[펌] 전압의 종류[저/고/특고] ?(2) 이상전압

1. 지속성 이상전압

지속성 이상전압이란 계통의 사고 혹은 운전조건 변화로 발생되고 비교적 장시간 지속되는 이상 전압으로 발생원인에서 다음과 같이

분류한다.

• 상용주파 이상전압 • 철심포화로 인한 이상전압

가.상용주파 이상전압

상용주파 이상전압은 부하차단, 지락고장, 단선, 탈조시 등에 발생하는 기본파 성분의 이상 전압이며 장시간 계속된다.

1) 1선 지락사고시 이상전압

3상계통에서 a상 지락 고장시 건전선 b,c상의 대지전압 Vb, Vc는 다음식으로 구해진다.

단 Ea: 고장점에서 고장직전의 a상 대지전압

Z1: 고장점에서 본 계통의 정상임피던스

Z2: 고장점에서 본 계통의 역상임피던스

Z0: 고장점에서 본 계통의 영상임피던스

정상임피던스 Z1 및 역상임피던스 Z2는 그림 1과 같이 발전기,변압기, 부하선로등의 정상 또는 역상리액턴스 X1,X2와 상간

용량리액턴스 Xcm의 병렬 회로로 표시된다.

일반적으로 X1,X2는 유도성으로 비교적 작은 값이 되고 사고 직후에는 정상리액턴스와 역상리액턴스는 같으므로 Z1=Z2라

볼수 있다. 영상임피던스 Z0는 그림 2와 같이 기기,선로의 영상 리액턴스 X0 및 중성점의 접지저항 3RN과 계통의 대지 용량

리액턴스 Xco의 병렬회로로 표시된다

가) 비접지 계통 1선 지락시 이상전압

비접지 계통에서는 RN=∽이고 Z0=Xco=-1/(wCo) (단지 Co는 대지 커패시턴스)가 된다.

일반적으로 용량성의 Z0는 유도성의 Z1+Z2에 비해 크고 Vb, Vc는 상규대지전압의 3배이하가 된다.

그러나 사고 양상에 따라서는 Z1+Z2+Z0는 0에 접근하고 Vb, Vc는 매우 큰 값이 되어 이상전압이 발생한다

그림 44는 1선지락시의 건전상 전압과 각종 임피던스와의 관계를 횡축에 X0/X1을 잡고 R0/X1을 파라미터로 해서 표시한 것이다.

이상전압은 정상시의 배수로 구해지며 X0/X1=-2 근방에 공진점이 있다는 것을 알 수 있다. 공진점에서는 과도 이상전압이

상규대지전압의 7~8배 이상 높게 발생하게 되므로 동시다발적으로 기기의 절연이 손상되는 경우도 발생한다. 또 이상전압은

R0/X1이 클수록 작아진다. 이것은 회로의 저항분 R0가 이상전압을 억제하기 때문이다.

나) 직접접지 계통 1선 지락시 이상전압

직접접지 계통에서는 X0/X1은 양의 값을 나타내고 1선지락시 건전상 전압은 상규대지전압의 1.89배 이하가 된다.

다) 저항접지 계통

① 저저항 접지 계통

저저항 접지계통에서는 고장점에서 본 영상임피던스는 계통 중성점의 접지위치 및 저항값,선로의 상태에 따라 변하지만

보통은유도성이 되고 이상전압은 직접지계와 마찬가지로 그다지 커지지 않는다.

② 고저항 접지 계통에서는 RN=Xc, 즉 RN=1/(3wCs) (단 Cs는 1상당 대지커패시턴스)라 하면 Vc≒2.75Ea가 되어 이상전압은

2.75배 이하로 억제할수 있다. 따라서 중성점 저항기의 저항값은 1선지락시 충전전류보다 큰 유효전류를 흐르게 하는 것을

목표로 해서 정해진다.

2) 2선 지락사고시 이상전압

b,c상 2선지락시 a상 대지전압은 다음식으로 표현한다.

위식에서 건전상 전압 Va는

일때 최대가 된다.

이제 임피던스의 저항분은 무시하고 X1=X2라 하면 비접지계에서는

이라는 조건에서

이상전압은 최대가 된다.

그림1) 2선지락시 건전상의 전압상승

그림 2는 2선지락시 건전상 대지전압을 표시한 것이며 X0/X1=-1/2일때 최대가 되고 있다.

또 2선지락 고장시 이상전압은 1선지락 고장 보다 낮은 값이 된다. 보통 비접지계 또는 고 저항 접지계에서는 X0/X1>;-2가 된다.

나. 철심포화로 인한 이상전압

수변전 계통에 접속되는 변압기,리액터, 등의 철심이 어떤 원인으로 포화되어 계통의 커패시 턴스와 공진을 일으켜 이상전압을 발생시키

는 것을 말한다.

1) 기본파 철공진 이상전압

이 이상전압의 대표적인 예는 단선시 철공진 이상전압이다. 선로의 단선, 개폐기류의 불안정한 투입, 퓨즈의 용단등으로 회로가 단선상태가 되면 변압기 여자임피던스와 선로의 정전용량이 기본파 직렬 철공진을 일으키는 경우가 있다. 이론상 무한대 이상전압이 발생하지만 실제는 철심포화가 전압을 억제하여 규정전압의 3배 정도가 된다. 변압기 포화곡선이 주어지면 변압기 리액턴스를 구할수 있어 이 이상전압의 크기를 개략적으로 구할수 있다. 보통 정상상태 계통에서는 공진은 발생하지 않지만 단선상태에서 회로에 충격이 가해져 변압기 리액턴스가 변했을 때 공진이 발생하는 경우가 있다.

단선시 공진회로가 구성되는 회로는 그림 1에서 Eb의 경우는 빨간선, Ec의 경우는 파란선으로 표시했고 이를 등가 회로로 나타내면 그림

2와 같다.

그림 1

0 그림 2 그림 3

그림 2은 1선이 단선 되었을 때 부하 측 a상의 대지전위에 대한 등가회로이다.

Xc는 선로의 대지 정전용량에 의한 용량성 리액턴스, Xm은 변압기 리액턴스이다. 그림 2에 대한 테브난 등가회로를 구하기 위해서

첫 번째로 ab단자에서 본 전원측 임피던스를 구하면

1

두 번째로 단자 a-b의 개방전압을 밀만의 정리를 이용해서 구하면

2

따라서 그림 2의 등가회로는 그림 3처럼 된다.

그림 3에서 Xc에 걸리는 전압은

3

위식에서 Xc/Xm=3/2에 접근하면 공진이 발생한다.

2) 특수 철공진 이상전압

이것은 철심이 있는 리액터 포화에 의해 고조파전압, 전류가 발생하고 회로가 고조파에 공진했을 때 발생하는 현상이다. 이 이상전압의 대표적인 예는 접지용 계기용 변압기의 중성점 불안정 현상이라는 것이 있다. 비접지 계통에 1차 접속 중성점 직접접지, 2차또는 3차에 △권선으로 계기용 변압기가 접속되어 있을 때 계통이 돌연 변동되거나 또는 1선 지락, 복귀 등 전기적 충격이 가해졌을 경우 중성점이 복잡한 과도진동을 일으키고 이것이 오래지속해서 정상진동이 되는 수가 있다. 이 현상은 변압기 철심의 자기포화 및 계통의 대지 정전용량에 기인하는 것으로 수배의 대지이상전압이 발생해서 계통 절연을 파괴할 우려가 있을 뿐 아니라 계기용 변압기의 수십 배나 되는 이상전류가 흘러서 잡음이 생긴다. 대책으로는 2차 개방 △결선단자에 저항을 삽입하는 것이 유효하다.

2. 지락시 과도이상전압

계통에 지락사고가 생기면 각 상전압은 사고 발생전 정상상태에서 수10사이클 경과 후에 기본주파 지속성 이상전압으로 변화한다. 이변화의 과도상태에서 수천 사이클 진동성 전압이 발생하는 경우가 있는데 이것을 지락 과도 이상전압이라 한다.

가. 1선지락시 과도이상전압

1상에 지락사고가 발생했을 때 건전상 대지전압은 고장발생 직전 대지전압 순시값에서 고장발생후 상용주파 전압의 정상값(지속성 이상전압)으로 급변하려고 과도진동을 일으키고 최후에 정상값으로 떨어지게 된다. 따라서 1선지락시 과도이상전압 크기는 건전상 지속성 이상전압에 과도분의 진폭을 계수로서 곱한 것을 생각하면 된다.이 계수는 상용주파 이상전압이 1.7~3배인 범위 내에서는 1.4~1.55, 상용주파 이상전압이 1~2배인 범위에서는 1~1.3배가 된다.따라서 1선지락시 과도이상전압을 낮추려면 지속성 이상전압을 낮추면 된다는 것을 알 수 있다.

나. 2선지락시 과도이상전압

2선지락시 과도이상전압은 1선지락시 과도이상전압과 현상적으로는 똑 같다. 일반적으로 2선 지락시 건전상 지속성 이상전압은 1선 지락시의 그것보다 낮고 따라서 과도이상전압도 낮아져 절연협조상 문제가 되는 일은 적다.

다. 지락점의 재점호(간헐 아크지락) 이상전압

비접지계에서 아크로 지락사고가 발생했을 때 지락전류는 대지충전전류 뿐으로 비교적 적어서 아크는 자연 소호된다. 그후 다시 재기전압이 고장점의 절연회복 특성을 상회하면 다시 절연이 파괴되어 재점호 한다. 이 현상이 타이밍 좋게 간헐적으로 반복되면 소위 아크지락이 되어 높은 이상전압이 발생한다.

4

그림1) 재점호 이상전압

그림 1에서 각상전압을ea,eb,ec라하고 eb가 최대값 Em(Em은 규졍대지전압 파고값) 일때 재 점호가 발생했다고 하면 ea, ec는 eb=0에 대해서 선간전압을 유지하려고 하므로 ea=ec=0.5Em에서 ea=ec=1.5Em인 대지전압이 된다. 이 급격한 변화에 있어 회로의 감쇠를 무시하면 ea,ec는 Em=1.5Em을 중심으로 진폭 Em인 과도진동을 일으키고 그 최대값을 1.5Em+Em=2.5Em에 달한다. 이 진동은 바로 감쇠, 소멸해서 ea 및 ec는 지락상에 대해서 선간전압을 유지하면서 추진한다. 상용주파 반사이클 후에는 ea 및 ec의 충전전류 합이 0이되고 지락점에서 아크는 소멸한다. 이때 ea,ec의 전압은 -1.5Em으로 충전된 상태로 대지에서 절연되고 -1.5Em에 상당하는 2선의 전하는 3선으로 분산되어 -1.5Em*2/3=-Em만큼 중성점 전위가 이동한 것이 되어 3상전압이 변화한다. 다시 반사이클 후 eb의 대지전압이 -2Em에 달했을때 재차 지락점이 재점호 했다고 하면 전과 같이 ea 및 ec는 eb=0에 대해서 선간전압을 유지하려고 ea=ec=-1.5Em에서 1.5Em대지전압이 되고 eb변화분 2Em만큼 과도진동이 일어나 최대 1.5Em+2Em=3.5Em 이상전압으로 발생한다. 이 이후에도 꼭 같은 소호, 재점호를 반복하게 되지만 대지전압은 이 이상 상승하지 않는다. 실제 계통에서는 고장점 상태등 회로조건이 반드시 이론과 같지 않고 이상전압은 3.2~3.4배라고 한다. 이 이상전압을 방지하는 데는 가령 고장점이 간헐아크가 발생해도 누적적인 전압상승을 초래하지 않도록 중성점에 저항을 삽입해서 소호 후 잔류전압을 최대한 낮추는 것이 효과적이다. 경험적으로 저항분 전류와 충전전류비 ir/ic≥1로 해두면 방지된다. 피뢰기 상용주파 방전전압을 약간 높게 하여 간헐아크지락이 발생해도 방전하지 않도록 해야한다.

3. 개폐서지

가. 무부하 선로에 전원을 투입시의 서지

무부하 선로를 교류전압 최대값일 때 투입하면 파고값 투입서지가 진행파가 되어 선로를 전파해서 말단에 도착한다. 선로말단은 보통 변압기등 기기가 접속되어 있으나 서지 임피던스적으로 개방단과 같고 전압파는 양의 반사를 해서 2배로 뛰어 오른다. 즉 투입서지는 최대 2*Em이 되지만 그 이상이 되는 일은 적다. 그러나 선로에 역극성 전하가 남아 있을 경우, 즉 고속도 재투입일 때에는 다음에 설명하는 재발호 서지와 마찬가지로 높은 서지가 발생할 수 있다.

(무부하 선로에 최대치 EM의 전원을 투입하면 전압의 진행파가 선로의 종단에 도달 했을 때 종단이 개방되어 있으므로 정반사하여 2EM의 이상전압을 발생 시킨다.???)

나. 무부하 충전전류 차단시의 서지 (재점호 서지 및 단로기 개폐서지)

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무부하 선로의 충전전류를 차단기로 차단했을 때 위그림과 같이 충전전류는 전압보다 90도 가까이 위상이 앞서 있고 차단 시 전류영점에서는 전압은 Em이고 선로에 그 전압이 잔류한다. 1/2 사이클 후에는 차단기 극간에 Em-(-Em)=2Em인 전압이 걸려서 절연회복이 충분치 못하면 재점호되고 잔류전압이 급격히 전원전압으로 되돌아가려고 진동을 일으켜서 최대 3Em에 이르는 서지를 발생한다. 이와 함께 전원에서 진동성의 충전전류가 선로를 흐르고 이 충전전류 차단도 전류영점에서 이루어진다. 이 때 차단기 절연회복이 충분하면 차단은 완료하지만 불충분할 때에는 제차 재점호 된다. 이와 같이 차단과 재점호를 반복하면 잔류전압은 점차 커져서 커다란 서지가 발생할 수도 있으며 4배이상 서지가 실측된 예도 있다. 단로기로 무부하 선로나 콘덴서형 계기용 변압기 충전전류를 차단하면 재점호 및 차단이 반복되어 이른바 단로기 서지가 발생한다. 단로기 개극속도는 차단기 그것에 비하면 매우 느리므로 수많은 재점호를 반복하여 서지 발생횟수가 대단이 많아진다. 서지배수는 극히 드물게는 3배나 되는수도 있으나 대개는 2배 이하이므로 기기절연을 위협하는 일은 없다.(대부분은 상규대지전압의 3.5배이하이고 4배를 넘는 경우는 없으며 그 지속시간도 반 사이클 이내이다.?) 그러나 이 서지로 피뢰기가 동작하게 되면 가혹한 부담을 받는 다수 회 동작이 되어 소손될 때가 있다. 무부하 선로 투입할 때 발생하는 서지보다 훨씬 가혹하다.

다. 유도성 소전류 차단시 발생하는 서지

유도성 소전류 차단시에 발생하는 서지는 전류절단서지, 반복 재점호서지, 유발절단서지가 있다.

이것들은 차단성능이 좋은 공기차단기,진공차단기 및 소유량 차단기를 사용해서 변압기 무부하 여자전류, 소용량 전동기의 위상이 늦은

전류를 차단할 때 발생한다.

1) 전류절단서지

위상이 늦은 소전류 차단에서 전류의 자연 영점을 기다리지 않고 강제 차단한다. 즉 전류를 절달할 때 발생하는 서지이다. 그림1은 그

발생과정을 설명하는 등가 회로 및 전압 전류 파형이다. 그림 1-1의 A점에서 전류절단이 발생했다고 하면 절단시의 부하L에 축적되어

있던 전자에너지가 부하의 대지정전용량 C를 충전하는 정전에너지로 변화하고 이때 L,C간에서 전기진동이 일어나 v라는 서지가 발생

한다. 그 값은 전류 절단값 I0, 그 순간 부하측의 대지 전압을 e라고 하면

6

7가 되어 전류 절단값 i0와 부하측 서지 임피던스로

8 로 정해진다.

전류절단값은 회로조건과 차단기 차단성능에 의해 정해지는데 차단성능이 좋은 공기 차단기, 진공차단기, 소용량 차단기 등으로 비교적

큰 값이 된다. 서지 임피던스√L/C은 부하종류, 케이블길이 등에 따라 정해지며 양자 모두 용량이 작아지면 서지 임피던스는 커지므로

소용량기쪽이 서지적으로 가혹하게 된다는 것을 알수 있다.

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그림 1. 전류절단서지

0

※ 무부하 변압기의 여자전류 차단시 전류 재단현상 발생

변압기 무부하 전류는 일반적으로 변압기 정격전의 10%정도 이하이다.고압 교류차단기의 규격(JEC-2300)에서는 이러한 지상역률의 소전류를 대상으로하여 ‘지상 소전류 차단시험’이 규정되어 있으며 시험전류는 6A 및 20A로 되어 있다. 이러한 소전류를 차단했을 경우 전류가 영점에 도달하기 전에 강제적으로 차단되는 재단현상이 발생하고 부하측에는 과전압이 발생하는 경우가 있다. 차단기로 부하전류를 차단했을 때는 전류차단후의 차단기 접촉자간에는 전원측 전압과 부하측 전압차 만큼의 전압이 가해지지만 위와 같은 현상이 발생했을 경우 전류차단 직후 접촉자간에 보통 때보다 큰 과도 회복전압이 걸려 재발호 현상이 발생하는 경우가 있다. 재발호 현상이 발생하면 접촉자간에 부하전류가 흐르기 시작하고 차단기의 종류에 따라서는 전류 영점까지 전류가 흐른 다음에 차단된다. 규격에서는 참고시험으로 ‘지상 소전류 차단시험’ 규정되어 있다. 이 시험의 목적은 무부하변압기의 여자전류와 같은 지상 소전류에 대한 차단성능을 보는 것이 아니라 전류재단등에 의한 과전압의 발생경향을 파악하는데 있다.

2) 반복 재발호 서지

전류 절단으로 서지가 발생했을 때 차단기 극간절연이 충분히 회복되어 있지 않으면 재발호하고 조건에 따라서는 다시 소호된다. 다시

발호와 소호가 짧은 시간(1ms 이내)에 여러 번 반복될 때가 있고 이것을 반복 재 발호라 한다. 이것은 재발호시 회로에 흐르는 고주파

전류가 강제적으로 전류 영 값을 만들기 때문에 생기는 현상으로 소위 고주파 소호가 원인이다. 보통 반복 재발호는 전류 절단서지가

차단기 극간절연의 회복특성을 상회하여 재 발호와 고주파 소호를 반복하는 현상이다. 서지 전압은 최대 상 전압의 5~6배나 되는 수도

있다.

라. 고속도 재폐로 시의 써지

재폐로 시에 선로 측에 잔류 전하가 있고 재폐로시 재점호가 일어나면 큰 써지가 발생한다.

마. 고장 전류 차단시의 써지

중성점을 리액터 접지 시킨 영상 임피던스가 큰 계통에 있어서는 고장 전류는 90°에 가까운 지상 전류이다. 이것을 전류 영점에서 차단하면, 차단기 의 전원측 전압이 차단 직전의 최대 아크 전압에서 전원 전압으로 옮아가는 과정에서 과도 진동에 의하여 이상 전압이 나타나게 되는데 이 때의 전압 크기는 상규 대지 전압 파고치의 2배 이하이다.

바. 3상을 동시 투입하지 않을 때의 써지

차단기의 각상 전극은 정확히 동일한 시각에 투입되지 않고 근소하나마 시간적 차이가 있는 것이 보통이다. 이 차이가 좀 심한 경우에는 상규 대지전압 파고치의 3배 전후의 서지가 발생할 수 있다.

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