과전압의 종류 | 상용주파 단시간과전압, 개폐 , 지락, 차단, 투입 및 재투입 과전압

과전압의 종류

상용주파 단시간과전압

3상 전력계통에 1선 지락고장 또는 2선 지락고장이 발생하면, 계통은 불평형 상태가 되어 대지에 대한 중성점의 전위가 상승하게 됩니다. 따라서, 건전상의 대지에 대한 전위도 상승하여 고장이 제거되기까지 지속되는데 이를 상용주파단시간과전압(TOV)이라 합니다.

 

이 상용주파단시간과전압은 송전선로의 애자수량을 결정하는데 필수적인 요소입니다. 상용주파단시간과전압은 개폐 또는 뇌과전압에 비해 크기는 작으나 지속시간이 길기 때문에 피뢰기의 동작특성, 전력기기들의 상용주파 내전압 등에 큰 영향을 끼치게 됩니다.

 

전력계통에 발생되는 상용주파 단시간과전압 발생원인으로는 지락고장, 부하급변 등이 있으며, 이러한 상용주파 단시간과전압은 오손의 영향을 많이 받는 송전선로 절연 물의 절연특성에 매우 큰 영향을 끼치게 되며, 전력 기기를 서지에 대해 보호하기 위한 피뢰기의 정격 결정에 가장 중요한 요인으로 작용됩니다. 따라서 효과적이고 합리적인 송전선로 절연설계 및 적정 피뢰기 정격 선정을 위해서는 발생 가능한 상용주파 단시간과전압에 대한 면밀한 검토가 선행되어야 합니다.

 

통상, 지락고장에 의한 건전상의 전위상승은 대칭좌표법을 이용하여 간단히 계산할 수 있으나, 송전선로의 비연가성 및 2회선 상호간의 영향을 고려하기 곤란하므로, 전력 계통 과도현상 해석 프로그램인 EMTP(Electro Magnetic Transient Program)를 이용하면 1선 지락 및 2선 지락시 건전상 전위 상승을 해석하고 검토할 수 있습니다.

 

개폐 과전압

송전계통의 절연설계시 고려되어야 하는 개폐과전압에는 발생 원인에 따라 분류하면 크게 지락 고장시 발생되는 지락 서지, 지락 고장 차단시 발생되는 차단 서지, 무부하 선로 충전시 발생되는 투입 서지의 3가지로 구분할 수 있습니다. 투입 서지의 경우에는 선로에 잔류 전하가 남아있는 상태에서 선로를 투입할 때 발생되는 재투입 서지를 따로 구분할 수도 있습니다.

345kV 이하의 계통에서는 투입 서지(특히 재투입 서지)에 의한 과전압에 비해 지락 서지 및 차단 서지에 의해 발생되는 과전압의 크기가 상대적으로 낮기 때문에 반드시 고려해야 되는 대상이 아니나, 765kV 이상의 계통에서는 투입 서지에 의한 과전압의 목표치를 낮게 두기 때문에 차단 서지 및 지락 서지에 의한 과전압이 투입 서지에 의한 과전압보다 높게 나타날 수도 있습니다. 서지 해석을 위하여 EMTP와 TNA(Transient Network Analyzer)를 사용합니다.

 

개폐과전압의 크기(kV 또는 P.U.)는 보통 정규분포 또는 극한값 분포로 나타내어지는데 회로를 투입할 때 (energizing 때)보다 개방할 때(reclosing 때)가 더 크게 나타납니다. 또한, 부하가 있는 회로를 개폐할 때보다 무부하 회로를 개방하는 쪽이 높은 이상전압을 발생합니다.

 

강한 전원(Strong source)일 경우보다 약한 전원(Weak source)일 경우가 더 크게 되며, 평행 2회선 운전 때보다 1회선만 운전할 때가 더 크게 나타납니다. 초고압계통에서는 개폐과전압의 최대값을 억제하기 위하여 투입저항(closing resistor)을 삽입하며, 800kV 계통에서는 선로 양쪽에 분로리액터(shunt reactor)를 추가로 삽입합니다. 개폐과전압의 최대값을 Em이라 하며, 345kV 계통에서 Em은 2.3～2.5 pu이며, 800kV 계통에서는 2.0 pu가 되도록 억제하고 있습니다.

 

이상전압이 가장 큰 경우는 무부하 송전선로의 충전전류를 차단할 때로서, 충전전류가 전압보다 90도 위상이 앞서 있기 때문에 차단 전류가 영으로 된 순간에 전압이 최대로 됩니다. 이 때문에 차단기 개극시간이 충분히 빠르지 않으면 차단기 양접점 간의 전압에 의해 접점 간 절연이 파괴되고 다시 아크로 연결되어 재점호를 일으킬 수 있습니다.

 

지락 과전압

송전선로에 지락고장이 발생하면, 계전기가 이를 감지하고 차단기에 의해 고장구간이 자동적으로 계통으로부터 분리되지만, 고장구간이 차단기의 동작에 의해 계통으로부터 분리되기 전에 발생되는 계통 내의 과도현상 중에서 고장 초기 부분의 과도현상은 차단기 등의 스위치류의 조작에 의해 발생되는 개폐 서지와 유사한 양상을 보이게 됩니다.

 

765kV 송전선로 일선지락시의 지락과전압

 

따라서 지락고장 초기 부분의 과도현상 시에 발생되는 과전압을 지락과전압으로 분류하고 있습니다. 지락과전압은 345kV 이하의 계통에서는 투입 서지(재투입 서지 포함)에 의한 과전압에 비해 그 크기가 상대적으로 낮기 때문에 고려하지 않아도 되지만, 765kV 이상의 계통에서는 투입저항 및 다른 보호 장치의 적절한 조치가 필요합니다.

 

차단 과전압

송전선로에 지락고장이 발생하면 계전기가 이를 감지하고 차단기에 의해 고장구간이 자동적으로 계통으로부터 분리됩니다. 이 과정에서 발생하는 서지에 의한 과전압은 345kV 이하의 계통에서는 상대적으로 크지 않지만, 765kV 이상의 계통에서는 매우 중요해집니다. 이때 발생하는 차단 서지는 투입 서지보다 높은 과전압을 초래할 수 있습니다.

765kV 송전선로 2선지락시의 차단 과전압

 

투입 및 재투입 과전압

송전선로를 차단기에 의해 투입할 때 발생되는 투입 서지는, 차단기의 투입 위상, 상간의 투입시간차 등의 요인에 따라 변화가 큽니다. 특히 765kV 이상의 계통에서는 개폐 과전압이 뇌과전압보다 절연체에 주는 영향이 커서, 송전선로의 절연설계를 지배하는 주요인이 되기도 합니다. 이로 인해 투입저항 등과 같은 서지 억제 수단의 도입이 필요합니다. 투입 서지는 계통의 구성상태에 따라 다르게 나타나며, 계통이 복잡할수록 서지임피던스 비정합지점에서 부반사가 발생해 과전압의 크기가 낮아지게 됩니다.

 

결론

과전압은 전력 시스템의 안정성과 신뢰성에 중대한 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 상용주파 단시간과전압, 개폐과전압, 지락과전압 등 다양한 형태의 과전압이 발생할 수 있으며, 각각의 과전압 유형은 고유의 발생 원인과 영향을 가집니다. 적절한 절연 설계와 보호 장치의 배치는 이러한 과전압으로부터 전력 시스템을 보호하는 데 필수적입니다. 따라서 전력 시스템의 설계와 운영 과정에서 이러한 과전압 특성을 면밀히 분석하고 대응 전략을 마련하는 것이 중요합니다.