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서지 보호기(SPD) 종류와 설치 위치, 낙뢰 대책

요약
서지 보호기(SPD, Surge Protective Device)는 낙뢰나 스위칭으로 생긴 순간 과전압을 접지로 흘려보내 장비를 지키는 보호 장치입니다.
전원선뿐 아니라 4-20mA·RS485·LAN 같은 신호·통신선으로도 서지가 들어오므로 선로마다 맞는 SPD가 필요합니다.
이 글에서는 서지가 들어오는 네 가지 경로, 전원용 SPD의 Class I·II·III 차이(10/350µs·8/20µs 시험 파형), 신호·통신선용 SPD 종류, 설치 위치와 접속선 길이 계산 예시를 다룹니다.

여름 장마철에 낙뢰가 친 다음 날 옥외 가스 감지기 몇 대와 게이트웨이가 한꺼번에 응답하지 않는 일이 있습니다. 건물에 직접 벼락이 떨어진 것도 아닌데 수백 미터 떨어진 곳의 낙뢰가 케이블에 유도 전압을 만들어 장비 입력단을 망가뜨린 경우입니다.

모니터링 시스템은 센서·변환기·게이트웨이가 긴 케이블로 이어져 있어 서지가 들어올 통로가 많습니다. 분전반에 SPD 하나를 달아 두었다고 안심하기 쉽지만 신호선과 통신선이 무방비면 피해는 그쪽으로 납니다. 어떤 선에 어떤 SPD를 어디에 달아야 하는지 순서대로 정리합니다.

1. 서지 보호기(SPD)란?

서지 보호기(SPD)는 평소에는 전기가 거의 흐르지 않다가 정해진 전압을 넘는 순간 낮은 저항 상태로 바뀌어 서지 전류를 접지로 우회시키는 장치입니다. 서지가 지나가면 다시 높은 저항 상태로 돌아옵니다. 안에는 금속산화물 바리스터(MOV), 가스 방전관(GDT), TVS 다이오드 같은 소자가 단독 또는 조합으로 들어갑니다.

SPD는 과전압을 0으로 만들지 못합니다. 장비가 견딜 수 있는 수준까지 눌러 주는 장치이므로 SPD가 동작할 때 남는 전압(전압 보호 수준, Up)이 보호 대상 장비의 내전압보다 낮아야 의미가 있습니다.

소자 특징 주로 쓰는 곳
MOV (금속산화물 바리스터) 응답이 빠르고 큰 전류를 흘릴 수 있음. 서지를 반복해서 받으면 열화됨 전원용 SPD
GDT (가스 방전관) 방전 용량이 크고 누설 전류가 거의 없음. 동작 전압까지 올라가는 데 시간이 걸림 통신선·신호선의 1차 보호, 접지 간 분리
TVS 다이오드 매우 빠르고 제한 전압이 낮음. 흘릴 수 있는 에너지는 작음 신호선·데이터선의 2차 보호

2. 서지는 어떤 경로로 들어올까?

2-1. 직격뢰

건물 피뢰침이나 옥외 설비에 벼락이 직접 떨어지는 경우입니다. 뇌전류 일부가 건물로 인입되는 전원선·통신선·금속 배관을 타고 흐르기 때문에 에너지가 가장 큽니다.

2-2. 유도뢰

근처에 떨어진 낙뢰가 만든 강한 전자기장이 케이블에 전압을 유도하는 경우입니다. 현장에서 가장 흔한 피해 경로이며 옥외로 길게 뻗은 센서 케이블일수록 크게 받습니다.

2-3. 접지 전위 상승

뇌전류가 접지로 흘러드는 순간 그 지점의 접지 전위가 크게 올라갑니다. 서로 다른 접지에 연결된 두 장비가 한 케이블로 이어져 있으면 두 접지 사이 전위차가 케이블을 타고 장비를 지나갑니다. 건물 두 동을 RS485로 잇는 구간에서 자주 생깁니다.

2-4. 스위칭 서지

낙뢰와 관계없이 전동기·컴프레서·용접기의 기동과 정지, 차단기 개폐 때도 짧은 과전압이 생깁니다. 크기는 낙뢰보다 작지만 매일 반복되므로 장비 수명을 조금씩 깎습니다.

3. 전원용 SPD Class I·II·III 차이는?

저압 교류 전원용 SPD는 IEC 61643-11(국내 KS C IEC 61643-11)에서 시험 방법에 따라 세 등급으로 나눕니다. 제품에 따라 Type 1·2·3 또는 T1·T2·T3로 표기하기도 합니다. 등급이 높을수록 좋은 것은 아니며 설치 위치에 맞는 등급을 단계별로 조합해 씁니다.

구분 시험 파형·대표 값 대상 서지 설치 위치
Class I (Type 1) 임펄스 전류 Iimp, 10/350µs 직격뢰의 부분 뇌전류 외부 피뢰설비가 있는 건물의 전원 인입구, 주 배전반
Class II (Type 2) 공칭 방전 전류 In, 8/20µs 유도뢰, 스위칭 서지 주 분전반·층 분전반, 현장 제어반
Class III (Type 3) 조합파 (전압 1.2/50µs, 전류 8/20µs) 앞단을 통과한 잔류 서지 장비 바로 앞 (콘센트형, DIN 레일형)

10/350µs는 전류가 10µs 만에 최고점에 오르고 350µs 뒤에 절반으로 줄어드는 파형으로, 같은 최고 전류라도 8/20µs보다 에너지가 훨씬 큽니다. 그래서 Class II 제품을 인입구에 두고 직격뢰까지 막으려 하면 SPD 자체가 견디지 못할 수 있습니다.

SPD를 고를 때는 등급 말고도 몇 가지 값을 함께 봅니다. 최대 연속 동작 전압(Uc)은 평소 계통 전압보다 여유가 있어야 하고 220V 계통에는 Uc 275V급 제품이 흔히 쓰입니다. 전압 보호 수준(Up)은 낮을수록 장비에 걸리는 전압이 작아집니다.

4. 신호·통신선용 SPD는 어떤 종류가 있을까?

신호·통신선용 SPD는 IEC 61643-21에서 따로 다룹니다. 전원용 SPD를 신호선에 그대로 달면 제한 전압이 너무 높아 계측 입력단을 지키지 못하고 반대로 신호용 SPD는 전원선의 큰 전류를 견디지 못합니다. 그래서 선로 종류에 맞춰 골라야 합니다.

선로 SPD 선택 시 볼 점 주의할 점
4-20mA 아날로그 루프 전압(보통 24V DC)보다 높은 정격 전압, 직렬 저항값 SPD의 직렬 저항이 루프 부하에 더해져 전압이 모자랄 수 있음
RS485 / Modbus RTU A·B 두 선과 공통선(GND)을 함께 보호, 통신 속도 대응 SPD 정전용량이 크면 고속 통신에서 파형이 무너짐
LAN / PoE 통신 규격(100Mbps·1Gbps), PoE 전력 통과 여부 PoE 미지원 SPD를 쓰면 장비 전원이 끊김
접점(DI/DO) 접점 전압, 채널 수 긴 옥외 배선의 도어 접점·누수 접점도 서지 경로가 됨
LTE·LoRa 안테나 동축선 사용 주파수 대역, 커넥터 형식 삽입 손실만큼 무선 신호가 약해짐

통신·신호용 SPD 사양서에는 IEC 61643-21의 시험 범주(C2 등)와 방전 전류, 제한 전압, 대역폭이 함께 적혀 있습니다. RS485 구간에서 접지 전위차가 반복해서 문제라면 SPD만으로는 부족할 수 있으며 RS485 리피터·절연기로 접지를 끊는 방법을 함께 검토합니다.

5. SPD는 어디에 설치할까?

피뢰 규격 IEC 62305-4는 건물을 피뢰 구역(LPZ, Lightning Protection Zone)으로 나누고 케이블이 구역 경계를 넘는 지점마다 SPD를 두는 방식을 씁니다. 바깥에서 안으로 들어올수록 서지 에너지를 한 단계씩 줄여 가는 구조입니다.

  1. 건물 인입구 : 전원은 주 배전반에 Class I(외부 피뢰설비가 없으면 Class II), 통신선은 건물에 들어오는 지점에 1차 보호용 SPD를 둡니다.
  2. 분전반·현장 제어반 : 인입구에서 멀리 떨어진 분전반에는 Class II를 추가합니다.
  3. 장비 바로 앞 : 게이트웨이·서버·PLC처럼 민감한 장비 앞에 Class III나 신호용 SPD를 둡니다.
  4. 옥외 센서 쪽 끝 : 옥외에 길게 나간 신호선은 센서 쪽과 실내 수신 쪽 양 끝에 모두 SPD를 다는 것이 원칙입니다.

SPD를 여러 단으로 쓰면 앞단이 큰 에너지를 맡고 뒷단이 잔류 전압을 낮추도록 협조(coordination)가 맞아야 합니다. 두 SPD 사이 배선 거리가 너무 짧으면 뒷단이 먼저 동작해 혼자 큰 전류를 떠안게 되므로, 제조사들이 흔히 10m 안팎의 배선 거리나 별도의 디커플링 소자를 권장합니다.

국내에서는 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」 제20조 제8호가 전기설비 접지와 피뢰설비·통신설비 접지극을 공용하는 통합접지를 하는 경우 한국산업표준에 적합한 서지보호장치를 설치하도록 정하고 있습니다. 개별 현장의 설치 의무와 범위는 설계 기준과 관할 기관에 확인하는 것이 좋습니다.

6. SPD 접속선 길이는 왜 짧아야 할까? (계산 예시)

SPD가 동작하면 서지 전류는 상(L)선에서 SPD를 거쳐 접지 단자까지 흐릅니다. 이 접속선에도 인덕턴스가 있어서 짧은 시간에 큰 전류가 흐르면 V = L × di/dt 만큼 전압이 추가로 생깁니다. 장비에 걸리는 전압은 SPD의 Up에 이 전압을 더한 값입니다.

전선의 인덕턴스를 일반적인 근사값인 1m당 약 1µH로 잡고, 8/20µs 파형으로 10kA가 약 8µs 동안 올라간다고 가정하면 전류 상승률은 약 1.25kA/µs입니다. Up이 1.5kV인 SPD로 계산하면 아래와 같습니다.

접속선 전체 길이 추가 전압 (L × di/dt) 장비에 걸리는 전압 (Up 1.5kV + 추가)
0.5m 0.5µH × 1.25kA/µs ≈ 0.63kV 약 2.1kV
1.0m 1.0µH × 1.25kA/µs ≈ 1.25kV 약 2.8kV
1.5m 1.5µH × 1.25kA/µs ≈ 1.88kV 약 3.4kV

220/380V 계통에서 일반 전기기기(과전압 범주 II)의 정격 임펄스 내전압은 2.5kV입니다. 접속선이 0.5m면 보호 범위 안에 들지만 1.5m로 늘어지면 SPD가 정상 동작해도 장비가 손상될 수 있습니다. IEC 60364-5-53의 SPD 설치 조항도 접속선을 가능한 짧게, 전체 길이 0.5m 이하로 하도록 권장합니다. 분전반 안에서 선을 보기 좋게 돌려 감아 정리하는 습관이 실제로는 보호 성능을 떨어뜨립니다.

7. 모니터링 현장에서는 어떻게 적용할까?

온습도·가스 모니터링 시스템은 옥외 감지기, 수십 미터 이상 이어진 4-20mA나 RS485 배선, PoE 카메라와 게이트웨이처럼 서지 통로가 여러 갈래입니다. 설계 단계에서 케이블 하나하나가 건물 밖으로 나가는지, 다른 접지를 쓰는 건물과 이어지는지부터 표시해 두면 SPD 위치가 자연스럽게 정해집니다.

  • 전원 : 게이트웨이와 전원장치(산업용 SMPS) 앞에 Class II 이상, 장비 바로 앞에 Class III를 둡니다.
  • 아날로그 신호 : 4-20mA 전류 루프에 SPD를 넣으면 루프 저항이 늘어나므로 전원 전압과 부하 저항 여유를 다시 계산합니다.
  • 접지 : SPD 접지선은 제어반의 접지 단자로 짧고 곧게 연결하고 차폐선 접지와 한곳에서 만나게 합니다.
  • 알람 : 원격 상태 접점이 있는 SPD는 그 접점을 모니터링 시스템의 DI 채널에 물려 SPD 수명 종료를 알람으로 받습니다.
점검 항목 확인 방법 권장 시기
SPD 상태 표시창 정상(녹색)·교체(적색) 표시 확인 정기 점검 때, 낙뢰가 잦은 시기 직후
접속선·접지선 상태 단자 풀림, 변색, 길이 변경 여부 정기 점검 때
SPD 앞단 보호 장치 전용 차단기·퓨즈 트립 여부 통신 끊김·전원 이상 발생 시
장애 기록 대조 낙뢰 날짜와 센서 통신 끊김·값 튐 기록 비교 장애 발생 후

8. SPD 설치 후 자주 생기는 문제와 해결

■ SPD를 달았는데도 장비가 고장 남
접속선이 길거나 SPD와 장비 사이 거리가 멀면 잔류 전압이 장비 내전압을 넘습니다. 접속선을 줄이고 장비가 멀리 있으면 장비 앞에 Class III를 추가합니다. 신호선·통신선에 SPD가 빠져 있지 않은지도 함께 확인합니다.

■ SPD 설치 후 RS485 통신 오류가 늘어남
SPD 정전용량이 통신 속도에 비해 크거나 공통선을 연결하지 않은 경우입니다. 통신 속도에 맞는 제품인지 확인하고 A·B·GND를 모두 결선합니다.

■ 4-20mA 값이 낮게 들어오거나 끊김
SPD의 직렬 저항 때문에 루프 전압이 모자란 경우가 많습니다. 전원 전압을 올리거나 직렬 저항이 작은 제품으로 바꿉니다.

■ 분전반 차단기가 이유 없이 트립
수명이 다한 MOV는 누설 전류가 늘어 차단기를 동작시킬 수 있습니다. 상태 표시창을 보고 해당 모듈을 교체합니다.

9. 관련 산업용어

■ 전압 보호 수준 (Up)
SPD가 서지를 받을 때 단자 사이에 남는 최대 전압입니다. 보호 대상 장비의 정격 임펄스 내전압보다 낮아야 합니다.

■ 최대 연속 동작 전압 (Uc)
SPD에 계속 걸어 두어도 되는 최대 전압입니다. 계통 전압 변동을 고려해 여유 있게 고릅니다.

■ 등전위 본딩
건물 안의 금속 배관·철골·접지선을 서로 연결해 전위차를 줄이는 것입니다. 직접 연결할 수 없는 충전 도체는 SPD를 거쳐 본딩합니다.

■ 피뢰 구역 (LPZ)
낙뢰 위험 정도에 따라 건물 안팎을 나눈 구역입니다. 케이블이 구역 경계를 지나는 지점이 SPD 설치 위치가 됩니다.

10. 자주 묻는 질문

Q. 분전반에 SPD가 있으면 센서 신호선은 안 해도 되나요?
아니요, 따로 필요합니다. 분전반 SPD는 전원선만 보호하므로 옥외로 나간 4-20mA·RS485·LAN 선으로 들어오는 서지는 막지 못합니다.

Q. Class I과 Class II 중 무엇을 사야 하나요?
외부 피뢰설비가 있는 건물의 인입구라면 Class I, 그 밖의 분전반은 Class II가 일반적입니다. 둘을 함께 쓰는 Class I+II 겸용 제품도 있습니다.

Q. SPD 접지선 길이는 몇 m까지 괜찮나요?
상선 쪽과 접지 쪽을 합쳐 0.5m 이하가 권장됩니다. 1m당 대략 1kV 안팎의 전압이 더해질 수 있어 길수록 보호 효과가 떨어집니다.

Q. SPD는 한 번 동작하면 교체해야 하나요?
아닙니다. 정격 안의 서지는 여러 번 처리하지만 큰 서지를 받을수록 열화되므로 상태 표시창이 교체로 바뀌면 바꿉니다.

Q. 멀티탭의 서지 보호 기능으로 충분한가요?
장비 앞 마지막 단 보호로는 쓸 수 있지만 단독으로는 부족합니다. 앞단 분전반 SPD 없이 큰 서지를 받으면 멀티탭 SPD가 먼저 손상됩니다.

11. 마무리

서지는 직격뢰, 유도뢰, 접지 전위 상승, 스위칭 네 경로로 들어오고 전원선과 신호·통신선을 가리지 않습니다. 전원은 Class I·II·III를 인입구에서 장비 앞까지 단계별로 두고 신호·통신선에는 선로 규격에 맞는 전용 SPD를 양 끝에 둡니다. SPD 접속선은 전체 0.5m 이하로 짧게, 옥외로 나가는 케이블은 전원·신호·통신 모두 보호한다는 두 가지를 기억해 두면 대부분의 낙뢰 피해를 줄일 수 있습니다. 설치 뒤에는 상태 표시와 장애 기록을 함께 보며 교체 시기를 놓치지 않도록 관리합니다.

참고 기준 : IEC 61643-11:2025 (KS C IEC 61643-11), IEC 61643-21, IEC 62305-1:2024, IEC 62305-4:2024, IEC 60364-5-53, 국토교통부령 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」 제20조

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