[전력공학] 10. 이상 전압

1. 이상전압

 이상전압은 말 그대로 계통에서 정상 상태가 아닌, 원하지 않는 전압을 말합니다. 송전계통에서 나타나는 이런 이상전압은 계통 내부로부터 발생하는 내부 이상 전압과 외부 원인으로 인한 외부 이상 전압으로 나눌 수 있습니다.

 

1) 내부 이상전압

 내부 이상전압은 계통을 조작할 때나 고장이 발생했을 때 발생하게 됩니다. 송전선로의 개폐조작과 같은 계통 조작 시 과도현상으로 발생하는 이상전압은 투입 서지와 개방 서지로 구분하고 있는데, 일반적으로 투입할 때 보다 개방할 때, 부하가 있는 회로를 개방하는 것보다 무부하의 회로를 개방하는 쪽이 더 높은 이상전압을 발생하게 됩니다. 따라서 이상 전압이 가장 큰 경우는 무부하 송전 선로의 충전 전류를 차단하는 경우이며, 송전선 전압의 4.5에서 최대 6배까지 발생하게 됩니다.

 

2) 외부 이상전압

 외부 이상전압은 뇌운에 의해 발생되는 직격뢰와 유도뢰, 타선과의 혼촉 시 발생하는 이상전압이 있습니다. 이런 뇌 전압과 뇌 전류는 충격파이며 파고 값이 크고 지속시간은 짧습니다. 내부 이상전압의 경우 파고값은 작지만 지속시간은 비교적 긴 차이를 가지고 있습니다. 또한, 유도뢰의 파고값은 수십 kV 정도의 것이 대부분이기 때문에 110 kV 이상의 송전선에는 유도뢰에 의한 이상전압은 크게 문제가 되지 않습니다.

 

 

2. 이상전압 방지대책

 이상전압을 방지하기 위한 방법은 크게 두가지로 가공지선을 이용한 전선로의 보호와 피뢰기를 이용한 기계기구의 보호로 나눌 수 있습니다.

 

1) 가공지선

 전선로의 보호를 위해 사용하는 방법이며 송전선에 뇌격에 대한 차폐용으로 송전선의 전선 상부에 이것과 평행으로 전선을 따로 가선해 각 철탑에서 접지시킨 가공 지선을 많이 사용하고 있습니다. 일반적으로 강연성 또는 강심 알루미늄선(ACSR)을 사용했지만 점차 차폐효과를 높이기 위해 더욱 도전선이 좋은 전선을 사용합니다. 이런 가공지선은 직격뢰에 대한 차폐, 유도뢰에 대한 정전 차폐, 통신선에 대한 전자유도 장해 경감을 목적으로 하고 있습니다.

 

 (1) 차폐각

 가공지선은 송전선 위로 지나가게 되는데, 이 가공지선과 송전선로와의 각도를 차폐각이라고 합니다. 이 차폐각은 45º이내로 하고, 보호율은 97% 정도이며 차폐각은 작을 수록 보호율이 높지만 건설비가 비싸지게 됩니다.

 

 (2) 역섬락

 송전선을 벼락으로부터 보호하기 위해 가공지선을 설치하면 벼락 전류는 가공지선에서 철탑을 거쳐 땅으로 흐르게 됩니다. 이때 철탑의 접지저항이나 벼락 전류가 크면 가공지선에 벼락이 떨어졌을 때 철탑의 전위가 매우 크게 상승하여 반대로 철탑에서 도선으로 섬락할 수도 있습니다. 이를 역섬락이라고 하며 이것을 방지하려면 접지저항을 10~30Ω 이하로 하거나 접지 저항을 적게 하기 위해 매설지선을 설치합니다.

 

 

2) 피뢰기

 기계 기구를 보호하기 위한 기기로 이상전압이 내습해 피뢰기의 단자전압이 일정값 이상으로 올라가면 즉시 방전해서 전압 상승을 억제하며, 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.

 

 (1) 특징

 - 피뢰기 단자간에 충격전압을 인가 하였을 때 방전을 개시하는 전압을 충격 방전 개시 전압이라고 합니다. 따라서 이런 충격 전압을 빠르게 방전을 해야 하기 때문에 충격 방전 개시 전압은 낮아야 합니다.

 - 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. 즉, 피뢰기가 처리하고 남은 전압을 말합니다. 따라서 피뢰기는 제한 전압이 낮아야 합니다.

 - 방전 전류에 이어서 전원으로부터 공급되는 사용 주파수의 전류가 직렬 갭을 통해 대지로 흐르는 전류를 속류라고 합니다. 여기서 직렬 갭은 피뢰기 내부 구성품으로 속류 차단과 소호의 역할을 합니다.

 

 (2) 피뢰기의 정격전압(E_R)

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

<피뢰기 정격전압>

 여기서 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.

 

 (3) 피뢰기의 공칭방전전류

 피뢰기는 설치장소와 적용 조건에 따라 서로 다른 공칭방전전류를 가져야 합니다. 그리고 그 조건은 다음과 같습니다.

공칭방전전류	설치장소	적용 조건
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

 

 (4) 절연협조

 전력 계통에는 선로를 비롯해 발전기, 변압기, 차단기, 개폐기 등 많은 기기와 공작물이 접속되어 있습니다. 이들의 절연 강도가 상호간에 아무 관계 없이 정해져서 각각의 기기가 필요 이상으로 절연 강도가 높거나 약하게 되어 있다면 계통 전체에서의 신뢰도는 낮아지게 됩니다. 만약 차단기의 절연 강도가 다른 설비에 비해 훨씬 낮게 설정되어 있따면 이상 전압이 발생할 때마다 차단기가 제일 먼저 사고를 발생시켜 계통 운용에 어려움을 만들게 됩니다.

 

 따라서 계통의 각 기기는 자체의 기능에서 요구되는 절연 강도뿐만 아니라 만일 사고가 발생하더라도 그 범위를 최소한으로 억제해 계통 전체의 신뢰도를 높이고 경제적이고 합리적인 절연 강도로 될 수 있도록 기기 상호간에 절연 협조가 필요합니다. 이렇게 계통 내의 각 기기, 기구 및 애자 등의 상호간에 적정한 절연 강도를 지니게 하여 계통 설계를 합리적이며 경제적으로 할 수 있게 하는 것을 절연 협조라고 말합니다. 이런 절연 협조는 피뢰기의 제한 전압의 설정에 따라 달라지며 피뢰기의 제 1보호 대상은 변압기로 하고 있습니다. 예를 들어 154 [kV] 송전계통의 절연 협조는 다음과 같은 기준으로 만들게 됩니다.

<154 [kV] 송전 계통의 절연 협조>