection facilities.
Through the above studies, the electrical continuity measuring device for safety evaluation of building lightning protection system was implemented and its validity was verified through on-site application.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목표 및 내용 10
• 제 2 장 전기적 연속성 측정 기법 11
• 2.1 건축물의 전기적 연속성 측정 방법 11
• 2.2 구조물의 본딩 임피던스 측정 기법 14
• 제 3 장 개선된 전기적 연속성 측정 장치 19
• 3.1 전기적 연속성 측정 장치 개선 방안 19
• 3.2 개선된 전기적 연속성 측정 장치 구성 20
• 3.3 개선된 측정 장치의 정확도 검증 24
• 3.3.1 측정 장치 성능 분석 24
• 3.3.2 상용장치 임피던스 측정 비교 실험 26
• 3.3.3 측정 리드선 상태에 따른 임피던스 측정 비교실험 31
• 3.4 개선된 측정 장치의 실측 36
• 3.4.1 시제품의 공동주택 전기적 연속성 측정 36
• 3.4.2 시제품의 화학공장 전기적 연속성 측정 43
• 제 4 장 결 론 46
• 참고문헌 48