제6장 중성점 접지 방식과 유도 장해

6.1 개요 ★★

송전 계통은 3상 3선식이며, 3상 변압기 Y결선의 3상 접속점 = 중성점을 어떻게 처리하느냐(중성점 접지 문제)가 다음 세 가지에 커다란 영향을 준다.

• 송전선 및 기기의 절연 설계
• 송전선으로부터 통신선으로의 유도 장해
• 고장 구간 검출을 위한 보호 계전기의 동작 및 계통의 안정도

저전압·단거리 선로는 중성점을 접지하지 않아도 별 지장이 없지만, 고전압·장거리 선로는 비접지일 때 여러 장해가 생기므로 중성점을 가능한 한 접지한다.

중성점 접지의 목적 ★★★

• 지락 고장 시 건전상의 대지 전위 상승을 억제 → 전선로 및 기기의 절연 레벨 경감
• 뇌, 아크 지락 등에 의한 이상 전압의 경감 및 발생 방지
• 지락 고장 시 접지 계전기의 동작을 확실하게 함
• 소호 리액터 접지 방식에서는 1선 지락 시 아크 지락을 빨리 소멸시켜 그대로 송전을 계속

송전선 고장은 대부분 1선 지락에서 시작된다. 빨리 제거하지 않으면 2선 지락이나 3상 단락으로 진전되는 경우가 많다. 같은 전압이라도 1선 지락 시 건전상 전압 상승값은 중성점 접지 임피던스 크기에 따라 달라진다.

6.2 중성점 접지 방식의 종류 ★★★

중성점을 접지하는 접지 임피던스 $Z_n$의 종류와 크기에 따라 다음과 같이 나눈다.

• 비접지 방식 : $Z_n=\infty$
• 직접 접지 방식 : $Z_n=0$
• 저항 접지 방식 : $Z_n=R$ (저저항 / 고저항)
• 리액터 접지 방식 : $Z_n=jX_L$ (리액터 접지 / 소호 리액터 접지)

6.2.1 비접지 방식 ★★

△-△ 결선 변압기는 중성점이 없어 그대로는 접지할 수 없다. 주로 선로가 짧거나 전압이 낮은 계통(33[kV] 정도 이하)에 채용된다.

• 이런 선로는 대지 정전 용량이 작아 대지 충전 전류도 작다. 1선 지락이 나면 건전상 대지 정전 용량을 통해 고장 전류가 흐르지만, 용량 리액턴스 $\frac{1}{\omega C}$가 매우 커서 지락 전류가 아주 작고, 전류 영점 통과 순간 아크가 자연 소멸 → 그대로 송전 계속 가능
• 중성점을 뽑을 필요가 없어 △-△ 결선 가능 → 변압기 1대 고장·점검 시 V결선으로 송전 계속 가능

단점 : 전압이 높고 선로가 긴 계통에 쓰면 대지 정전 용량이 커져서, 1선 지락 시 충전 전류에 의한 간헐 아크 지락 → 이상 전압 발생. 또 건전상 대지 전압이 √3배까지 상승한다.

6.2.2 직접 접지 방식 ★★★

계통에 접속된 변압기의 중성점을 금속선으로 직접 접지하는 방식이다.

단점이 있어도 절연 레벨 저감의 이점이 커서, 절연비가 커지는 초고압 송전 선로에 가장 알맞은 방식이다. 직접 접지는 유효 접지의 대표 예이다.

우리나라는 1968년 가을부터 154[kV] 계통을 소호 리액터 접지에서 직접 접지로 전환했고, 345[kV] 초고압 계통도 모두 직접 접지이다.

6.2.3 저항 접지 방식 ★

중성점을 저항으로 접지하며, 저항값에 따라 둘로 나눈다.

• 저저항 접지 : $R \approx 30\,[\Omega]$
• 고저항 접지 : $R \approx 100\sim1{,}000\,[\Omega]$

R이 너무 낮으면 → 지락 시 통신선 유도 장해가 커짐. R이 너무 높으면 → 지락 계전기 동작이 곤란해지고 건전상 대지 전압 상승을 초래.

한 군데만 접지하는 단일 저항 접지보다 2개소 이상 중성점을 동시에 접지하는 복저항 접지가 지락 전류를 분산시켜 유도 전압을 줄이고, 병행 2회선 선택 차단도 쉬워 많이 쓰였다. 그러나 경제성 때문에 대부분 직접 접지로 전환되는 추세이다.

6.2.4 소호 리액터 접지 방식 ★★★

변압기 중성점을 송전 선로의 대지 정전 용량과 공진하는 리액터로 접지하는 방식이다. 이 리액터를 발명자(독일) 이름을 따서 페테르센 코일(Petersen coil) 또는 소호 리액터라 한다.

원리 : L, C 병렬 공진. 1선과 대지 간 정전 용량의 3배($3C$)와 리액터 $L$이 공진하면 고장점에서 본 합성 리액턴스가 이상적으로 무한대 → 지락 전류(고장 전류) ≒ 0 → 아크가 전류 영점에서 자연 소멸 → 1선 지락이 나도 정전 없이 송전 계속.

상전압을 $\dot E_a,\dot E_b,\dot E_c$라 하면 a상 지락 시 지락 전류 $\dot I_e$는 $L$을 흐르는 지상 전류 $\dot I_L=\dfrac{\dot E_a}{j\omega L}$와, b상·c상 대지 정전 용량을 흐르는 진상 전류 $\dot I_{ab}=j\omega C(\dot E_a-\dot E_b)$, $\dot I_{ac}=j\omega C(\dot E_a-\dot E_c)$로 나뉜다. 이 합이 0이면 소호 작용을 얻는다.

실제로는 철손·선로 저항·누설 컨덕턴스·코로나손 때문에 고장점 전류가 완전히 0은 되지 않고 약간의 잔류 전류가 흐른다. 또 계통 일부 개폐·우천 등으로 $C$가 달라지므로 소호 리액터에 여러 개의 탭(수%~10% 범위)을 두어 항상 공진하도록 조정한다.

1) 합조도 ★★★

탭이 공진점을 벗어난 정도를 합조도라 한다. 사용 탭 전류 $I$, 전대지 충전 전류 $I_c$라 하면

이유 : 부족 보상 탭으로 운전하면 지락 사고 시 과대한 이상 전압이 발생할 위험이 있다. (선로 일부가 개방되어 C가 줄면 부족 보상 상태가 공진점에 가까워져 직렬 공진 이상 전압이 생긴다. 과보상은 C가 줄어도 공진점에서 더 멀어지므로 안전하다.)

2) 소호 리액터 용량 ★★★

선간 전압 $V$일 때 상전압 $=\dfrac{V}{\sqrt3}$, 공진 탭 전류 $=3\omega C\dfrac{V}{\sqrt3}$ 이므로

중성점 접지 방식의 비교 (표 6.2) ★★★

표 6.2 중성점 접지 방식의 비교 (책 발췌·정리)

저임피던스와 고임피던스 방식은 서로 상반되므로, 대상 계통의 실정에 가장 알맞은 방식을 충분히 검토해서 채택해야 한다.

3) 변압기의 표준 접속

• 보통 고압측 Y결선(중성점 접지), 저압측 △결선
• 1차 변전소는 1차·2차측 모두 송전선이므로 Y-Y로 하여 중성점 접지, 3차측만 △결선으로 해서 제3고조파 순환 전류를 흘려준다 (3권선 변압기)
• 이처럼 변압기는 어느 한쪽만 △결선, 나머지는 Y결선으로 해서 중성점을 자유롭게 접지할 수 있게 한다

6.3 중성점의 잔류 전압 ★★

3상 대칭이면 중성점 전위는 이론상 항상 0이어야 하지만, 실제 선로는 각 선의 정전 용량이 조금씩 달라 중성점이 약간의 전위를 갖는다. 그래서 중성점을 접지하면 평상시에도 약간의 전류(기본파 단상 전류)가 흐르고, 이것이 커지면 근접 통신선에 유도 장해를 일으킨다. 저항 접지에서는 별문제가 안 되지만 소호 리액터 접지에서는 특히 큰 문제가 된다.

1) 잔류 전압의 발생 원인 ★★

• 정상 상태 : 송전선의 연가가 불충분 → 3상 각 상의 대지 정전 용량 불평형 (가장 주된 원인)
• 과도 상태 : 차단기 개폐가 3상 동시에 이루어지지 않아 3상 간 불평형
• 단선 사고 등

대칭 3상 기전력 $\dot E_a = E_a,\;\dot E_b = a^2E_a,\;\dot E_c = aE_a$ $\left(a = -\tfrac12 + j\tfrac{\sqrt3}{2}\right)$ 이고, 각 선의 대지 전위는 $(\dot E_n+\dot E_a)$, $(\dot E_n+\dot E_b)$, $(\dot E_n+\dot E_c)$ 이므로

• $C_a = C_b = C_c$ 이면 당연히 $E_n = 0$ → 연가를 충분히 해서 방지
• 잔류 전압은 고조파를 포함하며, 실측 예로 66[kV] 계통에서 50~600[V] 정도로 상시 변동
• 소호 리액터 접지 계통에서는 직렬 공진의 원인이 되므로 특히 주의
• 정전 용량이 불평형일 때 소호 리액터 공진 탭은 각 상 정전 용량의 합계와 병렬 공진하도록 정한다 (식 6.11) $$\omega L = \frac{1}{\omega(C_a+C_b+C_c)}$$

6.4 유도 장해 ★★★

6.4.1 유도 장해의 개요

우리나라는 지형상 송전선과 통신선이 근접해서 건설되는 경우가 많다. 전력선이 통신선에 근접하면 다음과 같은 장해를 준다.

• 정전 유도 : 전력선과 통신선 사이의 상호 정전 용량에 의해 발생
• 전자 유도 : 전력선과 통신선 사이의 상호 인덕턴스에 의해 발생
• 고조파 유도 : 위 두 가지 영향이지만 상용 주파수보다 고조파 유도에 의한 잡음 장해

주로 문제가 되는 것은 정전 유도와 전자 유도이며, 평상 운전 시에는 정전 유도, 지락 고장 시에는 전자 유도가 문제가 된다. 송전선 루트 선정·중성점 접지 방식 결정 시 반드시 고려해야 한다.

위 표는 책 내용을 비교 정리한 것 (책에 표 없음)

6.4.2 정전 유도 ★★★

정전 유도 전압은 송전 선로의 영상 전압과 통신선 사이 상호 커패시턴스의 불평형에 의해 통신선에 정전적으로 유도되는 전압으로, 고장 시뿐만 아니라 평상시에도 발생한다. 크면 수화기에 유도 전류가 흐르고 상용 주파수 잡음이 들어가는 등 통신 장해를 일으킨다.

• 정전 유도 전압은 주파수 및 병행 길이와 무관하고 전력선의 대지 전압($V/\sqrt3$)에만 비례
• $C_a=C_b=C_c$이면 $E_s=0$ → 연가가 완전하면 정전 유도 전압을 0으로 할 수 있다 → 연가는 송전선 자체의 평형뿐 아니라 통신선 유도 장해 방지에도 꼭 필요
• 정전 유도는 평상시 상용 주파수 잡음 정도로, 전자 유도처럼 통신 기기·인명에 위험을 줄 정도는 아니다. 대책 : 전력선과 통신선의 간격을 넓히고, 연가를 완전히

※ 단상의 경우 (자주 출제, 책에 없음) : $E_s = \dfrac{C_m}{C_m + C_s}\,E$ ($C_m$ : 상호 정전 용량)

6.4.3 전자 유도 ★★★

1선 지락 사고 등으로 영상 전류가 흐르면 통신선과의 전자적 결합으로 통신선에 커다란 전압·전류가 유도되어 통신 기기·통신 종사자에게 손상 및 위해를 끼치거나 통화를 불가능하게 한다.

• 평상시에는 각 상전류가 대체로 평형 → $I_0$가 극히 작아 유도 장해는 거의 없다 (3상 평형이면 $\dot I_a+\dot I_b+\dot I_c=0$ → $E_m = 0$)
• 지락 고장 시 큰 $I_0$가 대지 전류로 흘러 통신 장해를 일으킨다.
• 송전선 건설 시 반드시 지락 고장 전류로 예정지 부근 통신선의 전자 유도 전압을 계산하여 제한값(650[V])을 넘지 않도록 조치해야 한다.

1) 실험식에 의한 계산

실제로는 송전선과 통신선이 제각각 건설되고 대지 전류의 깊이도 달라 M을 직접 계산할 수 없다. 그래서 1/50,000 지도에 통신선과 송전선을 그려 놓고 기유도 전류 1[A]당 유도 전압을 실험식으로 구한다.

• 병행 길이 $l$에 비례하므로 상당히 떨어진 통신선이라도 이격 $b$가 5[km]까지는 계산
• 고장점 위치·병행 길이를 바꿔 가며 어디서 지락이 나도 650[V]를 넘지 않음을 확인. 넘으면 루트 변경 또는 경감 대책

표 6.3 유도 장해 제반 현상 요약 (책 발췌, 2010년 기준값)

6.4.4 유도 장해 경감 대책 ★★★

식 $E_m = \omega M l(3I_0)$에서 알 수 있듯이 기유도 전류 $3I_0$, 상호 인덕턴스 $M$, 병행 길이 $l$을 줄이거나, 유도 장해를 받는 시간을 줄여야 한다.

3) 차폐선 ★★

차폐선(shielding wire) : 전력선과 통신선 사이에 대지와 단락시킨 전선을 전력선에 근접해서 설치한 것.

차폐선은 양단이 단락(접지)되어 있어 단락 전류 $I_s$가 흐르고, 이것이 통신선에 자속 $M’$을 만든다. $M’$은 송전선 전류 $I_e$에 의한 자속 $M$과 위상이 180° 반대($I_e$와 $I_s$는 반대 방향)이므로 $M$을 상쇄하여 통신선 유도 전압 $V_m$이 반정도로 줄어든다.

$Z_{12}$ : 전력선–통신선 상호 임피던스, $Z_{1s}$ : 전력선–차폐선 상호 임피던스, $Z_{2s}$ : 통신선–차폐선 상호 임피던스, $Z_s$ : 차폐선 자기 임피던스. 차폐선 양단이 완전히 접지되어 있으면 ($I_1 = \frac{Z_{1s}I_0}{Z_s}$)

• $Z_s$를 $Z_{1s}$에 접근시킬수록($Z_s\to Z_{1s}$) 차폐 효과가 커진다 → 차폐선의 자기 임피던스를 작게 해서 차폐선 전류를 크게
• 차폐선은 송전 철탑 정상부의 가공 지선 자리에 가설. 단락 전류를 흘려야 하므로 철선 대신 알루미늄선·동선을 써서 유도 전압 경감 + 가공 지선 역할을 겸한다

4) 유도 전압 제한값의 변화

보호 계전기 성능 향상으로 1사이클(1/60초) 동작, 차단기 3사이클 차단이 가능해졌다. 그래서 100[kV] 이상 송전선에서는 0.1초 고속도 차단을 전제로 제한값을 종전 300[V] → 650[V]로 올렸다.

전기안전관리자 점검 포인트

최종 정리

빠진 쪽 없음 (243~270쪽 전부 정리). 책의 손글씨 메모는 제외함. 예제 6.8 중간값(7.45→7.54)과 식 (6.1) 표기는 계산으로 확인해 바로잡음.