Lightning system을 이해하기 위해서는 낙뢰의 생성 원리를 아는 것이 도움이 많이 될 것 같아 준비했습니다.
낙뢰의 생성 원리를 알아보고 Lightning Arrester에 대해서 차근 차근 알아보도록 하겠습니다.
낙뢰의 생성 원리
낙뢰가 생성되는 원리는 대기 중의 전기적 현상과 관련이 있습니다. 낙뢰는 일반적으로 다음과 같은 과정을 통해 발생합니다:
1. 대기 중의 전하 분리 구름 형성: 대기 중의 수증기가 상승하면서 냉각되고 응결되어 구름이 형성됩니다. 이 과정에서 수증기가 작은 물방울로 변하고, 이 물방울들이 서로 충돌하면서 전하를 분리하게 됩니다.
- 전하 분리: 구름 내부에서 물방울과 얼음 결정이 충돌하면서 전하가 분리됩니다. 가벼운 양전하(양전하를 가진 물방울)는 구름의 상부로 이동하고, 무거운 음전하(음전하를 가진 물방울)는 구름의 하부에 모이게 됩니다. 이로 인해 구름 내부에 전하의 불균형이 발생합니다.
2. 전기장 형성 전기장 생성: 구름의 상부와 하부에 각각 양전하와 음전하가 모이게 되면, 이들 사이에 강한 전기장이 형성됩니다. 이 전기장은 구름과 지면 사이, 또는 구름과 구름 사이에 존재할 수 있습니다.
3. 방전 경로 형성 전기장 강도 증가: 전기장이 특정 임계값에 도달하면, 대기 중의 공기가 절연체에서 도체로 변하게 됩니다. 이때 방전 경로가 형성됩니다. 초기 방전: 전기장이 강해지면, 구름의 하부에서 지면으로 또는 구름 내부에서 다른 구름으로 전하가 이동하기 시작합니다. 이 초기 방전은 "리더"라고 불리며, 낙뢰의 경로를 형성합니다.
4. 본 방전 주 방전: 리더가 지면에 도달하면, 지면에서 반대 전하가 상승하여 리더와 연결됩니다. 이때 대량의 전하가 빠르게 이동하면서 강한 전류가 흐르고, 이 과정에서 빛과 열이 발생하여 우리가 아는 낙뢰가 생성됩니다.
- 소리 발생: 낙뢰가 발생할 때, 전류가 흐르면서 공기가 급격히 가열되고 팽창하여 음파가 발생합니다. 이 음파가 천둥 소리로 들리게 됩니다.
요약
낙뢰는 대기 중의 전하 분리, 전기장 형성, 방전 경로 생성, 그리고 본 방전의 과정을 통해 발생합니다. 이러한 과정은 대기 중의 물리적, 전기적 현상에 의해 이루어지며, 낙뢰는 자연에서 발생하는 강력한 전기적 현상 중 하나입니다.
Lightning Arrester 구분
Lightning Arrester는 외부에서 발생하는 낙뢰로 부터 전기 시스템을 보호하는 장치로 전압을 안전하게 접지로 분산시키는 역활을 합니다.
크게 Active Arrester와 Passive Arrester(Conventional type)으로 구분이 가능하며 Active Arrester와 Passive Arrester의 개념과 원리는 다음과 같습니다.
a) Active Arrester(ESE Arrester):
낙뢰가 발생하기 전에 조기 방전을 유도하여 낙뢰의 경로를 변경하는 방식으로 대기중의 전기적 변화를 감지하고(구름아래에 생성된 무거운 음전하(-)), 이를 기반으로 조기 방전을 유도 하는 원리 입니다. ESE(Early Streamer Emission)이 대표적인 Active Arrester로 대기 중의 전기장이 특정 수준에 도달하면, 내부의 방전 경로를 통해 전기적 방전을 시작하여 설정된 경로를 통해 낙뢰가 발생할 때 전류가 ESE Arrester를 통해 흐르도록 유도합니다.
b) Passive Arrester(Conventional Lightning Arrester)
흔희 피뢰침이라고 부르는 Franklin Rods(프랭클린 로드)는 Passive category에 속하는 낙뢰 보호 장치로 낙뢰로 부터 보호가 위하여 최적화된 위치에 구성을 합니다. 일반적으로 낙뢰는 가장 높은 지점이나 전하를 가진 물체에 떨어지는 경향이 있기때문에 이를 고려하여 설계 및 설치를 하고 낙뢰의 전하를 지면으로 접지하는 역활을 합니다.