낙뢰, 대한민국 국방의 X-이벤트가 아닌가?

1. 머 리 말

지구온난화와 기상이변에 따른 잦은 낙뢰로 인한 전자통신설비의 고장 때문에 중단 없는 작전수행의 어려움을 겪고 있는 데, 이런 낙뢰와 접지봉을 매설/철거하는 문제에서 생존성과 기동성을 확보하여 완벽한 작전수행을 위한 21세기형 낙뢰방호 대책에 대하여 논해 보고자 한다. 낙뢰대책의 시작은 18세기(1752년)에 프랭클린이 연을 이용하여 낙뢰를 유도하는 연구가 있었고, 당시는 물론 19세기, 20세기 초의 낙뢰대책은 건축물 파손과 화재 및 인명손상을 방지하는데 그 목적이 있었다. 그렇지만 큐리오시티가 화성을 탐사하는 21세기의 낙뢰대책은, 첨단 IC반도체로 구성된 전자통신설비를 보호하는 것이 주요 목적이 되었다. 이렇게 보호 대상과 기술이 크게 변한 2012년에, 우리의 낙뢰방호기술의 실태와 문제점을 알아보고 해결방안을 강구해 보고자 한다.
특히 남북이 대치한 우리 군은 언제 어디서든 24시간 완벽한 국가방위와 유사시에 필승을 달성하기 위해서는 장비의 생존성과 기동성을 확보해야만 하는 특수한 상황에 있다. 따라서 본 논문에서는 낙뢰가 친다고 해서 전자통신장비와 전투장비의 전원을 다운(Off)시키고 접지선과 전선을 분리하고 작전을 중단하여 국가방위의 공백사태가 더 이상 발생하지 않도록, 낙뢰대책의 문제점을 분석하고 해결 대책을 제시하는 것을 목적으로 한다. 그림 1은 접지와 피뢰기술의 세대를 구분한 것이다.

2. 접지·피뢰기술의 문제점

1. 기술의 발전 속도에 뒤쳐진 기술규정
• 1971년 10월 1일에 제정된 한국산업규격인 KS C-9609(2004년 12월 9일 폐지)에서의 낙뢰대책은 피뢰침을 설치하는 것이다. 이는 당시만 해도 큰 문제가 되지 않았다. 왜냐하면, 그 당시에는 낙뢰와 surge 등에 의해서 고장이 나거나 오동작을 할 만한 첨단 전자통신설비 자체가 거의 없었기 때문이다. 그러나 진공관, 트랜지스터 시대를 지나서 40년이 지난 지금은 IC, VLSI와 같은 저전압 고집적 반도체가 이용되고 있기 때문에, 18세기의 피뢰대책인 피뢰침과 접지에만 의존하는 것은 문제점이 있다. 특히 프랭클린은 낙뢰를 유도하는 기능과 논리로 피뢰침을 개발했지만, 그와는 반대로 낙뢰를 피해주는 避雷로 피뢰침을 잘못 인식한 것이 더 큰 문제를 일으키고 있는 실정이다.



2. 전원공급방식과 접지방식의 불일치
• 통상적으로 델타(△)결선의 전원공급방식은 독립접지방식(TT)을, 와이(Y)결선은 공통접지방식(TN)을 사용한다. 한국은 Y결선 전원공급방식이지만, 접지방식은 일본과 같이 △결선 전원공급방식의 독립접지방식이 사용되었다. 때문에 전원공급방식과 접지방식이 불일치되어 낙뢰피해가 가중되었다. 2005년 한국산업규격(KS C IEC)이 공통접지로 개정이 되었지만, 독립접지방식으로 된 2005년 이전의 설비들이 공통접지방식으로 개선되지 않은 것이 문제이다. 그림 4, 5는 전원방식에 따른 적합한 접지방식을 비교한 것이다.



3. 피뢰침과 접지저항에 의존한 피뢰대책
• 피뢰침도 설치되어 있고, 접지저항 값도 작은데도 불구하고 낙뢰만 치면, 그것도 직접적으로 낙뢰를 맞지 않았음에도 전기·전자·정보통신 장비는 고장이 난다.
  이러한 이유는,
  첫째, 피뢰침은 낙뢰가 건축물과 사람 등에게 직접 맞는 것을 방지하는 것이지, 내부에 있는 전기전자통신 정보화설비를 보호하는 것이 아니다. 즉 내부에 있는 전자통신 정보화설비들은 유도뢰나 서지 등과 같은 전자기적 충격에 의하여 피해를 입는데도 불구하고 피뢰침과 접지저항 값에만 의존하는 문제가 있다.
  둘째, 2005년도에 개정된 KS C IEC의 공통접지방식과 등전위시스템이 아닌 KS C 9609규정에 의해서 접지를 분리/독립시켜서 전위차를 발생시키는 문제점이 있다. 그림 5는 낙뢰피해의 대부분인 유도뢰에 의해서 피해가 발생한 사례이다.



4. 접지봉 매설로 인한 기동성의 제한
• 현대전은 과학화전투장비의 기동성과 생존성 확보가 중요하다. 특히 차량에 구축된 전자통신설비와 전투 장비를 신속하게 전개하고 철수할 수 있는 기동성 확보를 위해서는 땅에 매설하지 않는 접지장치가 필수적으로 요구된다. 접지봉을 땅에 박거나 뽑아내는 것은 매우 많은 시간이 소요되는 어려움이 있다. 특히 동계 작전시와 암반지역에서는 접지봉을 박는 것이나 빼내는 것이 어렵기 때문에 기동성과 접지의 신뢰성을 확보하는 데 있어서 제한 요소가 되고 있다. 게다가 낮은 접지저항을 획득하기 위한 노력까지 요구되고 있다.

3. 문제점 해결 방안

1. 개정된 KS C IEC규격의 홍보와 교육
• 기상청 낙뢰연보에 따르면 2010년에 발생한 낙뢰는 약 164,000회 이며, 8월에 약 81,000회의 낙뢰가 발생하였다. 이 같은 낙뢰의 위협으로부터 24시간 중단 없는 작전수행과 과학화경계는 물론이고, 항시 우리 군의 첨단 전자전 과학과전투장비의 생존성을 확보하기 위해서는 개정된 KS C IEC와 무선설비규칙의 홍보와 교육이 필요하고, 또한 전기안전공사 및 내선규정, 소방법과 건축법 등도 개정된 KS C IEC규정에 맞춰 개정하고 이를 홍보하고 교육하여야 한다.
2. 전원공급방식과 접지방식의 일치
• Y결선 전원공급방식에는 공통접지방식(TN)을 사용해야 낙뢰대책으로 적합하다. 따라서 Y결선 전원공급방식이지만 독립접지방식으로 되어있는 시설들은 공통접지방식으로 개선하여 전원공급방식과 접지방식을 일치시켜야 한다. 또한 중성선이 없는 전원을 사용하는 전자통신설비에 대해서도 공통접지 및 등전위 시스템을 구축할 수 있는 접지장치의 연구개발도 필요하다.
3. 피뢰침과 접지저항에 대한 올바른 인식
• 피뢰침은 낙뢰를 몰아내는 것이 아니고, 오히려 낙뢰를 끌어당기는 기능과 역할 때문에 전자통신설비의 낙뢰대책으로는 불리하다. 접지는 방전의 경로이자 유입의 경로이기 때문에 접지저항 값이 작으면 접지를 통하여 많은 유도뢰와 서지의 유입이 쉽게 이루어진다. 이러한 사실 때문에 피뢰침도 있고, 접지저항 값이 작은데도 불구하고 낙뢰만 치면, 그것도 직접적으로 낙뢰를 맞지 않았음에도 불구하고 전기·전자·정보통신 장비가 고장 나는 이유이다. 표 2는 보호 대상에 따른 보호대책의 구분이다.
  

  

  표 2에서와 같이, 건축물과 人畜, 문화재의 직격뢰 보호대책으로는 피뢰침을 설치하고, 전기·전자·통신 정보화설비의 유도뢰 대책은 디지털접지장치, 서지보호장치를 설치한다. 피뢰침은 낙뢰를 빗겨가게 하는 게 아니라 낙뢰를 끌어당기는 낙뢰유도장치로서 건축물의 보호설비일 뿐, 전자통신장비를 보호하는 낙뢰방호장비와는 다른 의미를 가진다. 방송통신위원회고시 제2010-48호(2010년 12월 17일)는 『무선설비규칙 제19조(공중선 등의 안전시설) ① 무선설비의 공중선계에는 낙뢰로부터 무선설비를 보호할 수 있도록 하는 낙뢰보호장치(피뢰침은 제외한다) 및 접지시설을 하여야 한다.』고 개정하여 피뢰침이 전자통신장비의 낙뢰대책이 아님을 규칙으로 규정했다.
  ‘09년 10월 전군에 배포한 ‘피뢰설비 관련 규정’의 준행 관련 문제점을 점검하고 불필요한 피뢰침을 설치하지 않도록 하여, 피뢰침과 접지봉을 설치하는 것으로 전자통신설비의 낙뢰방호를 전적으로 기대하는 잘못은 더 이상 없도록 한다.
4. 이동형 작전차량의 기동성 확보 방안
• 과학화전투장비의 기동성 확보를 위해서 땅에 매설하지 않고 차량에 탑재되는 3세대디지털접지장치(eca3G)는, 전원의 중성선 (Neutral, N)과 계통접지(PE, PEN)를 이용하기 때문에 기준전위 확보와 공통접지 및 등전위 시스템을 확실하게 구현하고, 작전을 신속하게 전개/철수할 수 있는 기동성을 확보할 수 있다. 3세대디지털접지장치는 아래 그림 8과 같이 구성/설치된다.
  

  

  그림 9는, 차량에는 인체감전 사고를 예방하기 위해서 대지에 접지를 할 필요가 없음을 제시하였고, 그림 10은 차량이 외부전원을 사용할 경우, eca3G가 중성선과 계통접지를 이용하는 접지시스템을 미국특허 도면으로 도시한 것이다.
  

  

  그림 11은 계통접지(PEN)를 이용하여 노출도전성 부분에 접지를 하지 않는 2005년 개정된 TN-C 공통접지방식이며, 이와 같이 eca3G는 PEN(계통접지, 중성선)과 전기·전자소자로 구성된 전기회로계를 이용하여 기준전위(접지면)를 제공하고, 전기회로계의 전도경로를 구현하기 때문에 땅에 박는 접지를 별도로 하지 않는다.

  

4. 결론

본 논문에서는 공통접지방식과 등전위시스템이 낙뢰방호 대책으로 적합하다는 논거와 함께 한국산업규격(KS C IEC)과 무선설비규칙에 근거하여, 자연 및 인공 낙뢰에 의한 방공포와 우리 군의 전자통신 장비 피해를 방지하면서 낙뢰와 무관하게 작전의 지속성과 기동성을 확보할 수 있도록 하기 위해서 필요한 사항을 다음과 같이 제안한다.

첫째, 무선설비규칙 제19조의 규칙에 의거하여 불필요한 피뢰침 설치가 없도록 실무 운영/관리 규정을 개정하고, 특히 피뢰침을 설치하는 것으로 전자통신설비의 낙뢰방호를 기대하는 잘못은 더 이상 없도록 한다.

둘째, 접지시스템과 접지장치는 KS C IEC 규격에 적합하게 공통접지와 등전위 시스템을 만족하게 한다.

셋째, 개정된 한국산업규격(KS C IEC)을 적합하게 이해하여, 개정 이전에 부적합하게 시설된 접지피뢰설비와 기술에 대한 개선이 이루어질 수 있도록 교육하고 홍보할 수 있는 교육체제를 구축한다.

넷째, 낙뢰가 발생하는 기상 악화시에 대응하는 안전관리 규정, 작전운영 지침 및 예규, 시설 및 정보통신 운영 지침과 관련 규정을 단순화 하여, 365일 24시간 중단 없는 지속운영을 할 수 있게 운영개념을 일괄 변경한다.

다섯째, 작전차량에 탑재된 과학화전투장비의 기동성 확보를 위해서는 땅에 매설하지 않는 접지장치가 요구되고 있다. 이와 같이 현대전에서는 차량을 이용한 작전개념이 중요시 되고 있어서, 차량에 설치되는 접지장치와 기술에 대한 기술기준과 규격의 마련이 요구되고 있다. 이를 위해서는 접지와 피뢰기술에 대한 과학적인 이해와 접근을 통해서, 과거의 무조건적인 접지봉을 박는 것과 피뢰침을 불필요하게 설치하는 것에서 벗어나고, 21세기에 적합한 낙뢰대책과 접지기술의 연구개발이 요구된다.

끝으로, 우리는 2005년에 한국산업규격이 KS C IEC로 개정되었고, 2010년 무선설비규칙 제19조가 개정되었지만, 아직도 독립접지방식과 피뢰침에 전적으로 의존하고 있다. 이러한 종래의 접지 및 피뢰설비들에 대해서는 개정된 한국산업규격과 무선설비규칙에 적합하게 개선할 수 있도록 관계기관의 적극적인 홍보와 교육이 요구된다. 다행스러운 것은 많은 실무담당자들의 자체적인 노력에 의해서, 21세기 과학기술과 차량에 적절한 접지장치와 낙뢰방호대책을 하고 있다는 것이다. 일부 군부대만이 아닌 우리 군 전체가 개선이 된다면, 첨단 전자 전투장비의 생존성과 기동성을 확보하여 완전국방을 달성할 수 있는 것은 물론이고, 낙뢰피해로 인한 국방예산을 절약하여 군의 복지와 전투력 향상을 위한 예산으로 사용될 수 있을 것이다.

남북이 대치한 우리에게는 북한의 도발은 X-이벤트가 아닌 현재 진행형이기 때문에, 어떤 경우도 낙뢰로 인한 첨단 IT국방설비의 X-이벤트는 절대 없도록 낙뢰대책과 접지장치에 대해서 과학적인 이해와 접근을 하여야 할 것이다.