4. 개폐서지 억제대책

이 시간에는 개폐서지 억제대책에 대해서 살펴보도록 하겠습니다 우리가 이상전압 하면 일반적으로 외부이상전압과 내부이상전압으로 나누고요 외부이상전압 같은 경우 직격뢰, 유도뢰 이렇게 구분이 되며 내부이상전압은 개폐서지와 그리고 지속성 이상전압으로 구분할 수 있습니다 개폐서지는 다시 개방서지와 투입서지로 구분할 수가 있습니다 개폐서지 억제대책입니다. 먼저 읽어보시겠습니다. 개폐서지는 송전선로의 개폐조작에 따른 과도현상 때문에 발생되며 투입서지와 개방서지로 나눈다. 차단기나 개폐기류를 투입할 때와 개방할 때 발생되는 것이 개폐서지입니다. 일반적으로 회로를 투입할 때보다 개방하는 쪽이 부하시 보다는 무부하시의 회로를 개방하는 경우가 더 높은 이상전압을 발생시킨다. 자 원리 보시겠습니다 이와 같은 정현파의 전원전압 피크치가 2m 그 다음에 마이너스 피크치가 마이너스 2m 일어난 경우 투입서지를 보겠습니다 지금 발전기가 있고 전력용 변압기가 있죠 그리고 송전단에 있는 모선이 있구요 차단기 송전선로 그 다음에 수전단 이렇게 있습니다 송전선 그러니까 발송배전만 해당되는 것 같으나 우리가 이상전압하면 건축전기기술사, 발송배전기술사 구분 없이 우리가 중요시해야 할 항목들입니다 왜냐하면 우리가 전기기술사로서 수용가설비든 전원설비든 간에 모든 절연협조 부분을 검토하고 또 설계를 할 수 있어야 되는데 우리가 이상전압의 종류라든지 원리를 모르고서는 반쪽 기술사가 될 수밖에 없습니다 따라서 약간 중첩되게 공부하시는 것이 좋습니다 저도 실제로 발송배전 공부하면서 건축전기 분야에 좀 약간 치우쳐서 공부를 일부러 해보기도 했습니다 그러한 것들이 나중에 많이 도움이 되었습니다 자 먼저 송전단 측에서요 EM 이라는 이런 덩어리가 갑니다 사실상은 이렇게 나타냈지만요 예를 들면 이런 식이 되겠죠 이런 파형이 되는데 맥시멈 파형으로 이렇게 사각형으로 이렇게 나타냈습니다. EM이라는 파형이 수전단에 이렇게 도달하게 되면요. 수전단은 지금 개방단입니다. 여기가 개방단. 무부하 송전선로를 충전시키는 겁니다. 그래서 전압파형이 되어있구요. 이쪽은 전류파형입니다. 전압파형은 개방단에 가면 정반사를 합니다. 정반사라고 하는 것은 2m이 오면 그대로 2m이 반사되고요. 마이너스 2m이 되면 마이너스 2m이 되돌아가게 됩니다. 그래서 전원단에서 2m이 출발해서 이와 같이 수전단으로 진행해서요 정반사를 하기 때문에 다시 2m이 추가되서 그 크기는 2m 만큼이 돼서 다시 전원단으로 되돌아갑니다 이렇게 되돌아가겠죠 이렇게 되돌아 가게 되면요 전원단은 결국 맥시멈이 2m 인 발전기가 있습니다 그래서 그 발전기 입장에서는 되돌아 온 전압을 자기 2m 값으로 만들고자 하기 때문에 부의 작용을 합니다 그래서 마이너스 2m 을 되돌려 줍니다 그래서 마이너스 2m 이 다시 전진하면서 이 부분이 계속 깎아져 가겠죠 계속 이렇게 깎아져서 가서 마이너스 2m이 또 종단에 가면 또 정반사를 하죠 그래서 마이너스 2m이 다시 마이너스 2m이 되어서 정반사를 하게 됩니다 그래서 마이너스 2m이 다시 가죠 그래서 여기 쭉 이렇게 가게 되구요 다시 이렇게 가고 그래서 결국은 최대값은 2EM 정도가 최대값이 되겠습니다 투입서지는 기껏해야 2배 정도 2배 이하의 그런 낮은 이상전압을 발생시킨다 전압파형으로 그렇습니다 전류파형의 경우 IM 이라는 전류가 수전단으로 가면 개방단에 도착하면 부반사를 일으킵니다 그래서 이와 같이 깎아먹고 가겠죠 그래서 이 깎아먹는 부분들이 계속 증가해서 가면 결국은 종단에 가면 전원단은 이정도만 남을 겁니다 이정도만 이정도만 남고요 그 다음에 이것이 다시 진행을 합니다 이렇게 진행을 해서 마이너스 쪽으로 채워 가죠 그래서 이 부분이 부반사 니까 이제 플러스 2IM 이 되겠죠 그래서 플러스 IM 으로 다시 채워져 갑니다 그래서 이와 같이 반복 사이클 역시 IM 같은 경우는 최대가 절대치가 그냥 IM 이죠 이렇게 될 뿐이지 전압파형 처럼 엎어쳐서 이렇게 2EM 두배가 되는 그런 파형은 아닙니다 차단기 투입과 동시에 EM, IM의 진행파가 송전단으로부터 수전단에 도달시 종단 개방조건 Z2는 무한대에 의하면 전압파는 정반사하여 2EM의 이상전압을 발생시킨다 그랬어요 결국 ET는 Z2 플러스 Z1분의 2Z2 EI 이렇게 되거든요. 입사파 전압이 있으면 우리가 임피던스 변이점을 Z1, Z2라고 넣으면 그런데 Z2가 무한대에요. 개방이 됐기 때문에 그래서 여기다 Z2를 집어넣습니다. 무한대를 집어넣고 무한대를 집어넣으면 분모는 무한대가 되겠죠. 분자는 2무한대가 됩니다. 그래서 무한대 무한대 약분하면 2EI. 결국은 종단에는 2배의 전압이 걸린다 이거죠. 그래서 2배의 전압이 발생이 돼서 전원단으로 이렇게 다시 되돌아간다 이런 내용이고요. 투과파전압 방금 설명을 드렸고요 반사파전압 같은 경우는 이와 같은 경우는 Z2가 무한대고 Z1이 얼마 안되죠 그래서 ER은 EI가 되겠죠 그래서 정반사 하게 된다 이런 내용이고요 IR은 부반사 이런 내용입니다 자 다음 보시겠습니다. 반사이클로 송전단에서 마이너스 2EM이 진행되어 선로파고값 2EM이 2EM으로 감쇄되며 수전단에서는 정반사에서 마이너스 2EM이 다시 마이너스 2EM으로 되기 때문에 잔류되고 있던 선로전압 2EM은 상쇄되어 0으로 된다 그랬습니다 그래서 수전단 종단에서 전압파형은 정반사를 한다 이거 기억해 주시고요 전류파형과 다릅니다. 항상 전압파형 기준으로 기억을 해주시고요. 즉, 무부하 송전선로 차단기 투입시 발생하는 투입서지는 기껏해야 2배 정도이므로 무시해도 좋다. 그렇고요. 다음 네 번째, 이 왕복전동을 하는 사이에 왕복과도진동전류에 의한 저항손과 2EM의 이상전압에 의한 코로나손으로 과도진동전압은 급속하게 감소하여 정상상태에 도달한다. 그랬습니다. 개방서지 발전기, TR, 송전단, 모선, 차단기, 송전선로 무부하, 개방단 송전선로에는 C값, 대지정전용량 등등 등가적으로는 이와 같은 등가회로가 되겠죠 자 여기서 차단기 부분에 있어서요 전원측 발전기 측을 a 라고 놓구요 부하측을 b 라고 놓겠습니다 부하측 단자는 b 단자 전원측 단자는 a 단자 자 그러면 충전전류가 흐르죠 여기 무부하 상태에서 c만 존재합니다 c만 존재하기 때문에 충전전류 그래서 전압파형에 비해서 전압파형이 이렇게 되죠 전류파형이 앞섭니다 그래서 앞선파형의 전류가 이렇게 흐르죠 그런데 이제 선로 온전원이 차단을 시킨다 가정을 하죠 그러면 차단기를 차단을 하게 되면은 교류차단기 특성상 전류 0점 전류 0점에서 차단이 됩니다 그러면 전류 0점에서 차단이 되면 a 측은 계속 이와 같이 정현파 교류로 오실레이션 할 거구요 B측은 차단이 된 순간 콘덴서에 축적되는 DC처럼 이렇게 작용할 겁니다 그래서 교류가 아니고 이쪽은 직류다 이렇게 보시면 됩니다 그래서 선로측 전압은 차단시킨 순간 B측 선로측 전압은 이와 같이 될 거고 A측은 교류로 계속 오실레이션 하구요 그래서 오실레이션 하면서 반사이클 후에 보시면 이와 같이 마이너스 2쪽으로 가죠 플러스 2에서 마이너스 2로 2EM만큼 갑니다 그러면은 차단기 극간이 아직 벌어지지 않은 상태인데 그러면 2EM 정도면은 절연이 버틸 수 있는데 2EM 2배의 전압이 걸렸기 때문에 다시 아크가 생겨서 연결돼 버립니다 그러면 A와 B의 전위가 똑같아져야 되기 때문에 아크로 연결되었으니까 전기적으로 결속이 됐죠 그러니까 이제 같이 되기 위해서는 교류가 직류를 따라가는 게 아니고 직류가 교류를 따라가게 되어 있습니다 그래서 직류 부분이 교류까지 와야 되는데 딱 거기서 멈추는 게 아니고요 원만큼 더 많이 갑니다 그래서 우리가 2m 2m 그래서 2em 맞죠 그러면 여기가 마이너스 2em 이거든요 근데 위에서 내려온 거는 2em 이었어요 2em 그래서 여기서 2em 을 또 추가해서 마이너스 2em에 2em 추가하면요 결국 여기서부터 여기까지는 마이너스 3em 이 됩니다 그래서 5만큼 더 많이 내려가는 거죠 그러면 차단기 극간이 아직도 안 열어지고 있어요 그래서 안 열어지고 있기 때문에 다시 재점호가 발생합니다 이 부분에서 재점호가 아크가 생기겠죠 그러면 차단기 극간 A와 B가 다시 전기적으로 접속이 됩니다 그럼 전기적으로 연결되면 교류가 직류를 따라갈 수는 없습니다 교류는 항상 자기 발전기 전압으로 인해서 오실레이션 할 거고요 그러면 직류가 결국 이 발전기에서 나오는 전압까지 가야 되는데 이 경우도 다시 5만큼 더 갑니다 지금 여기서 여기까지가 마이너스 3em 이었죠 마이너스 3em 이었는데 여기까지 하면은 또 2em 이니까 여기까지는 4em 을 가는 겁니다 여기까지는 4em 그런데 여기서 다시 또 4em 을 갑니다 그러면 결과적으로 플러스 측은 2em 에다가 플러스 4em 그래서 2em 더하기 4em 그래서 5em 이 됩니다 플러스 5em 이와 같이 또 여기서 극간이 완전히 벌어지지 않았으면 다시 다시 하면 이런 식으로 홀수 고조파에 오실레이션하는 이런 구형파 구형파에 오실레이션하는 전압이 발생하게 된다 이것이 이론적인 해석입니다 그런데 실제로는 제동작용이 있다 우리가 본문에서 읽으셨던 코로나손이라든지 저항손이라든지 이런 부분에 의한 그 손실에 의해서 이와 같이 좌측에 보이는 보시는 것처럼 이렇게 이렇게 움직여서 결국에서는 마이너스 3em에서 사이em 정도 마이너스 3em에서 사이em 정도가 최대 맥시멈 전압이다 7 9 11 뭐 이런 식으로 계속 올라가지 않는다 이거죠 차단기를 개방하기 전에는 발전기 단자전압보다 90도 이상이 앞선 충전전류가 흐른다 전류 0점이 0점이 되는 순간 차단기를 개방하면 충전전류는 차단된다 그렇죠? 교류는 전류 0점에서 차단이 되기 때문에 그렇습니다 이때 전압은 em이 된다 한편 차단기의 부하측 전압도 차단된 순간은 em이지만 반사이클 후에는 전원전압이 마이너스 em이 되어 차단기 극간의 전압은 2em으로 된다. 이때 차단기 전극간 절연이 2em에 견딜 수 없을 경우 절연이 파괴되어 아크로 연결되어 버리는데 이러한 현상을 재점호라고 한다. 차단기 극간이 아직 열리기 전에 다시 아크를 발생시키는 것을 재점호라고 한다 이거죠. 한편 전원측 전압과 부하측 전압은 아크에 의해서 전기적 연결 상태이므로 같은 값이 되며 부하측 전압은 em으로부터 마이너스 2em으로 급변하여야 된다. 실제로는 변화된 2em만큼 더 진행해서 마이너스 3em이 된다고 했습니다. 만일 제동작용이 없는 경우는 이와 같은 재점호 현상이 계속되어 5em-7em-9em-11em 이런 식으로 계속 이상전압이 확대되겠죠 그러나 실제로는 회로의 저항, 코로나 등에 의해서 제동작용과 현재 차단기 성능으로 볼 때 과도진동은 급속하게 감소해서 더 이상의 이상전압은 발생되지 않고 대부분 상규 대지전압의 3.5배 이하가 된다 그랬습니다 4. 개폐서지 억제대책 개폐서지에 의한 여러 가지 장애들을 극복할 수 있는 방법들입니다. 1. 재기전압 억제 차단기 차단된 이후에 다시 발생하는 전압 재기전압을 억제를 하기 위해서는 차단부에 병렬저항이나 콘덴서를 삽입합니다. 콘덴서 같은 경우는 전압의 급변을 억제하는 성질이 있고 또 리액터의 경우는 반대로 전류의 급변을 억제하는 성질이 있죠 그래서 콘덴서를 달고요 그 다음 차단부에 병렬저항을 하면서 연결하면서 우리가 그 전압을 억제시킬 수 있습니다 다음 두 번째 전극의 개리 속도를 빨리 한다 그렇죠 3em, 5em 이런 식으로 가기 전에 개리속도가 더 빨라서 공기의 절연 또는 절연 매체의 절연이 재점호 일으키기 이전에 바로 열려서 절연이 회복이 되버린다면 이와 같은 개폐서지는 발생하지 않을 겁니다 그래서 개리속도가 빠른 차단기가 좋다 이렇게 기억해 주시고요 세 번째로 가스차단기와 같이 절연내력이 높은 매체를 사용한다 그렇습니다 개리속도가 빠르든지 아니면 개리속도가 느리더라도 절연내력이 좋아서 전원단의 전원전압이 이렇게 3em 5em 이렇게 만들어 내기 이전에 절연이 잘 돼서 아크가 완전히 재점호를 진압을 할 수 있는 아크가 생기지 않는 그러한 모습이 된다면 바람직할 겁니다 피뢰기를 설치합니다. 트랜스포머 변압기가 있습니다. 변압기 기준충격절연강도 BIL 전단에 피뢰기를 설치합니다. 원래 전압이 이렇게 큰 것이 왔는데 피뢰기가 설치되면 피뢰기 제한전압이 있습니다. 충격방전개시전압 그러니까 충격방전개시전압에서 방전이 시작되어서 결국은 이와 같이 제한전압 이하로 줄어들게 되죠 그때 이제 부하측의 전류는 방전전류가 되어서 대지로 흐르게 되는데 이와 같은 것을 방전전류라고 합니다 따라서 TR에 우리가 여기 차단기가 있어서 개폐서지가 생겨서 가령 뭐 마이너스 3em 이라든지 마이너스 4em의 이런 전압이 5. 서지흡수기 설치 네 이 시간에 개폐서지 억제대책에 대해서 살펴보았습니다 이 부분도 한 개의 서브노트 정도는 가지고 가시면서 여러분들이 나중에 기술사로 활동하시면서도 실무적으로 활용도 되고 또한 시험 답안 작성에 있어서도 보다 풍성한 여러 가지 장식할 그런 재료들이 될 겁니다 수고하셨습니다 자막 제공 배달의민족