제8장 이상 전압 — 송배전공학 정리

제8장 이상 전압

『최신 송배전공학』(송길영) 357~389쪽 정리 · 오래된 규정은 KEC 기준으로 보완

굵게(노랑) = 중요 용어

빨강 굵게·밑줄 = 가장 중요

연보라 기울임 = 단점·위험·주의

★★★~★ = 빈출도

초록 상자 = 최신 보완

보라 상자 = 예제

주황 상자 = 현장 점검

※ 370~371쪽, 380쪽은 사진이 없어 정리에서 빠졌습니다. 예제는 사진에 보이는 것 중 중요한 것만 실었습니다.

8.1 이상 전압의 개요 ★★

가공 송전 선로는 자연에 그대로 노출되어 뇌 방전, 염진해, 설해, 새 등에 의한 섬락 사고가 잦고, 계통이 복잡해지면서 여러 이상 현상이 선로·기기 절연을 위협한다. 이상 전압은 원인에 따라 크게 두 가지로 나눈다.

그림 ① 이상 전압의 분류

①내부 이상 전압(내뢰) : 차단기 투입·개방 등 계통 조작이나 고장 때 생기는 과도 전압. 대표가 개폐 서지. 크기를 작게 하면 절연 설계가 쉬워지고 피뢰기 동작 책무도 가벼워진다.
②외부 이상 전압(외뢰) : 뇌가 송전선·가공 지선을 직접 치는 직격뢰, 뇌운 밑 송전선에 유도된 구속 전하가 방전 후 풀려나 진행파가 되는 유도뢰.
③직격뢰는 파고값이 매우 높아 계통 절연을 위협하고, 유도뢰는 발생 빈도는 높지만 파고값이 낮아 110[kV] 이상 송전선에서는 거의 문제가 되지 않는다.

송전 선로 절연은 ① 이상 전압의 종류·성질 파악, ② 절연물의 절연 특성 조사, ③ 억제 대책과 보호 장치 설치를 종합하여 가장 경제적인 절연 방식으로 결정한다.

8.2 내부 이상 전압 ★★★

8.2.1 내부 이상 전압의 종류

개폐 조작, 고조파, 기기 배치, 중성점 접지 방식 등에 따라 발생한다.

파형 \ 발생 시기	계통 조작 시	고장 발생 시
과도 진동 전압 (수천 사이클 이하)	무부하 선로 개폐 이상 전압 유도성 소전류 차단 시 이상 전압 변압기 3상 비동기 투입 시 전압	영구 지락에 따른 과도 진동 전압 충격성 지락에 따른 과도 진동 전압 고장 전류의 차단
상용 주파 지속 전압 (상용 주파수·그 배수)	무부하 송전선의 페란티 효과 수차 발전기의 부하 차단 발전기의 자기 여자 현상	기본파 공진 전압 · 고조파 공진 전압 소호 리액터계 1선 단선 이상 전압 소호 리액터계 이계통 병가

표 8.1 내부 이상 전압의 종류. 실제로는 과도 진동 전압과 상용 주파 전압이 겹쳐 나타나 복잡한 양상이 된다.

1) 내부 이상 전압의 크기

이상 전압의 크기는 대지 상전압 파고값에 대한 배수로 나타낸다.

구분	유효 접지계		저항·리액터 접지계		비접지계
구분	개폐 서지	상용 주파	개폐 서지	상용 주파	개폐 서지	상용 주파
A 대지 최대 전압 배수	2.8	1.3	3.3	1.82	4.0	1.82
B 페란티 효과	1.05	1.05	1.05	1.05	1.05	1.05
C 충격파 계수	1.10	–	1.10	–	1.10	–
D 파고율	1.414	–	1.414	–	1.414	–
A×B×C×D (실효값 배율)	4.57 (2.94)	1.365	5.39 (3.46)	1.91	6.53 (4.2)	1.91

표 8.2 내부 이상 전압의 크기

→ 비접지계일수록 이상 전압이 크다 (유효 접지 4.57 < 저항 접지 5.39 < 비접지 6.53). 중성점 접지 방식(6장)과 연결해서 기억할 것.

8.2.2 개폐 서지 ★★★

선로 개폐 조작에 따른 과도 현상으로 생기는 이상 전압이 개폐 서지이다.

①투입 서지 : 건전한 선로에 차단기를 투입할 때
②개방 서지 : 선로를 차단할 때

ㄱ. 크기 비교 투입 < 개방, 부하 회로 개방 < 무부하 회로 개방
ㄴ. 이상 전압이 가장 큰 경우 = 무부하 송전 선로의 충전 전류를 차단할 때 ★★★

1) 무부하 송전 선로 충전 전류 차단 — 재점호

무부하 선로에는 전압보다 90° 앞선 충전 전류가 흐른다. 전류 0점에서 차단되면 그 순간 전압은 최대값 $E_m$이다.

ㄱ.선로측은 전하가 빠져나갈 곳이 없어 $+E_m$으로 충전된 채 유지된다.
ㄴ.변압기(전원)측은 반 사이클 뒤 $-E_m$이 된다 → 차단기 극간 전압 $2E_m$.
ㄷ.극간 절연이 $2E_m$을 견디지 못하면 다시 아크로 이어진다 → 재점호.
ㄹ.재점호 순간 선로 전압이 $+E_m \to -E_m$으로 급변하며 $-E_m$을 중심으로 진폭 $2E_m$의 고주파 진동 → 최대 $-3E_m$.
ㅁ.재점호가 계속되면 이론상 $5E_m,\ 7E_m,\ 9E_m \cdots$로 커질 수 있다(무제동).

그림 ② 무부하 선로 충전 전류 차단 시 재점호와 이상 전압(제동 작용이 있는 경우, 개념도)

최신 보완

책에서도 말하듯 실제로는 저항·코로나의 제동 작용이 있고, 현재 차단기(SF₆ GCB, 진공 VCB)는 성능이 좋아 재점호 걱정은 거의 없다. 개방 서지는 무부하 충전 전류 차단 때도 대부분 상규 대지 전압의 3.5배 이하(4배를 넘는 경우는 거의 없음), 지속 시간은 길어도 반 사이클(약 1/120초), 보통은 수 [μs]이다.

대신 수용가 현장에서는 진공 차단기(VCB)의 전류 재단(chopping)·재점호 서지가 문제다. 그래서 VCB 2차측에 몰드 변압기·건식 변압기·고압 전동기를 연결할 때는 서지 흡수기(SA)를 설치한다(유입 변압기는 일반적으로 불필요).

8.3 외부 이상 전압 ★★★

8.3.1 직격뢰에 의한 이상 전압

송전 선로 고장 중 자연 현상에 의한 것은 뇌의 직접 방전이 압도적으로 많다. 도선·지지물·가공 지선이 뇌의 직격을 받아 생기는 뇌격 전압은 아무리 절연을 강화해도 견딜 수 없어 반드시 섬락(flashover)을 일으킨다. 뇌전압·뇌전류의 파형은 충격파(impulse wave)이며, 서지(surge)라고도 한다 — 극히 짧은 시간에 파고값에 도달하고 극히 짧은 시간에 소멸한다.

그림 ③ 충격 파형 (파두는 보기 쉽게 늘려 그림)

ㄱ.파고값 $E$ : 최대값(A점) / 파두 : 상승 부분(OA) / 파미 : 감쇠 부분(OB 이후)
ㄴ.규약 영점 : 파고값의 30[%](전류는 10[%])와 90[%] 점을 잇는 직선이 시간축과 만나는 점
ㄷ.파두 길이 $T_f$ : 규약 영점 ~ 위 직선이 파고값 수평선과 만나는 점까지의 시간
ㄹ.파미 길이 $T_t$ : 규약 영점 ~ 파미에서 파고값의 50[%]로 내려간 점까지의 시간

ㄱ. 표기법 : $E\,[\text{kV}],\ T_f\times T_t\,[\mu\text{s}]$ 예) 1,000[kV], 1.2×50[μs]파 → $E=1000$[kV], $T_f=1.2$[μs], $T_t=50$[μs]
ㄴ. 표준 충격파형 : $1.2\times 50\,[\mu\text{s}]$ ★★★
ㄷ. 직격뢰 충격파 : 파고값 수 100[kV] 이상, $T_f = 1\sim10\,[\mu\text{s}]$, $T_t = 10\sim100\,[\mu\text{s}]$

뇌격을 받은 선로의 충격파는 진행파가 되어 선로 좌우로 진행하며, 코로나·저항·누설로 에너지를 잃어 파고가 낮아지고 파형도 일그러진다. 감쇠·왜곡의 주원인은 코로나이며, 파고값이 클수록 감쇠가 커서 500[kV] 이상의 충격파는 수 [km] 진행하는 동안 1/2 이하로 감쇠한다.

8.3.2 유도뢰에 의한 이상 전압

유도뢰 : 뇌운끼리 또는 뇌운과 대지 사이에서 방전이 일어날 때, 뇌운 밑 송전선에 유도되어 있던 구속 전하가 풀려나 이상 전압이 되는 것.

①발생 횟수는 매우 많지만 위험성은 비교적 작다.
②파고값은 대부분 수십[kV], 200[kV]를 넘는 것은 거의 없다.
③→ 110[kV] 이상 송전선은 직격뢰만을 대상으로 절연 설계한다. 반대로 22.9[kV] 배전선은 유도뢰로도 섬락할 수 있어 피뢰기가 중요하다.

8.4 진행파의 특성 ★★★

8.4.1 진행파의 개요

차단기를 투입하면 선로 전체가 동시에 전압 $E$가 되는 것이 아니다. 차단기에 가까운 부분의 정전 용량부터 충전되고, 그 다음 부분이 차례로 충전되며 전압 $E$인 부분이 수전단 쪽으로 나아간다. 즉 전압파가 일정한 속도로 진행하는 것 → 진행파. 뇌로 선로 한 점에 자유 전하 $Q$가 생기면 이 전하는 좌우로 나뉘어 송·수전단을 향해 진행파가 된다.

8.4.2 전압·전류의 진행파와 파동 임피던스

선로 정수가 $L$, $C$뿐(저항 무시)인 무한장 선로에 구형파 전압 $e$가 a점까지 진행해 왔다고 하자. 앞쪽 b점은 아직 전압·전류가 0이다.

그림 ④ 진행파의 개념도 — (b) 구형파 e가 a점까지 진행

진행파가 $dx$ 나아가는 데 $dt$가 걸리고, 이때 $dx$ 구간에 전하가 축적된다.

ㄱ. 축적 전하 $dq = e\,C\,dx$
ㄴ. 전류의 진행파 $i = \dfrac{dq}{dt} = eC\dfrac{dx}{dt} = eCV$ ($V = dx/dt$ : 전파 속도)
ㄷ. 쇄교 자속 $d\phi = i\,L\,dx$
ㄹ. 전위의 진행파 $e = \dfrac{d\phi}{dt} = iL\dfrac{dx}{dt} = iLV$

$e$와 $i$의 비는 일종의 임피던스 → 파동 임피던스(surge impedance) $Z$.

ㄱ. 파동 임피던스 ★★★$$\boxed{Z = \frac{e}{i} = \frac{1}{CV} = LV = \sqrt{\frac{L}{C}}\ [\Omega]}$$ ㄴ. 전파 속도 ★★★$$\boxed{V = \frac{1}{\sqrt{LC}}\ [\text{km/s}]}$$

$Z$ : 파동 임피던스 [Ω]

$e$ : 전압 진행파 [V], $i$ : 전류 진행파 [A]

$L$ : 단위 길이당 인덕턴스 [H/km], $C$ : 단위 길이당 정전 용량 [F/km]

$V$ : 진행파의 전파 속도 [km/s]

$Z$는 선로의 길이와 관계없다. 5.3절의 특성 임피던스와 같은 것이다.

1) 가공 선로 ($D=2h$)

ㄱ. $L = 0.4605\log_{10}\dfrac{2h}{r}\ [\text{mH/km}]$, $C = \dfrac{0.02413}{\log_{10}\dfrac{2h}{r}}\ [\mu\text{F/km}]$
ㄴ. 파동 임피던스 ★★$$\boxed{Z = \sqrt{\frac{L}{C}} = 138\log_{10}\frac{2h}{r}\ [\Omega]}$$ ㄷ. 전파 속도 ★★★$$\boxed{V = \frac{1}{\sqrt{LC}} = \frac{1}{\sqrt{0.4605\times0.02413\times10^{-9}}} \fallingdotseq 3\times10^5\ [\text{km/s}]}$$

$h$ : 전선의 지표상 높이 [m], $r$ : 전선의 반지름 [m]

$L$ : 인덕턴스 [mH/km], $C$ : 정전 용량 [μF/km]

→ 파동 임피던스는 전선 굵기·높이에 따라 달라지지만(보통 약 300~500[Ω]), 가공선의 전파 속도는 광속도 $3\times10^5$[km/s]와 같다.

2) 지중 선로(단심 케이블)

ㄱ. $L = 0.4605\log_{10}\dfrac{R}{r}\ [\text{mH/km}]$, $C = \dfrac{0.02413\,\epsilon_s}{\log_{10}\dfrac{R}{r}}\ [\mu\text{F/km}]$
ㄴ. 파동 임피던스·전파 속도 ★★$$Z = \frac{138}{\sqrt{\epsilon_s}}\log_{10}\frac{R}{r}\ [\Omega], \qquad \boxed{V = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_s}}\times 3\times10^5\ [\text{km/s}]}$$

$R$ : 케이블 도체 중심에서 연피(차폐층)까지의 반지름 [m]

$r$ : 도체 반지름 [m]

$\epsilon_s$ : 절연물의 비유전율 (보통 2.5~4)

→ 케이블의 전파 속도는 비유전율의 평방근에 반비례 → 광속도의 1/2~7할 정도로 느리다. 파동 임피던스도 가공선보다 훨씬 작다(수십[Ω]).

8.4.3 진행파의 반사와 투과 ★★★

파동 임피던스가 다른 회로가 연결된 점을 변이점이라 한다. 진행파가 변이점에 오면 일부는 반사하고 나머지는 투과하여 다음 회로로 들어간다.

그림 ⑤ 변이점에서의 반사와 투과

변이점에서도 키르히호프 법칙이 성립한다.

ㄱ. $i_i + i_r = i_t$, $e_i + e_r = e_t$
ㄴ. $e_i = Z_1 i_i$, $e_r = -Z_1 i_r$, $e_t = Z_2 i_t$
ㄷ. 반사파·투과파 $$e_r = \frac{Z_2 – Z_1}{Z_2 + Z_1}e_i,\quad i_r = -\frac{Z_2 – Z_1}{Z_2 + Z_1}i_i,\qquad e_t = \frac{2Z_2}{Z_2 + Z_1}e_i,\quad i_t = \frac{2Z_1}{Z_2 + Z_1}i_i$$ ㄹ. 반사 계수·투과 계수 ★★★ $$\boxed{\beta = \frac{Z_2 – Z_1}{Z_2 + Z_1}} \qquad \boxed{\gamma_e = \frac{2Z_2}{Z_2 + Z_1}} \qquad \gamma_i = \frac{2Z_1}{Z_2 + Z_1}$$ ㅁ. 투과파의 편리한 표현 $i_t = \dfrac{2e_i}{Z_2 + Z_1}$, $e_t = Z_2 i_t = \dfrac{2Z_2}{Z_2+Z_1}e_i$

$Z_1$ : 진입 쪽 선로의 파동 임피던스 [Ω], $Z_2$ : 투과 쪽 선로(회로)의 파동 임피던스 [Ω]

$e_i, i_i$ : 진입파 전압 [V]·전류 [A]

$e_r, i_r$ : 반사파 전압 [V]·전류 [A]

$e_t, i_t$ : 투과파 전압 [V]·전류 [A]

$\beta$ : 반사 계수, $\gamma_e$ : 전압 투과 계수, $\gamma_i$ : 전류 투과 계수

①반사파·투과파는 진입파와 같은 파형이다.
②$Z_2 > Z_1$ → 투과 전압이 진입파보다 높아진다. $Z_2 < Z_1$ → 투과 전압이 낮아진다.
③가공선 → 지중 케이블 접속점 : 반사 계수 약 0.8, 투과 계수 약 0.2 → 케이블로 들어가는 파고값이 급격히 줄어든다. (책은 크기만 썼지만, $Z_2<Z_1$이므로 반사 계수는 −0.8, 즉 부(−)의 반사이다.)
④투과 전류 = 진입 전압의 2배 ÷ (두 선로 파동 임피던스의 합)

1) 선로 종단에서의 반사 — 특수한 경우

구분	종단 개방 ($Z_2=\infty$)	종단 접지 ($Z_2=0$)
반사 계수 $\beta$	$+1$	$-1$
전압	$e_r = e_i$ (정반사) 종단 전압 $e_t = 2e_i$ → 진입파의 2배	$e_r = -e_i$ (부반사) 종단 전압 $e_t = 0$
전류	$i_r = -i_i$ (부반사) 종단 전류 $i_t = 0$	$i_r = i_i$ (정반사) 종단 전류 $i_t = 2i_i$ → 진입파의 2배

반사파의 파고가 진입파의 파고와 같아지는 반사를 전반사라 한다. 개방된 선로 끝(개방된 차단기·단로기, 무부하 변압기 단자 등)에서는 전압이 2배로 뛰므로 기기 단자가 가장 위험하다 → 피뢰기를 기기 가까이 두는 이유(8.5.3).

그림 ⑥ 선로 종단에서의 반사

8.5 이상 전압 방지 대책 ★★★

송전 계통의 이상 전압 방지 대책은 크게 세 가지이다.

①기기 보호용 → 피뢰기 설치
②가공 송전 선로 피뢰용 → 가공 지선에 의한 뇌차폐
③철탑 접지 저항의 저감 (매설 지선) → 역섬락 방지

8.5.1 피뢰기에 의한 기기 보호

상규 전압의 몇 배에 달하는 이상 전압을 기기 절연 강도만으로 견디게 하는 것은 불가능하다. 그래서 내습한 이상 전압의 파고값을 낮춰 기기를 보호하기 위해 피뢰기(lightning arrester, LA)를 설치한다. 피뢰기는 직렬 갭과 특성 요소로 이루어진다.

그림 ⑦ 피뢰기의 구성(갭형)

1) 피뢰기의 기능

①이상 전압이 내습해 단자 전압이 일정값 이상 → 즉시 방전하여 전압 상승 억제
②이상 전압이 없어져 단자 전압이 일정값 이하 → 즉시 방전 정지, 원래 송전 상태로 복귀

평상시(상용 주파수 상규 전압)에는 직렬 갭이 대지 간 절연을 유지하고, 이상 전압이 오면 갭이 방전해 특성 요소를 통해 서지 전류를 대지로 흘려보낸다.

2) 피뢰기 관련 용어 ★★★

용어	뜻
충격 방전 개시 전압	피뢰기 단자에 충격 전압을 가했을 때 방전을 시작하는 전압
상용 주파 방전 개시 전압	상용 주파수에서 방전을 시작하는 전압(실효값). 정격 전압의 1.5배 이상
방전 전류	갭 방전으로 피뢰기를 통해 대지로 흐르는 충격 전류(파고값)
방전 내량	방전 전류의 허용 최대한(파고값)
제한 전압	방전 중 피뢰기 단자 사이에 남는 충격 전압의 파고값
속류	방전 전류에 이어 전원에서 계속 공급되는 상용 주파수 전류
정격 전압	속류를 끊을 수 있는 최고의 교류 전압(실효값)

ㄱ. 충격비 ★★ $$\text{충격비} = \frac{\text{충격 방전 개시 전압}}{\text{상용 주파 방전 개시 전압의 파고값}}$$

그림 ⑧ 피뢰기의 제한 전압 — 제한 전압이 기기 절연 강도보다 낮아야 보호된다

3) 제한 전압의 계산

파동 임피던스 $Z_1$인 선로와 $Z_2$인 피보호 기기의 접속점 P에 피뢰기가 설치된 경우.

그림 ⑨ 접속점 P에 설치된 피뢰기

ㄱ. $e_i + e_r = e_t$, $i_i + i_r = i_t + i_a$
ㄴ. $i_i = \dfrac{e_i}{Z_1}$, $i_r = -\dfrac{e_r}{Z_1}$, $i_t = \dfrac{e_t}{Z_2}$
ㄷ. 제한 전압 ★★$$\boxed{e_a = e_t = \frac{2Z_2}{Z_1+Z_2}\left(e_i – \frac{Z_1}{2}i_a\right) = e – \frac{1}{2}\gamma_e Z_1 i_a}$$ ㄹ. 원전압 $e = \dfrac{2Z_2}{Z_1+Z_2}e_i = \gamma_e e_i$ (피뢰기가 없을 때 P점 전압)

$e_a$ : 피뢰기의 제한 전압 [kV]

$e_i, i_i$ : 진입파 전압 [kV]·전류 [kA], $e_r, i_r$ : 반사파, $e_t, i_t$ : 투과파

$i_a$ : 피뢰기의 방전 전류 [kA]

$Z_1$ : 선로의 파동 임피던스 [Ω], $Z_2$ : 피보호 기기의 파동 임피던스 [Ω]

$\gamma_e$ : 전압파의 투과 계수, $e$ : 원전압 [kV]

피뢰기 접지에도 저항이 있어 방전 시 피뢰기 자체 전위가 올라가므로 다음을 만족해야 안전하다.

ㄱ. (변압기의 절연 강도) > (피뢰기의 제한 전압) + (접지 저항 전압 강하) ★★★

4) 속류와 정격 전압

그림 ⑩ 피뢰기의 정격 전압(속류)

①속류는 특성 요소가 일정값 이하로 억제하고, 평상시에는 직렬 갭으로 차단된다.
②피뢰기 단자의 상용 주파 전압이 정격 전압보다 높으면 속류를 끊지 못해 피뢰기가 퓨즈처럼 타 버린다.
③정격 전압은 실효값으로 표시하는 교류 전압이지 충격파 전압이 아니다. 같은 송전 전압이라도 중성점 접지 방식에 따라 이상 전압이 달라지므로 피뢰기 정격 전압도 달라진다.

5) 피뢰기의 구비 조건 ★★★

①충격 방전 개시 전압이 낮을 것
②상용 주파 방전 개시 전압이 높을 것
③방전 내량이 크면서 제한 전압이 낮을 것
④속류 차단 능력이 충분할 것

또 주요 피보호 기기인 변압기 단자에 되도록 가깝게(대략 50[m] 이내) 설치한다.

6) 피뢰기의 종류

분류	종류
명칭별	갭 저항형 : 각형, 자기 취소형, 다극, 벤디맨 피뢰기
	밸브형 : 알루미늄 셀, 산화 필름, 펠릿, 자동 밸브 피뢰기
	저항 밸브형 : 사이리트, 저항 밸브, 건식 밸브, 자동 밸브 피뢰기
성능별	밸브형, 밸브 저항형, 방출형, 자기 소호형, 전류 제한형
사용 장소별	선로용, 직렬 기기용, 저압 회로용, 발·변전소용, 전철용, 정류기용, 케이블 계통용
규격별	교류 10,000[A], 5,000[A], 2,500[A] (공칭 방전 전류)

표 8.3 피뢰기의 종류 (오래된 분류. 현재는 아래 ZnO 갭레스형이 대부분)

8.5.2 피뢰기의 특성 — 산화아연(ZnO)형 ★★

그림 ⑪ ZnO 특성 요소의 전압-전류 특성

그림 ⑫ ZnO형(갭레스) 피뢰기

①산화아연(ZnO) 특성 요소는 전압 $V_0$ 이하에서는 전류가 거의 흐르지 않는다(비직선 저항 특성이 매우 우수).
②선로 교류 전압의 최대 순시값을 $V_0$보다 작게 해 두면 직렬 갭 없이도 속류를 차단할 수 있다.
③그래서 직렬 갭을 생략한 갭레스(gapless) 피뢰기라 부른다.
④피보호 기기의 절연 강도를 낮출 수 있는 특성과 속류 차단 능력을 별도로 정한 것이 피뢰기의 동작 책무이다.

8.5.3 피뢰기의 설치 장소 ★★★

피뢰기는 가능한 한 피보호 기기에 근접해서 설치한다. 피뢰기가 제한 전압까지 낮춘 뇌서지가 변압기 단자에서 정반사하고, 다시 피뢰기에서 부반사해 변압기로 돌아오는 왕복 진동을 되풀이하기 때문에 변압기 단자 전압이 커진다.

그림 ⑬ 피뢰기와 변압기 사이의 왕복 진동

ㄱ. 변압기 단자 전압 ★★★$$\boxed{e_t = e_a + \frac{2Sl}{v} = e_a + 2St\ [\text{kV}]}$$

$e_t$ : 변압기(피보호 기기) 단자에 걸리는 전압 파고값 [kV]

$e_a$ : 피뢰기의 제한 전압 [kV]

$S$ : 진행파의 파두 준도(전압 상승률) [kV/μs]

$l$ : 피뢰기와 피보호 기기와의 거리 [m]

$v$ : 진행파의 전파 속도 [m/μs] (가공선 약 300, 케이블 약 150)

$t = l/v$ : 진행파의 전파 시간 [μs]

예제 (378~379쪽 본문)

154[kV] 계통, 피뢰기 제한 전압 $e_a = 597$[kV], 내습 진행파의 준도 $S = 250$[kV/μs], 전파 속도 $v = 150$[m/μs]. 피뢰기를 변압기 전방 30[m], 50[m]에 설치할 때 변압기 단자 전압은?

풀이

30[m] : $e_t = 597 + \dfrac{2\times30\times250}{150} = 597 + 100 = \mathbf{697}$[kV]

50[m] : $e_t = 597 + \dfrac{2\times50\times250}{150} = 597 + 167 = \mathbf{764}$[kV]

→ 거리가 멀수록 변압기 단자 전압이 크게 올라간다. 피뢰기는 피보호기에 근접 설치.

예제 8.5

피뢰기의 정격 전압에 대해서 설명하여라.

풀이 피뢰기는 상용 주파수 전압에는 동작하지 않아야 한다. 상용 주파 이상 전압은 유효 접지계 1선 지락 시 1.2~1.4배 정도이며, 정확히는 접지 계수로 정해진다.

ㄱ. 접지 계수 $= \dfrac{\text{고장 중 건전상의 최대 대지 전압}}{\text{최대 선간 전압}}$
ㄴ. 정격 전압 $=$ (최고 전압$/\sqrt3$) × (이상 전압 배수) × 1.15 (전압 상승값보다 15[%] 정도 높은 전압에서도 방전하지 않도록)

계통	계산	정격 전압	선로 전압 기준
345[kV] (유효 접지, 배수 1.2)	$\dfrac{362}{\sqrt3}\times1.2\times1.15$	288[kV]	288/362 ≒ 0.8 → 80[%] 피뢰기
154[kV] (유효 접지, 배수 1.3)	$\dfrac{169}{\sqrt3}\times1.3\times1.15$	144[kV]	144/169 ≒ 0.85 → 85[%] 피뢰기
66[kV] (비유효 접지, 배수 1.73)	$\dfrac{72}{\sqrt3}\times1.73\times1.15$	84[kV]	84/72 ≒ 1.15 → 115[%] 피뢰기

※ IEC는 정격 전압을 6으로 나누어지는 값으로 하도록 권한다 → 계산값(약 146, 83)을 6의 배수인 144, 84로 맞춘 것입니다.

최신 보완

KEC 341.13 피뢰기의 시설 — 고압·특고압 전로 중 다음 곳에는 피뢰기를 시설한다.

①발전소·변전소(또는 이에 준하는 장소)의 가공전선 인입구 및 인출구
②특고압 가공전선로에 접속하는 배전용 변압기의 고압측 및 특고압측
③고압 및 특고압 가공전선로로부터 공급받는 수용 장소의 인입구
④가공전선로와 지중전선로가 접속되는 곳

KEC 341.14 피뢰기의 접지 — 고압·특고압 피뢰기의 접지 저항은 10[Ω] 이하. 책의 “제1종 접지 공사(10[Ω] 이하)”는 2021년 KEC 시행으로 접지 종별(1·2·3종)이 폐지되었으므로 이렇게 바꿔 읽는다.

22.9[kV-Y] 다중 접지 배전 계통 — 수전 설비 피뢰기는 정격 전압 18[kV], 공칭 방전 전류 2.5[kA](배전 선로용)·5[kA](수전 인입구 등)를 주로 쓰며, 대부분 ZnO 갭레스형 + 단로 장치(디스커넥터) 부착형이다.

8.5.4 가공 지선에 의한 뇌차폐 ★★★

송전선 상부에 평행하게 가선하고 각 철탑에서 접지한 전선이 가공 지선이다. 예전엔 강연선·ACSR을 썼고 지금은 차폐 효과를 높이려고 도전성이 좋은 전선을 쓴다. 목적은 뇌에 대한 전선의 차폐 및 진행파의 감쇠이다.

1) 유도뢰에 대한 차폐

전위가 0인 가공 지선이 가까이 있으면 뇌운의 정전 유도로 전선에 유기되는 전하가 줄어든다.

ㄱ. 가공 지선의 보호율 $$m = \frac{q_1}{q_0}$$

$m$ : 가공 지선의 보호율

$q_1$ : 가공 지선이 있을 때 전선에 유기되는 단위 길이당 전하 [C/m]

$q_0$ : 가공 지선이 없을 때 전선에 유기되는 단위 길이당 전하 [C/m]

구분	지선 1가닥	지선 2가닥
3상 1회선	0.5	0.3~0.4
3상 2회선	0.45~0.6	0.35~0.5

→ 가공 지선으로 구속 전하를 50[%] 정도 이하로 줄여 유도뢰를 그만큼 저감한다.

2) 직격뢰에 대한 차폐

가공 지선의 주목적은 직격뢰로부터 송전선을 보호하는 것이다.

그림 ⑭ 가공 지선과 차폐각(보호각) θ

①보호각(차폐각) θ : 가공 지선과 전선을 잇는 선이 수직선과 이루는 각. 작을수록 차폐 효과가 좋다. 대신 가공 지선을 높이 달아야 해 철탑이 높아진다.
②2회선 가공에 지선 1가닥이면 보호각 35~40° 정도. 2가닥이면 차폐 효과가 더 좋다 → 발·변전소 고압측 구내와 1~2[km] 근접 선로는 2가닥 가선이 많다.
③가공 지선의 보호 효율 : 90[%]라면 뇌격 100회 중 10회는 전선에 직격(보호 실패), 90회는 지선에 직격(보호 성공).
④광섬유 복합 가공 지선(OPGW) : 바깥 알루미늄 피복 강연선은 피뢰 도체, 안쪽 알루미늄관에 광섬유 케이블을 넣어 정보 통신 케이블로도 이용(예 : 6심 광섬유 3가닥, 260[mm²]).

최신 보완

책의 “피뢰침 보호각 일반 건축물 60°, 위험물 건축물 45°”는 옛 규정이다. 현재는 KEC 150 피뢰 시스템(KS C IEC 62305 기반)에 따라 보호 등급(Ⅰ~Ⅳ)별로 회전구체법·보호각법·메시법으로 수뢰부를 배치하며, 보호각은 높이와 등급에 따라 달라진다. 지상 20[m] 이상 건축물 등에 피뢰 시스템을 시설한다.

8.5.5 섬락 및 역섬락 ★★★

뇌운과 송전선 사이의 뇌방전으로 선로에 생긴 이상 전압이 직격 뇌서지 전압이다. 이것이 진행파가 되어 철탑에 이르면 애자의 절연을 파괴해 불꽃 방전을 일으킨다 → 애자의 섬락. 섬락이 생기면 선로 전류는 아크 전류가 되어 철탑을 거쳐 대지로 흐른다(일반적으로 1선 지락).

반대로 철탑 정부(꼭대기)나 가공 지선에 직격뢰가 떨어지면, 뇌전류가 철탑을 통해 대지로 빠지며 철탑 전위가 올라간다(뇌전류의 일부는 가공 지선으로 분류되며, 직격점에서 본 충격 임피던스에 반비례).

ㄱ. 철탑 전위의 파고값 ★★$$\boxed{E = RI(1 – C_f)\alpha}$$

$E$ : 철탑 전위의 파고값 [V]

$I$ : 뇌격 시 철탑의 방전 전류 [A]

$R$ : 철탑 탑각 접지 저항(충격 전류에 대한 것) [Ω]

$C_f$ : 가공 지선과 전선 간 정전 유도 정도를 나타내는 결합 계수 (보통 0.2~0.4)

$\alpha$ : 인접 철탑으로부터의 반사파에 의한 파고 저감률

그림 ⑮ 역섬락

1) 역섬락

뇌격 시 $IR$ 강하로 철탑 전위가 올라가, 이 전압이 애자련의 절연 파괴 전압 이상이 되면 철탑에서 전선을 향해 섬락이 일어난다 → 철탑 역섬락 현상.

2) 방지 대책

①철탑 접지 저항 $R$을 작게 한다.
②매설 지선 : 아연 도금 절연선을 지면 밑 30[cm]에 1가닥 30~50[m] 길이로 방사상으로 몇 가닥 매설.

3) 경간 역섬락

가공 지선의 경간 중앙부에 뇌격이 있을 때, 뇌격점과 전선의 전위차가 지선-전선 간 충격 섬락 전압보다 높으면 지선 뇌격점 → 전선으로 섬락하는 것. 지선과 전선 사이 거리를 충분히 확보해야 한다.

8.6 절연 협조 ★★★

8.6.1 절연의 합리화

계통에는 발전기, 변압기, 차단기, 개폐기 등 많은 기기가 있다. 이들의 절연 강도를 제각각 정하면 신뢰도가 낮아진다. 예를 들어 차단기 절연 강도만 훨씬 낮으면 이상 전압 때마다 차단기가 먼저 고장 나 계통 운용에 큰 지장을 준다.

계통 내 각 기기·기구·애자 등의 상호간에 적정한 절연 강도를 지니게 하여 계통 설계를 합리적·경제적으로 할 수 있게 한 것이 절연 협조이다.

①내뢰(대부분 상규 대지 전압 파고값의 4배 이하) → 기기 자체 절연 강도로 견딘다(특별한 보호 장치 불필요).
②외뢰 → 기기 절연만으로 견디는 것은 기술적·경제적으로 불가능 → 피뢰 장치로 기기 절연을 보호하는 것이 기본 원리.
③보호 레벨 : 피뢰 장치로 이상 전압 파고값을 각 기기의 충격 절연 강도 이하로 낮춘 전압값.
④절연 설계는 이상 전압 · 보호 레벨 · 기기의 절연 강도 3자를 충분히 검토 → 기기 절연 강도를 보호 레벨보다 높게 하여 경제적이면서 신뢰성 있는 설계.

그림 ⑯ 절연 협조의 일례

ㄱ. 절연 강도 순서 피뢰기 제한 전압 < 아크 혼(초호환) < 선로 애자 < 기기(변압기 등) ★★★

1) 불평형 절연

2회선 송전선이 뇌격을 받으면 2회선이 동시에 지락하는 경우가 있다. 이를 피하려고 한쪽 회선의 절연 강도를 약간 낮게 하는 것이 불평형 절연이다. 양 회선 현수 애자 개수에 1~2개 차를 둔다. 200[kV]급 이하 선로에서 동시 섬락 사고가 30~40[%] 감소했다는 보고가 있다.

8.6.2 절연 계급과 기준 충격 절연 강도(BIL) ★★★

피뢰기로 제한된 전압에 대해 각 기기의 절연 강도를 공칭 전압별로 정한 것이 절연 협조 대조표이다. 기기 절연을 표준화하려고 절연 계급을 정하고, 각 계급에 대응하는 기준 충격 절연 강도(BIL : Basic Insulation Level)를 정한다.

접지 계통	공칭 전압[kV]	절연 계급[호]	BIL[kV]	피뢰기 정격[kV]	피뢰기 제한 전압[kV]	상용 주파 시험 전압[kV]
비유효 접지	3.3	3A	45	4.2	14	16
	6.6	6A	60	8.4	28	22
	22	20A	150	28	94	50
	66	60	350	84	281	140
	110	100	550	140	469	230
유효 접지	154	140	750	196 (182)	656 (610)	325
유효 접지	275	200	1050	252	844	460

표 8.4 절연 협조 대조표에서 발췌 (애자 섬락 전압·충격 시험 전압 열 생략). 제한 전압은 방전 전류 10,000[A] 기준.

예) 절연 계급 140호 기기 → 충격 전압 750[kV], 상용 주파 전압 325[kV]에 견뎌야 한다.

1) 345[kV] 절연 협조의 예

사용 BIL[kV]
변압기	1050
차단기	1300
CT, PT	1300
선로 애자	1367

288[kV] 피뢰기
방전 전압	815[kV]
제한 전압	735[kV]
개폐 서지 방전 전압	696[kV]
기준 전압 345 / 최고 운전 전압 362[kV], 피뢰기 정격 75~90[%] → 270~324[kV]

표 8.5 345[kV] 절연 협조의 예. 변압기 BIL(1050)이 가장 낮고, 피뢰기 제한 전압(735)은 그보다 충분히 낮다.

8.6.3 송배전 선로에서의 절연 협조

①가공 송전 선로 : 애자로 절연. 내부 이상 전압·고장 시 과전압으로 섬락하지 않는 것이 목표. 뇌에 대해서는 가공 지선으로 직격 방지 + 탑각 접지 저항 저감으로 역섬락 방지 + 지선-전선 간 거리 확보. 순간 고장은 속류를 신속히 차단하고 아크 소멸 후 다시 송전하는 재투입(재폐로) 방식.
②가공 배전 선로 : 기본 방침은 같지만 배전용 변압기가 다수 분산되어 있어 이를 어떻게 보호하느냐가 주안점 → 동작이 양호하고 값싸며 쓰기 편한 피뢰기의 선택과 적용이 문제.
③절연 협조에는 확률적 요소가 많아 과거의 실적과 경험을 토대로 신중히 검토해야 한다.

예제 8.8

전력 계통의 절연 설계에 대해서 설명하여라.

풀이 절연 설계란 발생할 수 있는 이상 전압에 대해 고장 없이 연속 송전이 가능하도록 계통 각부의 절연 한도를 정하는 것이다. 절연체의 내전압보다 큰 과전압이 가해지면 절연 특성을 잃어 회복되지 않으므로, 절연 레벨을 발생 가능한 최대 과전압보다 높게 하고 적정한 안전율을 적용한다.

가장 기본 원칙 : 뇌전압 이외의 이상 전압에서는 결코 섬락이나 절연 파괴가 일어나지 않도록 한다.

ㄱ.송전 선로의 절연 설계 : 뇌·비·바람·오염에 노출 → 외부 과전압, 바람에 의한 전선 진동, 오염에 의한 애자 절연 내력 저하, 계통 내부 과전압을 종합 고려. 결정 사항 : 애자련 개수, 전선과 지지물의 이격 거리, 전선 상호 간격, 탑각 접지 저항, 가공 지선 차폐각 등.
ㄴ.변전소의 절연 설계 : 뇌에 대해 완전 차폐되고 피뢰기로 과전압이 억제되는 것을 전제로 설계.

※ 책 풀이의 “22.9[kV-Y] 선로(대지 전압 13.4[kV])용 애자의 절연 표준 BIL은 18[kV]”는 피뢰기 정격 전압(18[kV])과 혼동한 것으로 보입니다. 22.9[kV]급 기기·애자의 BIL은 150[kV]입니다(표 8.4의 22[kV]급 BIL 150과 같음). 389쪽 아래 765[kV] 승압 이후 내용은 사진에 없습니다.

전기안전관리자 점검 포인트 (22.9[kV] 수전 설비 기준)

현장 점검

ㄱ. 피뢰기(LA) 외관 · 접속

①애관(폴리머·자기) 균열·파손·오손·트래킹 흔적 유무, 염해 지역은 오손 정도 확인
②단로 장치(디스커넥터) 분리 여부 — 하부가 떨어져 매달려 있으면 이미 동작·고장난 것 → 즉시 교체
③1차 리드선 과열·이완, 접속부 변색. 리드선은 짧고 곧게(길면 리드선 인덕턴스 전압이 제한 전압에 더해짐)

ㄴ. 피뢰기 접지

①접지 저항 10[Ω] 이하(KEC 341.14) — 정기 점검 때 측정값 기록·추이 관리
②접지선 단선·부식·도난, 접지 단자 조임 상태
③변압기 절연 강도 > 제한 전압 + 접지 저항 전압 강하 → 접지 저항이 크면 보호 효과가 떨어진다

ㄷ. 설치 위치 · 정격

①수전 인입구(가공 인입 또는 가공-지중 접속점), 변압기 1차측에 되도록 가깝게 설치되어 있는지
②22.9[kV-Y] 계통은 정격 18[kV] 피뢰기인지 명판 확인 (정격 낮으면 속류 차단 실패로 소손)
③3상 모두 설치, 상별 동일 사양인지

ㄹ. 개폐 서지 대책 (서지 흡수기 SA)

①VCB 2차측에 몰드·건식 변압기, 고압 전동기가 있으면 서지 흡수기(SA) 설치 여부 확인
②SA 외관·접지 상태, 정격(22.9[kV]급 18[kV] 등) 확인

ㅁ. 낙뢰 후 점검

①피뢰기 단로 장치 분리, 애관 파손 여부
②COS·PF 퓨즈 용단, 변압기 이상음·이상 온도·절연유 이상
③저압측 서지 보호 장치(SPD) 동작 표시창 확인, 통신·제어 기기 이상 유무

ㅂ. 정기 검사 · 시험

①정전 상태에서 피뢰기 절연 저항 측정(고압 메거), 이전 값과 비교해 급격한 저하는 열화로 판단
②가능하면 누설 전류(저항분) 측정·열화상 점검으로 ZnO 소자 열화 확인

⚠ 피뢰기·SA 점검과 측정은 반드시 정전 → 검전 → 접지(단락 접지 기구) 후 시행합니다. 뇌우 시나 뇌우 예보 시에는 옥외 고압 설비 작업을 하지 않습니다. 피뢰기 접지선은 활선 중 절대 분리하지 않습니다.

최종 정리

1. 이상 전압의 분류

①내뢰(개폐 서지, 상용 주파 지속) / 외뢰(직격뢰, 유도뢰)
②내부 이상 전압 크기 : 비접지 > 저항 접지 > 유효 접지
③개폐 서지 최대 : 무부하 송전 선로의 충전 전류 차단 (재점호 → 이론상 3E_m, 5E_m…) / 실제 대부분 상규 대지 전압의 3.5배 이하
④유도뢰는 수십[kV] → 110[kV] 이상 송전선은 직격뢰만 대상

2. 충격파

①표준 충격파 1.2×50[μs] (파두 길이 $T_f$ × 파미 길이 $T_t$)
②규약 영점 : 30[%]·90[%] 점을 이은 직선과 시간축의 교점 / 파미 길이는 50[%]까지
③감쇠·왜곡의 주원인 : 코로나

3. 진행파

①$Z = \sqrt{L/C}$ (길이와 무관), $V = 1/\sqrt{LC}$
②가공선 $Z = 138\log_{10}\frac{2h}{r}$, $V = 3\times10^5$[km/s] / 케이블 $V = \frac{3\times10^5}{\sqrt{\epsilon_s}}$
③$\beta = \dfrac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}$, $\gamma_e = \dfrac{2Z_2}{Z_2+Z_1}$
④종단 개방 : 전압 2배·전류 0 / 종단 접지 : 전압 0·전류 2배

4. 피뢰기

①구성 : 직렬 갭 + 특성 요소 (ZnO형은 갭레스)
②제한 전압 = 방전 중 단자에 남는 전압 / 정격 전압 = 속류를 끊을 수 있는 최고 교류 전압(실효값)
③구비 조건 : 충격 방전 개시 전압 ↓, 상용 주파 방전 개시 전압 ↑, 방전 내량 ↑·제한 전압 ↓, 속류 차단 능력 충분
④변압기 절연 강도 > 제한 전압 + 접지 저항 전압 강하, 접지 10[Ω] 이하
⑤설치 거리 $e_t = e_a + \dfrac{2Sl}{v}$ → 피보호기에 근접 설치
⑥22.9[kV-Y] 수전 설비 피뢰기 정격 18[kV]

5. 가공 지선 · 역섬락

①가공 지선 : 직격뢰 차폐(주목적) + 유도뢰 저감(보호율 $m = q_1/q_0$), 차폐각 작을수록 유리(35~40°)
②역섬락 : 철탑 전위 $E = RI(1-C_f)\alpha$ 상승 → 철탑에서 전선으로 섬락
③대책 : 탑각 접지 저항 저감 = 매설 지선

6. 절연 협조

①순서 : 피뢰기 제한 전압 < 아크 혼 < 선로 애자 < 기기
②BIL = 기준 충격 절연 강도 (22[kV]급 150, 154[kV]급 750[kV])
③2회선 동시 섬락 방지 → 불평형 절연
④기본 원칙 : 뇌전압 이외의 이상 전압에서는 섬락·절연 파괴가 없도록