수뢰부 설계 보호각법 회전구체법 메시법에 대하여 알아보겠습니다. 수뢰부란 낙뢰 전류를 가장 먼저 받아들이는 피뢰설비의 구성요소로, 건축물이나 시설물을 직접적인 낙뢰로부터 보호하기 위해 설치된다. 주로 피뢰침, 인하도선, 메시 등으로 구성되며, 수뢰부에서 낙뢰를 수용한 뒤 인하도선과 접지극을 통해 안전하게 전류를 대지로 방전시킨다. 수뢰부의 설계는 피뢰설비 전체 성능을 좌우하며, 보호각법, 회전구체법, 메시법 등의 방식에 따라 결정된다. 건축물의 높이와 중요도에 따라 적절한 방식의 수뢰부를 선택해야 한다.
1. 보호각법
보호각법(Protection Angle Method)은 피뢰설비 설계 시 가장 기본적이고 오래된 방식으로, 특히 수뢰부의 설계에서 많이 활용됩니다.
1.1 기본원리
- 보호각도(α)는 피뢰침의 높이(H)에 따라 결정된다.
- H가 클수록 보호각(α)은 작아지며, 보호범위는 평면상에서 확대되다가 한계 이상에서는 오히려 감소함.
- 보호각 내부에 있는 구조물은 낙뢰로부터 보호된다고 본다.
1.2 보호각 기준
※ 국내 “전기설비기술기준” 및 NFPA 780 기준에 동일 적용됨
- 보호각의 크기는 피뢰시스템의 등급(보호레벨)에 따라 다릅니다.
- 일반적으로 4등급(일반 건축물)은 보호각 60°~70°까지 허용되지만, 1등급(중요시설)은 최대 20°~30° 등으로 제한됩니다.
- 「건축물의 설비기준에 관한 규칙」, 「한국공업규격 KS C 9609」 등에서는 위험물 저장시설 등에는 45° 이하의 보호각을 적용하도록 규정합니다.
- 미국 NFPA 780 등 해외 기준에서도 높이에 따라 63°(7.6m 이하), 45°(15.24m 이하) 등으로 규정합니다.
1.3 특징 및 장단점
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | 구조가 단순하고 계산이 쉬움 |
| 단점 | 고층 구조물 보호에 부적합 (높이 증가 시 보호범위 감소), 설계가 보수적이지 않음 |
| 적용 대상 | 주로 60m 이하의 저층 건축물, 야외전기설비 등에 적합 |
안테나, 소규모 시설 등 단순 구조물에 주로 적용하며, 돌침의 높이와 보호각에 따라 보호범위를 도면상에 산정합니다
2. 회전구체법
회전구체법 (Rolling Sphere Method)은 반지름 R의 가상의 구체를 건물 외부에서 굴려, 구체가 닿지 않는 영역을 보호공간으로 간주하는 방식이다. 낙뢰 선행리더의 진행 가능 범위를 수학적으로 모델링한 방법이다.
2.1 기본원리
- 회전구체법은 피뢰설비의 국제표준(IEC 62305, KS C IEC 62305)에서 가장 널리 인정하는 방법입니다.
- 낙뢰의 선행방전이 대지에 접근하는 상황을 가정하여, 피뢰등급에 따라 정해진 반지름(R)의 가상 구체를 구조물 주위에 굴립니다.
- 이 구체가 구조물과 접촉하는 모든 지점에 수뢰부(피뢰침, 도체 등)를 설치하면, 구체 내부에 위치한 공간이 보호받는 영역이 됩니다
2.2 법적기준
- 회전구체의 반지름(R)은 피뢰시스템 등급에 따라 다릅니다.
- 예: 1등급 20m, 2등급 30m, 3등급 45m, 4등급 60m.
- 건축물 높이가 60m를 초과하거나, 복잡한 구조·고층 건물에는 반드시 회전구체법을 적용해야 합니다.
- 국내 대부분의 일반 건축물은 4등급(60m 반경) 기준을 적용합니다.
| 보호등급 | Ⅰ등급 | Ⅱ등급 | Ⅲ등급 | Ⅳ등급 |
|---|---|---|---|---|
| 회전구체 반경 (R, m) | 20 m | 30 m | 45 m | 60 m |
- 고층건물, 복잡한 형태의 구조물, 위험물 저장소 등에서 주로 사용합니다.
- 설계 시, 도면상에 반지름 R의 구체를 굴려 접촉점에 피뢰침/도체를 배치하여 보호범위를 산정합니다.
3. 메쉬법
메쉬법(Mesh Method)은 피뢰설비의 수뢰부 설계에서 넓은 평지붕이나 단순한 형태의 건축물에 주로 적용되는 방식으로, 금속 도체를 격자(메쉬) 형태로 설치하여 건물 전체를 낙뢰로부터 보호하는 방법입니다.
3.1 기본원리
- 메쉬법은 건물의 지붕이나 외벽 상단에 일정 간격의 금속 도체(주로 동선 또는 아연도금 강선)를 격자 형태로 설치합니다.
- 이 격자 내부에 위치한 공간은 낙뢰로부터 보호받는 것으로 간주합니다.
- 격자망은 각 모서리와 교차점에서 충분히 전기적으로 연결(본딩)되어 있어야 하며, 여러 지점에서 접지와 연결됩니다.
3.2 법적기준
- 메쉬법의 가장 핵심적인 설계 기준은 메쉬(격자) 간격으로, 이는 피뢰시스템의 보호등급(레벨)에 따라 다르게 규정됩니다.
- 대표적인 기준(KS C IEC 61024, KS C IEC 62305, KSC 9609 등)은 다음과 같습니다.
- 등급은 건물의 용도, 중요성, 낙뢰 위험도에 따라 결정되며, 위험물 저장소 등은 높은 등급(간격이 좁음), 일반 건물은 낮은 등급(간격이 넓음)을 적용합니다.
- 메쉬법은 평지붕, 완만한 경사 지붕 등 단순 평면 구조에 적합합니다. 경사가 심하거나 돌출부가 많은 경우에는 회전구체법 등 다른 방법을 병행할 수 있습니다.
| 보호등급 | 메쉬 간격(최대, m) |
|---|---|
| I | 5 |
| II | 10 |
| III | 15 |
| IV | 20 |
3.2.1 메시폭 기준표 (IEC 62305-3 기준)
| 보호등급 | Ⅰ등급 | Ⅱ등급 | Ⅲ등급 | Ⅳ등급 |
|---|---|---|---|---|
| 메시폭 [m] | 5 × 5 | 10 × 10 | 15 × 15 | 20 × 20 |
3.3 고려사항
- 도체 재질 및 규격: 일반적으로 8mm 이상의 동선 또는 동등 이상의 전도율을 가진 금속선을 사용합니다.
- 설치 방법:
- 지붕 또는 보호 대상 면에 직교하는 방향으로 도체를 일정 간격(위 표 기준)으로 배치하여 격자망을 만듭니다.
- 격자망의 교차점, 모서리 등은 전기적으로 견고하게 접속(본딩)해야 합니다.
- 메쉬망의 여러 지점(최소 2곳 이상)에서 접지극과 연결하여 낙뢰 전류가 효과적으로 대지로 방전되도록 해야 합니다.
- 자연부재 활용: 금속 지붕, 금속 난간 등 충분한 두께와 연속성을 가진 금속 구조물은 메쉬 도체로 활용할 수 있습니다.
- 접지: 메쉬망은 반드시 접지와 연결되어야 하며, 접지 저항은 관련 규정(KEC, KS 등)에 따라 관리합니다.
- 설치 위치: 메쉬망은 지붕 가장자리, 돌출부, 금속구조물 등 낙뢰가 직접 닿을 수 있는 모든 부분을 포함해야 합니다.
3.4 보호효과 및 한계
- 메쉬법은 평면적이고 넓은 지붕에서 경제적이고 효과적으로 낙뢰 보호가 가능합니다.
- 돌출부, 높은 구조물, 복잡한 형태에는 보호각법이나 회전구체법과 병행 적용이 필요할 수 있습니다.
- 메쉬 간격이 좁을수록 보호효율이 높아지지만, 시공비용도 증가합니다.