피뢰침

피뢰침(避雷針, 영어: lightning rod, 문화어: 벼락촉)은 건축물에 설치되는 금속 막대로, 건축물을 낙뢰로부터 보호하기 위한 것이다. 만약 번개가 건축물을 타격할 경우, 번개는 건축물을 통과하여 화재를 일으키거나 감전사를 유발할 수 있는 것보다, 막대를 타격하고 전선을 통해 땅으로 전도될 가능성이 가장 높다. 피뢰침은 피뢰주(避雷柱), 피니얼, 공중 단자, 타격 종단 장치로도 불린다.

단순한 피뢰 시스템의 다이어그램

캐나다 토론토의 CN 타워 피뢰침에 번개가 치는 모습.

피뢰 시스템에서 피뢰침은 시스템의 단일 구성 요소이다. 피뢰침은 보호 기능을 수행하기 위해 접지와의 연결이 필요하다. 피뢰침은 속이 빈 형태, 단단한 형태, 뾰족한 형태, 둥근 형태, 납작한 띠 형태, 심지어 솔 브러시 형태까지 다양한 모양으로 제공된다. 모든 피뢰침에 공통적으로 나타나는 주요 특징은 구리 및 알루미늄과 같은 전도성 재료로 만들어졌다는 것이다. 구리와 그 합금은 피뢰에 사용되는 가장 일반적인 재료이다.^[1]

역사

최초의 적절한 피뢰침은 체코의 사제이자 과학자인 프로코프 디비시 신부가 1754년에 접지된 피뢰침을 세우면서 조립되었다. 디비시의 설계는 접지된 전선이 상단에 있는 수직 철 막대로, 번개 타격을 유인하고 안전하게 땅으로 전도하도록 고안되었다.^[2] 그의 실험 장치는 "날씨 기계"로 알려졌으며, 벤저민 프랭클린의 더 널리 알려진 실험보다 앞섰다. 프랭클린은 디비시의 연구보다 앞서 독자적으로 자신의 피뢰침 설계를 개발하고 대중화했으며, 이는 유럽과 북미 전역에서 널리 채택되었다. 프랭클린의 기여는 피뢰 시스템의 이해와 적용을 크게 발전시켰지만, 디비시의 초기 개념 작업은 전기 안전 공학 역사에서 중요한 이정표로 남아 있다.

대영 제국

후에 미국이 된 곳에서는 뾰족한 피뢰 도체(접지되지 않음)로, 번개 유인기 또는 프랭클린 로드라고도 불리며, 벤저민 프랭클린이 1749년 전기에 대한 그의 획기적인 탐구의 일환으로 고안했다.^[3] 전자기와 번개 사이의 상관관계를 처음으로 제시한 사람은 아니었지만, 프랭클린은 자신의 가설을 시험하기 위한 실용적인 시스템을 처음으로 제안했다.^[4] 프랭클린은 뾰족하게 다듬은 철 막대를 사용하면 "전기 불꽃이 구름에 충분히 가까이 와서 타격하기 전에 조용히 빠져나갈 것"이라고 추측했다. 프랭클린은 연 실험이 보고되기 전 몇 년 동안 피뢰침에 대해 추측했다.^[5]

마그리트 마틴이 1906년 10월 21일 세인트루이스 포스트-디스패치에 그린 만물상 그림으로, 행상이 피뢰침을 팔고 있다.

19세기에는 피뢰침이 장식적인 모티프가 되었다. 피뢰침은 장식용 유리 공으로 장식되었으며^[6] (지금은 수집가들에게 귀하게 여겨진다). 이 유리 공의 장식적인 매력은 풍향계에도 사용되었다. 그러나 이 공들의 주된 목적은 번개 타격의 증거를 제공하기 위해 깨지거나 떨어져 나가는 것이다. 폭풍 후 공이 없거나 깨진 것이 발견되면, 건물 소유주는 건물, 막대 및 접지선에 손상이 없는지 확인해야 한다.

단단한 유리 공은 가끔 선박 및 기타 물체에 대한 번개 타격을 방지한다고 알려진 방법으로 사용되었다. 그 아이디어는 유리 물체가 비전도체이기 때문에 번개에 거의 맞지 않는다는 것이었다. 따라서 유리에 번개를 밀어내는 어떤 것이 있어야 한다는 이론이 나왔다. 따라서 목선에 대한 번개 타격을 방지하는 가장 좋은 방법은 가장 높은 돛대 끝에 작은 단단한 유리 공을 묻는 것이었다. 번개의 무작위적인 행동과 관찰자들의 확증 편향이 결합되어 프랭클린의 초기 연구 직후 해양 피뢰침이 개발된 후에도 이 방법은 상당한 신뢰를 얻었다.

선박에 설치된 최초의 피뢰 도체는 번개가 예상될 때 올려야 했으며, 성공률이 낮았다. 1820년 윌리엄 스노우 해리스는 당시의 목조 범선에 피뢰를 설치하기 위한 성공적인 시스템을 발명했지만, 1830년에 시작된 성공적인 시험에도 불구하고 영국 영국 왕립 해군은 1842년이 되어서야 이 시스템을 채택했으며, 이때 이미 러시아 제국 해군이 이 시스템을 채택했다.

1990년대에 워싱턴 D.C.의 미국 국회의사당 건물 꼭대기에 있는 자유의 여신상이 복원되면서 '번개 지점'은 원래 건설된 대로 교체되었다.^[2] 이 동상은 백금으로 덮인 여러 장치로 설계되었다. 워싱턴 기념비 또한 여러 번개 지점으로 장착되었으며,^[7] 뉴욕 항구의 자유의 여신상은 번개에 맞으면 땅으로 우회된다.

피뢰 시스템

케이프커내버럴 우주군 기지 발사대 상의 피뢰 시스템.

피뢰 시스템은 낙뢰를 차단하고 매우 높은 전류를 안전하게 접지하여 번개 타격으로 인한 구조물의 손상을 방지하도록 설계되었다. 피뢰 시스템은 잠재적인 타격에 대해 낮은 온저항 경로를 제공하도록 설계된 공중 단자, 접합 전기 전도체, 접지 전극 네트워크를 포함한다.

피뢰 시스템은 낙뢰로 인한 구조물 손상을 방지하는 데 사용된다. 피뢰 시스템은 낙뢰가 구조물에 가하는 화재 위험을 완화한다. 피뢰 시스템은 번개 전류가 가연성 구조 재료를 통과할 때 발생하는 발열 효과를 줄이기 위해 번개 전류에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공한다. 번개가 다공성이고 물로 포화된 재료를 통과할 경우, 이 재료들은 높은 전류로 인해 물이 수증기로 변하면서 폭발할 수 있다. 이것이 나무가 번개에 맞아 부서지는 이유이다.

번개와 관련된 높은 에너지 및 전류 수준(전류는 150,000 A를 초과할 수 있음)과 번개 타격의 매우 빠른 상승 시간 때문에, 어떤 보호 시스템도 번개로부터 절대적인 안전을 보장할 수 없다. 번개 전류는 모든 전도성 경로를 따라 땅으로 나뉘어 흐르며, 나뉘어진 전류조차도 손상을 일으킬 수 있다. 2차적인 "측면 섬락"은 화재를 일으키고, 벽돌, 돌 또는 콘크리트를 폭파시키거나, 구조물이나 건물 내부에 있는 사람들을 다치게 할 수 있다. 그러나 기본적인 피뢰 시스템의 이점은 한 세기 이상 동안 명백했다.^[8]

번개 효과에 대한 실험실 규모 측정은 자연 번개가 관련된 응용 분야에 적용되지 않는다.^[9] 현장 응용 분야는 주로 매우 복잡하고 가변적인 현상에 대한 최선의 의도된 실험실 연구를 기반으로 한 시행착오에서 파생되었다.

피뢰 시스템의 구성 요소는 공중 단자(피뢰침 또는 타격 종단 장치), 접합 도체, 접지 단자(접지 또는 "접지" 막대, 판 또는 메쉬), 그리고 시스템을 완성하는 모든 커넥터 및 지지대이다. 공중 단자는 일반적으로 지붕 구조의 상단 지점 또는 그 주변에 배열되며, 접합 도체("하향 도체" 또는 "다운리드"라고 함)에 의해 전기적으로 접합되며, 이 도체는 하나 이상의 접지 단자에 가장 직접적인 경로로 연결된다.^[10] 접지 전극에 대한 연결은 낮은 저항을 가질 뿐만 아니라 낮은 자체 유도계수를 가져야 한다.

번개에 취약한 구조물의 예로는 목재 헛간이 있다. 번개가 헛간을 때리면, 목재 구조물과 그 내용물은 구조물의 일부를 통해 전도되는 번개 전류에 의해 발생하는 열로 인해 발화될 수 있다. 기본적인 피뢰 시스템은 공중 단자와 접지 사이에 전도성 경로를 제공하여 번개 전류의 대부분이 피뢰 시스템의 경로를 따르도록 하고, 가연성 물질을 통해 흐르는 전류를 상당히 줄인다.

원래 과학자들은 이러한 공중 단자와 "하향 전선"으로 구성된 피뢰 시스템이 번개 전류를 땅으로 흘려보내 "소멸"시킨다고 믿었다. 그러나 고속 사진은 번개가 실제로 구름 성분과 반대 전하를 띠는 지상 성분으로 구성되어 있음을 명확히 보여주었다. "구름-지상" 번개가 발생할 때, 이 반대 전하를 띠는 성분들은 이전에 불균형했던 전하를 균등화하기 위해 대개 지구 상공의 어딘가에서 "만난다". 이 전류가 가연성 물질을 통해 흐를 때 발생하는 열은 피뢰 시스템이 번개 전기 회로에 대한 낮은 저항 경로를 제공하여 완화하려는 위험이다. 어떤 피뢰 시스템도 번개를 완전히 "제어"하거나 "억제"할 수 없으며 (따라서 지금까지 번개 타격을 완전히 방지할 수는 없음), 대부분의 번개 타격 시에 엄청난 도움이 되는 것으로 보인다.

강철 프레임 구조물은 구조 부재를 접지하여 피뢰를 제공할 수 있다. 땅에 기초를 둔 금속 깃대는 그 자체로 극히 단순한 피뢰 시스템이다. 그러나 번개 타격 시 깃대에서 휘날리는 깃발은 완전히 소각될 수 있다.

오늘날 사용되는 대부분의 피뢰 시스템은 전통적인 벤저민 프랭클린 설계이다.^[10] 프랭클린형 피뢰 시스템의 기본 원리는 번개가 건물을 손상시키지 않고 땅에 도달하도록 충분히 낮은 임피던스 경로를 제공하는 것이다.^[11] 이는 건물을 일종의 패러데이 새장으로 둘러싸는 방식으로 달성된다. 번개가 건물에 치기 전에 번개를 가로채기 위해 건물 지붕에 피뢰 도체와 피뢰침 시스템이 설치된다.

러시아

피뢰 도체는 네비얀스크 사탑에 의도적으로 사용되었을 수 있다. 탑의 첨탑은 금박을 입힌 구형의 금속 막대로 장식되어 있다. 이 피뢰침은 건물 전체를 관통하는 철근 골조를 통해 접지되어 있다.

네비얀스크 사탑은 산업가 아킨피 데미도프의 명령으로 1721년부터 1745년 사이에 지어졌다. 네비얀스크 사탑은 벤저민 프랭클린의 실험과 과학적 설명보다 28년 전에 지어졌다. 그러나 금속 지붕과 철근의 진정한 의도는 알려지지 않았다.^[12]

유럽

유럽의 많은 도시에서 보통 가장 높은 건축물이었던 교회의 탑은 번개에 맞을 가능성이 높았다. 피터 알바르트(Peter Ahlwardts, "천둥과 번개에 대한 합리적이고 신학적인 고찰", 1745)는 번개를 피하려는 사람들에게 교회 안이나 주변을 제외한 어느 곳으로든 가라고 조언했다.^[13]

프레몬스트라텐세회 사제 프로코프 디비시가 발명하고 1754년 6월 모라바의 브렌디츠(현재 즈노이모의 일부인 프르지메티체)에 세워진 "기상 기계"가 피뢰침의 개별 발명으로 인정되는지에 대한 논쟁이 진행 중이다. 디비시의 장치는 그의 개인적인 이론에 따르면 공기에서 과도한 전기를 지속적으로 제거하여 뇌우를 완전히 방지하는 것을 목표로 했다. 그러나 이 장치는 독립형 기둥에 설치되었고 당시 프랭클린의 피뢰침보다 접지가 더 잘 되어 있었으므로 피뢰침의 목적을 수행했다.^[14] 지역 주민들의 항의로 인해 디비시는 1760년경 기상 실험을 중단해야 했다.

건축물 보호 장치

설명 목적에 적합한 풍경: (1) 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨의 "감소된" 지역을 나타낸다.^[15] (2) 그 위와 아래에 저장된 양이 같은 지구와 동심원상의 표면; (3) 과도한 전하 밀도가 있는 위치에 있는 건물; (4) 낮은 정전하 밀도가 있는 위치에 있는 건물. (이미지: 미국 특허 1,266,175 .)

조각상 위의 피뢰침.

피뢰기

 이 부분의 본문은 피뢰기입니다.

피뢰기는 기본적으로 전선과 접지 사이에 있는 공기 간격으로, 전력 시스템과 텔레커뮤니케이션 시스템에서 시스템의 절연체와 도체를 번개의 손상 효과로부터 보호하는 데 사용되는 장치이다. 일반적인 피뢰기는 고전압 단자와 접지 단자를 가지고 있다.

전보 및 텔레포니에서 피뢰기는 전선이 건물로 들어오는 곳에 설치되어 내부 전자 장비의 손상을 방지하고 건물 근처 사람들의 안전을 확보하는 장치이다. 서지 보호기라고도 불리는 더 작은 버전의 피뢰기는 전력 또는 통신 시스템의 각 전기 전도체와 접지 사이에 연결되는 장치이다. 이들은 정상적인 전력 또는 신호 전류가 접지로 흐르는 것을 방지하지만, 고전압 번개 전류가 연결된 장비를 우회하여 흐르는 경로를 제공한다. 피뢰기는 통신 또는 전력선이 번개에 맞거나 번개 타격 근처에 있을 때 전압 상승을 제한하는 데 사용된다.

배전 시스템 보호

 이 부분의 본문은 송전선 § 접지선입니다.

송전선 시스템에서는 그리드를 통해 직접 전기를 보내는 데 사용되지 않는 철탑, 전봇대 또는 탑 꼭대기에 하나 또는 두 개의 더 가벼운 접지선이 설치될 수 있다. "정전", "파일럿" 또는 "차폐"선이라고도 불리는 이 도체는 고전압선 자체가 아닌 번개 종단 지점이 되도록 설계되었다. 이 도체는 주 전력 도체를 번개 타격으로부터 보호하기 위한 것이다.

이 도체는 기둥이나 타워의 금속 구조를 통해 또는 선을 따라 일정한 간격으로 설치된 추가 접지 전극을 통해 접지된다. 일반적으로 50kV 미만의 전압을 가진 가공 전력선은 "정전" 도체가 없지만, 50kV 이상을 운반하는 대부분의 선은 가지고 있다. 접지 도체 케이블은 데이터 전송을 위한 광섬유 케이블도 지지할 수 있다.

오래된 전선은 전도성 라인을 접지와의 직접적인 접합으로부터 절연하는 서지 보호기를 사용할 수 있으며 저전압 통신선으로 사용될 수 있다. 전압이 도체에 번개 종단과 같은 특정 임계값을 초과하면 절연체를 "점프"하여 접지로 통과한다.

변전소의 보호는 피뢰침 자체만큼이나 다양하며, 종종 전력 회사의 독점 기술이다.

마스트 라디에이터의 피뢰

무선 마스트 라디에이터는 베이스의 스파크 갭으로 땅으로부터 절연될 수 있다. 번개가 마스트를 때리면 이 간격을 뛰어넘는다. 마스트와 튜닝 유닛 사이의 급전선(보통 한 번 감기)의 작은 유도계수는 전압 증가를 제한하여 송신기를 위험할 정도로 높은 전압으로부터 보호한다. 송신기는 안테나의 전기적 특성을 모니터링하는 장치를 갖추고 있어야 한다. 이는 낙뢰 후 전하가 남아 갭이나 절연체에 손상을 줄 수 있으므로 매우 중요하다.

모니터링 장치는 안테나가 잘못된 동작을 보일 때, 예를 들어 원치 않는 전하로 인해 송신기를 끈다. 송신기가 꺼지면 이러한 전하는 소멸된다. 모니터링 장치는 여러 번 다시 켜려고 시도한다. 여러 번 시도한 후에도 안테나가 구조적 손상으로 인해 계속 부적절한 동작을 보이면 송신기는 꺼진 상태로 유지된다.

피뢰 도체 및 접지 주의사항

이상적으로는 어셈블리의 지하 부분이 높은 접지 전도성을 가진 지역에 있어야 한다. 지하 케이블이 부식에 잘 견딘다면, 소금으로 덮어 땅과의 전기적 연결을 개선할 수 있다. 공중 단자와 지구 사이의 피뢰 도체 전기 저항은 상당히 중요하지만, 도체의 유도성 리액턴스가 더 중요할 수 있다. 이러한 이유로 하향 도체 경로는 짧게 유지되며, 모든 곡선은 큰 반경을 가진다. 이러한 조치를 취하지 않으면 번개 전류가 도체에서 만나는 저항성 또는 리액턴스 장애물을 넘어 아크를 형성할 수 있다. 최소한 아크 전류는 피뢰 도체에 손상을 입히고, 건물 배선이나 배관과 같은 다른 전도성 경로를 쉽게 찾아 화재 또는 기타 재난을 일으킬 수 있다. 접지 저항이 낮은 접지 시스템이 없더라도 구조물을 번개 손상으로부터 보호하는 데 효과적일 수 있다. 접지 토양의 전도성이 낮거나, 매우 얕거나, 존재하지 않는 경우, 접지 시스템은 접지 막대, 카운터포이즈 (접지 링) 도체, 건물에서 뻗어 나가는 케이블 방사형 도체, 또는 콘크리트 건물의 철근을 접지 도체로 사용하여 보강할 수 있다 (우퍼 접지). 이러한 추가 조치들은 일부 경우 시스템의 저항을 줄이지 않더라도, 번개를 구조물 손상 없이 지구로 [분산]시킬 수 있다.^[16]

구조물 내부 또는 외부의 전도성 물체와 피뢰 시스템 사이의 측면 섬락을 방지하기 위해 추가적인 예방 조치를 취해야 한다. 피뢰 도체를 통과하는 번개 전류의 서지는 도체와 그 근처의 전도성 물체 사이에 전압 차이를 생성한다. 이 전압 차이는 위험한 측면 섬락(스파크)을 일으킬 만큼 충분히 커서 특히 가연성 또는 폭발성 물질을 보관하는 구조물에 심각한 손상을 초래할 수 있다. 이러한 잠재적 손상을 방지하는 가장 효과적인 방법은 피뢰 시스템과 측면 섬락에 취약한 모든 물체 사이에 전기적 연속성을 확보하는 것이다. 효과적인 접합은 두 물체의 전압 전위를 동시에 상승 및 하강시켜 측면 섬락의 위험을 제거한다.^[17]

피뢰 시스템 설계

피뢰 시스템을 구성하는 데 상당한 재료가 사용되므로, 공중 단자가 가장 큰 보호를 제공할 위치를 신중하게 고려하는 것이 현명하다. 벤저민 프랭클린의 진술에서 번개에 대한 역사적 이해는 각 피뢰침이 45도의 원뿔을 보호한다고 가정했다.^[18] 이것은 번개가 건물의 측면을 때릴 수 있기 때문에 더 높은 구조물을 보호하는 데 불충분하다는 것이 밝혀졌다.

번개의 종단 목표에 대한 더 나은 이해를 기반으로 한 롤링 스피어 방법(Rolling Sphere Method)이라고 불리는 모델링 시스템은 티보르 호르바트(Tibor Horváth) 박사가 개발했다. 이것은 전통적인 프랭클린 막대 시스템이 설치되는 표준이 되었다. 이를 이해하려면 번개가 어떻게 '움직이는지'에 대한 지식이 필요하다. 번개 볼트의 선도 전하가 땅으로 뛰어오를 때, 경로에 가장 가까운 접지된 물체를 향해 움직인다. 각 단계가 이동할 수 있는 최대 거리를 임계 거리라고 하며, 전류에 비례한다. 임계 거리보다 리더에 더 가까이 있는 물체는 맞을 가능성이 높다. 지상 근처에서 구의 반지름을 46m로 근사하는 것이 일반적인 관행이다.^[19]

임계 거리 밖에 있는 물체는 임계 거리 내에 단단히 접지된 물체가 있다면 리더에 맞을 가능성이 낮다. 번개로부터 안전하다고 간주되는 위치는 구름에서 지상으로 이동하는 구로 리더의 잠재적 경로를 상상함으로써 결정할 수 있다. 피뢰의 경우, 모든 가능한 구가 잠재적 타격 지점을 만지는 것을 고려하는 것으로 충분하다. 타격 지점을 결정하려면 지형 위를 구르는 구를 상상해보라. 각 지점에서 잠재적 리더 위치가 시뮬레이션된다. 번개는 구가 지면에 닿는 곳에 가장 많이 칠 가능성이 있다. 구가 굴러서 닿을 수 없는 지점은 번개로부터 가장 안전하다. 피뢰기는 구가 구조물에 닿는 것을 방지할 위치에 배치되어야 한다. 대부분의 번개 방지 시스템의 약점은 번개 막대에서 포착된 방전을 지상으로 운반하는 과정에 있지만.^[20] 피뢰침은 일반적으로 평평한 지붕의 둘레를 따라, 또는 경사진 지붕의 정상선을 따라 막대의 높이에 따라 6.1m 또는 7.6m 간격으로 설치된다.^[21] 평평한 지붕의 치수가 15m x 15m보다 큰 경우, 지붕 중앙에 15m 이하 간격으로 직사각형 격자 패턴으로 추가 공중 단자가 설치된다.^[22]

둥근 끝과 뾰족한 끝

건물에 설치된 뾰족한 피뢰침

피뢰침 끝의 최적 모양은 18세기부터 논란이 되어왔다. 영국과 미국 식민지 간의 정치적 대립 시기 동안 영국 과학자들은 피뢰침 끝에 구슬이 있어야 한다고 주장한 반면, 미국 과학자들은 뾰족해야 한다고 주장했다. 2003년 현재까지 이 논쟁은 완전히 해결되지 않았다.^[23] 적절한 통제된 실험이 거의 불가능하기 때문에 이 논쟁을 해결하기는 어렵지만, 2000년에 찰스 B. 무어 등이 수행한 연구는 이 문제에 대해 약간의 단서를 제공했으며, 중간 정도 둥글거나 무딘 끝을 가진 피뢰침이 번개 타격 수용체로서 약간 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 발견했다.^[24] 그 결과, 둥근 끝을 가진 막대가 미국의 대부분의 새로운 시스템에 설치되고 있지만, 대부분의 기존 시스템에는 여전히 뾰족한 막대가 있다. 이 연구에 따르면,

[유사하게 노출된 날카로운 막대와 무딘 막대 위의 전기장의 상대적 강도 계산에 따르면, 방출 전에는 날카로운 막대 끝에서 장이 훨씬 강하지만, 거리에 따라 더 빠르게 감소한다. 그 결과, 직경 20mm의 무딘 막대 끝에서 몇 센티미터 위에 있는 장의 강도는 동일한 높이의 다른 날카로운 막대보다 더 강하다. 날카로운 막대 끝의 장 강도는 주변 공기 중 이온의 쉽게 형성되는 경향에 의해 제한되기 때문에, 무딘 막대 위의 장 강도는 날카로운 막대 위의 1cm보다 큰 거리의 장 강도보다 훨씬 강할 수 있다.
이 연구 결과는 적당히 무딘 금속 막대(끝 높이 대 끝 곡률 반경 비율이 약 680:1)가 날카로운 막대나 매우 무딘 막대보다 더 나은 번개 타격 수용체라는 것을 시사한다.

또한, 구조물에 대한 피뢰기 높이와 지구 자체도 영향을 미친다.^[25][26]

전하 이동 이론

전하 이동 이론은 보호된 구조물과 뇌우 사이의 전위차를 줄임으로써 보호된 구조물에 대한 번개 타격을 방지할 수 있다고 설명한다. 이는 전하(예: 인근 지구에서 하늘로 또는 그 반대로)를 이동시킴으로써 이루어진다.^[27][28] 지구에서 하늘로 전하를 이동시키는 것은 구조물 위에 많은 점으로 구성된 공학 제품을 설치함으로써 이루어진다. 뾰족한 물체가 실제로 주변 대기로 전하를 이동시키며^[29][30] 뇌우가 머리 위에 있을 때와 같이 전기장이 존재할 때 이온화가 발생하면 도체를 통해 상당한 전류가 측정될 수 있다는 점에 주목한다.

미국에서 미국화재예방협회(NFPA)는 현재 낙뢰를 방지하거나 줄일 수 있는 장치를 지지하지 않는다. NFPA 표준 위원회는 분산 배열(Dissipation Array[tm]) 시스템과 전하 전달(Charge Transfer) 시스템을 다루는 프로젝트 요청에 따라 그러한 기술에 대한 표준 수립을 시작하는 요청을 거부했다 (그러나 위원회는 기본 기술과 과학의 타당성을 입증하는 신뢰할 수 있는 출처가 제출된 후 미래의 표준 개발을 배제하지는 않았다).^[31]

초기 스트리머 방출(ESE) 이론

그리스 메테오라의 성 니콜라스 아나파우사스 수도원(Μονή του Αγίου Νικολάου)에 설치된 ESE 피뢰침

초기 스트리머 방출 이론은 피뢰침이 끝 부분 근처에서 이온화를 생성하는 메커니즘을 가지고 있다면 번개 포착 영역이 크게 증가한다고 제안한다. 처음에는 1930년에서 1980년 사이에 소량의 방사성 동위원소(라듐-226 또는 아메리슘-241)가 이온화의 원천으로 사용되었으며,^[32] 나중에 다양한 전기 및 전자 장치로 대체되었다. 초기 특허에 따르면, 대부분의 피뢰기 접지 전위가 상승하기 때문에 원천에서 상승된 접지 지점까지의 경로 거리가 짧아져 더 강한 전기장(단위 거리당 볼트로 측정됨)이 생성되며, 해당 구조물은 이온화 및 파괴에 더 취약하다.^[33]

프랑스 국가 표준화 기구인 AFNOR는 이 기술을 다루는 표준 NF C 17-102를 발행했다. NFPA도 이 주제를 조사했으며 미국에서도 유사한 표준을 발행하자는 제안이 있었다. 처음에는 NFPA 독립 제3자 패널이 "[초기 스트리머 방출] 피뢰 기술이 기술적으로 건전해 보이며", "[초기 스트리머 방출] 공중 단자 개념 및 설계에 대한 물리적 관점에서 적절한 이론적 기반이 있다"고 밝혔다.^[34] 같은 패널은 또한 "권장 [NFPA 781 표준] 피뢰 시스템은 과학적으로나 기술적으로 검증된 적이 없으며 프랭클린 막대 공중 단자는 뇌우 조건에서 현장 테스트를 통해 검증되지 않았다"고 결론 내렸다.

이에 대해 미국지구물리학회(American Geophysical Union)는 "[브라이언 패널은] 전통적인 피뢰 시스템의 효과와 과학적 기반에 대한 연구와 문헌을 거의 검토하지 않았으며, 표준에 대한 기반이 없다는 결론은 잘못되었다"고 결론 내렸다. AGU는 보고서에서 전통적인 시스템에 대한 제안된 수정 사항의 효과를 평가하려고 시도하지 않았다.^[35] NFPA는 기존 공중 단자보다 초기 스트리머 방출 기반 보호 시스템의 효과 증가에 대한 증거 부족으로 인해 표준 781의 제안된 초안을 철회했다.

국제 피뢰 회의(ICLP) 과학 위원회 위원들은 초기 스트리머 방출 기술에 대한 반대 성명을 공동으로 발표했다.^[36] ICLP는 2016년까지 ESE 및 관련 기술에 대한 정보를 담은 웹페이지를 유지했다.^[37][38]

타격 분석

금속 구조물에 대한 번개 타격은 금속의 작은 구멍을 제외하고는 아무런 증거도 남기지 않는 것부터 구조물의 완전한 파괴에 이르기까지 다양할 수 있다.^[39] 증거가 없을 때는 타격을 분석하기 어렵다. 이는 계측되지 않은 구조물에 대한 타격은 육안으로 확인되어야 하며, 번개의 무작위적인 행동으로 인해 그러한 관찰이 어렵다는 것을 의미한다.^{[39][40][41][42]} 발명가들은 번개 로켓을 특허 등록했다.^[43][44] 통제된 실험이 결국 가능해질 수도 있지만, 매우 훌륭한 동시대 데이터는 번개 타격의 특징적인 전기적 "서명"을 기록하는 특수 무선 수신기를 통해 얻어진다.^{[45][46][47][48]} 매우 정확한 타이밍 및 삼각 측량 기술을 통해 번개 타격은 매우 정밀하게 위치를 파악할 수 있으며, 특정 물체에 대한 타격은 높은 신뢰도로 정확히 지목될 수 있다.

번개 타격의 에너지는 일반적으로 10억에서 100억 줄 범위이다.^{[출처 필요]} 이 에너지는 보통 몇 번의 개별적인 번개 방전으로 방출되며, 각 방전은 수십 마이크로초(일반적으로 30~50마이크로초)의 지속 시간을 가지며 약 5분의 1초 동안 발생한다. 에너지의 대부분은 대기 중에서 열, 빛, 소리로 소산되며, 소량만 접지로 전도되어 소산된다.

항공기 보호 장치

항공기는 항공기 구조에 장착된 장치와 내부 시스템의 설계로 보호된다. 번개는 일반적으로 기체의 외부 표면 또는 정전기 배출기를 통해 항공기로 들어가고 나간다. 피뢰 시스템은 진입점과 진출점 사이에 안전한 전도성 경로를 제공하여 항공전자 장비의 손상을 방지하고 가연성 연료 또는 화물이 전기 불꽃으로부터 보호되도록 한다.

이러한 경로는 전도성 재료로 구성된다. 절연체는 전도성 경로와 결합할 때만 효과적이다. 왜냐하면 막힌 번개는 쉽게 항복 전압을 초과할 수 있기 때문이다. 복합 재료는 와이어 메쉬 층으로 구성되어 충분히 전도성을 가지며, 구조적 접합부는 접합부를 가로질러 전기적 연결을 만들어 보호된다.

차폐 케이블과 전도성 인클로저는 전자 시스템에 대한 보호의 대부분을 제공한다. 번개 전류는 자기 펄스를 방출하며, 이는 케이블이 형성하는 모든 루프를 통해 전자기 유도 전류를 유도한다. 루프의 차폐에서 유도된 전류는 렌츠의 법칙에 따라 루프를 통해 반대 방향으로 자기 선속을 생성한다. 이는 루프를 통한 총 선속과 주변 유도 전압을 감소시킨다.

번개 전도 경로와 전도성 차폐는 대부분의 전류를 전달한다. 나머지는 과도 전압 억제기를 사용하여 민감한 전자 장치를 우회하고, 통과 전압이 충분히 낮아지면 전자 필터를 사용하여 차단된다. 필터는 절연체와 마찬가지로 번개 및 서지 전류가 대체 경로를 통해 흐를 수 있을 때만 효과적이다.

선박 보호 장치

워터크래프트의 피뢰 설비는 돛대 또는 상부 구조물 상단에 장착된 피뢰기와 물과 접촉하는 접지 도체로 구성된다. 전기 전도체는 피뢰기에 부착되어 도체까지 내려온다. 전도성(철 또는 강철) 선체를 가진 선박의 경우, 접지 도체는 선체이다. 비전도성 선체를 가진 선박의 경우, 접지 도체는 접이식이거나 선체에 부착되거나 센터보드에 부착될 수 있다.

위험 평가

일부 구조물은 본질적으로 번개에 맞을 위험이 크거나 작다. 구조물의 위험은 구조물의 크기(면적), 높이, 그리고 해당 지역의 평방 마일당 연간 번개 타격 횟수에 따라 달라진다.^[49] 예를 들어, 작은 건물은 큰 건물보다 번개에 맞을 가능성이 적고, 번개 타격 밀도가 높은 지역의 건물은 번개 타격 밀도가 낮은 지역의 건물보다 번개에 맞을 가능성이 더 높다. 미국화재예방협회는 피뢰 표준에 위험 평가 워크시트를 제공한다.^[50]

국제전기기술위원회(IEC) 낙뢰 위험 평가는 네 부분으로 구성된다: 생명체 손실, 공공 서비스 손실, 문화 유산 손실, 경제적 가치 손실.^[51] 생명체 손실이 가장 중요하게 평가되며, 많은 비필수 산업 및 상업 응용 분야에서는 유일하게 고려되는 손실이다.

표준

피뢰 시스템이 표준으로 도입되면서 다양한 제조업체가 수많은 사양에 맞는 보호 시스템을 개발할 수 있게 되었다. 여러 국제, 국가, 기업 및 군사 피뢰 표준이 존재한다.

• NFPA-780: "피뢰 시스템 설치 표준" (2014)
• M440.1-1, 전기 폭풍 및 피뢰, 에너지부
• AFI 32-1065 – 접지 시스템, 미 공군 우주 사령부
• FAA STD 019e, 시설 및 전자 장비에 대한 피뢰 및 서지 보호, 접지, 본딩 및 차폐 요구 사항
• UL 피뢰 표준
  • UL 96: "피뢰 구성 요소 표준" (5판, 2005)
  • UL 96A: "피뢰 시스템 설치 요구 사항 표준" (12판, 2007)
  • UL 1449: "서지 보호 장치 표준" (4판, 2014)
• IEC 표준
  • EN 61000-4-5/IEC 61000-4-5: "전자기 호환성 (EMC) – 파트 4-5: 시험 및 측정 기술 – 서지 내성 시험"
  • EN 62305/IEC 62305: "낙뢰 보호"
  • EN 62561/IEC 62561: "피뢰 시스템 구성 요소 (LPSC)"
• ITU-T K 시리즈 권고: "간섭으로부터의 보호"
• IEEE 접지 표준
  • IEEE SA-142-2007: "산업 및 상업 전력 시스템 접지에 대한 IEEE 권장 실무". (2007)
  • IEEE SA-1100-2005: "전자 장비 전원 공급 및 접지에 대한 IEEE 권장 실무" (2005)
• AFNOR NF C 17-102 보관됨 2015-04-02 - 웨이백 머신: "피뢰 – 초기 스트리머 방출 공중 단자를 이용한 구조물 및 개방 공간의 낙뢰 보호" (1995)
• GB 50057-2010 건축물 피뢰 설계 코드
• AS / NZS 1768:2007: "피뢰"

같이 보기

• 아폴로 12호 – 이륙 직후 번개에 맞은 새턴 V 로켓.
• 제임스 오티스 – 벤저민 프랭클린의 동시대 인물로 1783년 5월 23일 앤도버 (매사추세츠주)의 출입구에서 번개에 맞아 사망했다.
• 접지
• 접지 키트
• 번개
• 피뢰침 패션
• 벤저민 프랭클린 자서전
• 바츨라프 프로코프 디비시 (1698–1765) – 1750–1754년 즈노이모의 프르지메티체에서 최초의 접지 피뢰침을 제작했다.