전력공학 이상 전압 이해 및 방지대책

안녕하세요, 이번 포스팅은 전력공학 이상 전압 이해 및 방지대책 대해서 작성해 보도록 하겠습니다.

이상 전압 단어 그대로 해석해보시면 아시겠지만 정상적이지 않은 전압을 말합니다.

이런 이상 전압은 송전, 계통내부 등 한 곳에서만 일어나는 현상이 아니고 여러 군데에서 발생할 수 있기 때문에 각 요소별로 이해하는 게 중요합니다.

이상 전압 종류 및 세부사항

: 전력공학 이상 전압 이해 및 방지대책 내용 중에 먼저 이상 전압에 대해서 설명 드리도록 하겠습니다.

이상 전압을 구분하면 크게 3개로 나눌 수 있는데 송전계통에서 나타나는 이상 전압, 계통 내부로부터 발생하는 내부 이상 전압, 외부 원인으로 인한 외부 이상 전압라고 말할 수 있습니다.

1) 송전계통 이상 전압

송전계통에서 발생하는 이상 전압으로는 송전 시 송전선로에서 이상이 생겼을 때 발생할 수 있는 이상 전압으로 해당 이상 전압을 위해서 KEC 규정에서는 가공전선과 변압기 접속되는 부분에 대해서는 LA (Lightning Arrestor)를 설치하게 되어 있습니다.

전기를 공급받는 입장에서는 이런 송전계통에서 발생할 수 있는 이상 전압 또한 검증을 해주셔야 합니다.

2) 내부 이상전압

: 다음은 내부 이상 전압입니다.

내부 이상전압은 계통을 조작할 때나 고장이 발생했을 때 발생하는 이상 전압입니다.

송전선로의 개폐조작과 같은 계통 조작 시 과도현상으로 발생하는 이상전압은 투입 서지와 개방 서지로 구분을 합니다.

일반적으로 투입할 때 보다 개방할 때 더 높은 이상 전압이 발생할 수 있습니다.

여기에서 말하는 개방은 전류를 차단, 즉 차단기에서 해당 전류를 차단하기 위해서 차단기를 OPEN 할 때를 말합니다.

또한 부하가 있는 회로를 개방하는 것보다 무부하의 회로를 개방하는 쪽이 더 높은 이상전압을 발생한다고 합니다.

따라서 이상 전압이 가장 큰 경우는 무부하 송전 선로의 충전 전류를 차단하는 경우이며, 송전선 전압의 4.5에서 최대 6배까지 발생하니 혹 이상 전압을 이용해서 설비를 선택을 하신다면 꼭 이 부분도 고려하시는 걸 추천 드립니다.

3) 외부 이상전압

: 다음은 외부 이상 전압입니다.

외부 이상전압이 발생하는 경로로는 뇌운에 의해 발생되는 직격뢰와 유도뢰, 타선과의 혼촉 시 경우가 있습니다.

참고로 뇌 전압과 뇌 전류는 충격파이며 파고 값이 크고 지속시간은 짧습니다.

즉 외부 이상 전압의 경우에는 지속시간은 짧지만 충격파이기 때문에 파고 값이 큽니다.

하지만 반대로 내부 이상전압의 경우 파고값은 작지만 지속시간은 비교적 긴 게 외부 이상전압과 차이를 가지고 있습니다.

이상 전압 방지대책 – 가공지선

: 다음은 위에서 설명 드린 이상 전압에 대한 방지 대책에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.

이상전압을 방지하기 위한 방법은 크게 두가지로 구분할 수 있습니다.

바로 가공지선을 이용한 전선로의 보호와 피뢰기를 이용한 기계기구의 보호입니다.

– 이상 전압 방지대책

1) 가공지선을 이용한 전선로의 보호

2) 피뢰기를 이용한 기계기구의 보호

1) 가공지선

먼저 가공지선을 이용한 전선로의 보호에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.

가공지선을 활용하는 방법은 전선로의 보호를 위해 사용하는 방법입니다.

송전선에 뇌격에 대한 차폐용으로 송전선의 전선 상부에 이것과 평행으로 전선을 따로 설치를 하여 각 철탑에서 접지시킨 가공 지선을 많이 사용하고 있습니다.

일반적으로 강연성 또는 강심 알루미늄선(ACSR)을 사용했지만 점차 차폐효과를 높이기 위해 더욱 도전선이 좋은 전선을 사용하는 추세입니다.

이런 가공지선은 직격뢰에 대한 차폐, 유도뢰에 대한 정전 차폐, 통신선에 대한 전자유도 장해 경감을 목적으로 하고 있습니다.

– 가공지선을 이용한 전선로의 보호 주요 목적

1) 직격뢰에 대한 차폐

2) 유도뢰에 대한 정전 차폐

3) 통신선에 대한 전자유도 장해 경감

2) 차폐각

: 다음은 차폐각에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.

가공지선은 송전선 위로 지나가게 되는데, 이 가공지선과 송전선로와의 각도를 차폐각이라고 합니다.

이 차폐각은 45º이내로 하고, 보호율은 97% 정도이며 차폐각은 작을수록 보호율이 높습니다.

하지만 보호율은 높아지지만 건설비가 비싸지게 된다고 합니다.

3) 역섬락

역섬락에 대해서 설명 드리도록 하겠습니다.

송전선을 벼락으로부터 보호하기 위해 가공지선을 설치하면 벼락 전류는 가공지선에서 철탑을 거쳐 땅으로 흐르게 됩니다.

가공지선을 설치한다고 하더라도 해당 가공지선을 통해서 흘려보내줘야 하는 전류를 땅에서 제대로 받아 줘야 합니다.

하지만 만약 이때 철탑의 접지저항이나 벼락 전류가 크면 가공지선에 벼락이 떨어졌을 때 철탑의 전위가 매우 크게 상승하여 반대로 철탑에서 도선으로 섬락 할 수도 있습니다.

이를 역섬락이라고 하며 이것을 방지하려면 접지저항을 10~30Ω 이하로 하거나 접지 저항을 적게 하기 위해 매설지선을 설치를 해주셔야 합니다.

이상 전압 방지대책 – 피뢰기

1) 피뢰기

다음은 피뢰기에 대해서 설명 드리도록 하겠습니다.

피뢰기는 기계 기구를 보호하기 위한 기기입니다.

즉 전류를 흘려보내 주고, 배전을 하는 그런 목적이 아닌 그냥 기계 기구를 보호하는 목적을 가진 기기입니다.

만약 이상전압이 내습하게 되면 피뢰기의 단자전압이 일정값 이상으로 올라가게 되는데 이때 즉시 방전해서 전압 상승을 억제하는 역할을 합니다.

그리고 나서 이상전압이 소멸되어 단자 전압이 일정값 이하가 되면 방전을 즉시 정지해 원래의 송전 상태로 되돌아가도록 합니다.

즉, 단자 전압의 기준에 따라 그 이상일 경우 이상 전압의 방전, 그 이하일 경우엔 방전을 정지하는 속류 차단의 기능을 통해 기기를 보호하는 장치입니다.

2) 피뢰기 특징 및 고려사항

: 위에서 설명드린 대로 단자 전압의 기준에 따라 방전과 속류 차단을 하는 기기입니다.

이렇기 때문에 피뢰기가 단자간에 충격전압을 인가하였을 때 방전을 개시하는 전압을 충격 방전 개시 전압이라고 하며 빠르게 방전을 해야 하기 때문에 충격 방전 개시 전압은 낮아야 합니다.

반대로 상용주파수에서의 방전개시 전압은 상용주파 방전 개시전압이라고 합니다.

실효값으로 표시하며 피뢰기 정격전압의1.5배 이상이 되도록 잡고 있습니다. 따라서 상용 주파 방전 개시전압은 높아야 합니다.

충격파 전류가 흐르고 있을 때의 피뢰기의 단자전압을 제한전압이라고 합니다.

피뢰기가 처리하고 남은 전압을 낮아야하기 때문에 제한 전압은 낮아야 합니다.

그리고 피뢰기에는 직렬 갭을 포함하고 있는 직렬 갭은 피뢰기 내부 구성품으로 속류 차단과 소호의 역할을 합니다.

참고로 방전 전류에 이어서 전원으로부터 공급되는 상용용 주파수의 전류가 직렬 갭을 통해 대지로 흐르는 전류를 속류라고 합니다.

피뢰기 정격전압 공칭방전 전류

1) 피뢰기의 정격전압

피뢰기의 정격전압에 대해서 좀 더 자세히 설명드리도록 하겠습니다.

피뢰기의 정격전압은 속류가 차단되는 최고 교류 전압으로 피뢰기의 양단자 사이에 인가할 수 있는 상용주파수의 최대 전압의 실효값을 의미합니다.

위 식에서 보이는 α는 접지계수로 유효접지 계통의 경우 1.1~1.3을 적용하고, β는 여유도로 보통 1.15를 적용하게 됩니다.

Vm은 선간의 최고 허용전압으로 공칭전압의 1.2배를 1.1로 나누어 적용합니다.

그리고 여유도는 기기의 절연강도와 피뢰기의 제한전압의 차를 피뢰기의 제한전압으로 나누어 계산할 수 있습니다.

2) 피뢰기 공칭방전전류

피뢰기는 설치장소와 적용 조건에 따라 서로 다른 공칭방전전류를 갖가 지는데 크게 2500A , 5000A, 10000A 로 구분이 됩니다.

피뢰기 공칭방전전류는 전기기사 시험에도 출제가 잘 되니 꼭 알아 두시는 걸 추천드립니다.

공칭방전전류	설치장소	적용조건
10000 [A]	변전소	1) 154 [kV] 계통 이상 2) 66 [kV] 및 그 이하 계통에서 뱅크 용량이 3000 [kVA]를 초과하거나 특히 중요한 곳 3) 장거리 송전선 케이블
5000 [A]	변전소	1) 66 [kV] 및 그 이하 계통에서 뱅크 용량이 3000 [kVA] 이하인 곳
2500 [A]	선로, 배전소	1) 배전선로 2) 배전선 피더 인축측