1. 개요
전력계통에서는 송전선로, 배전선로, 전차선로 모두 사용하는 최고전압이 정해져 있다. 그러나 전력계통에서는 여러 가지 원인에 의해 이 최고사용전압을 초과하는 과대한 전압이 발생한다. 이 과대한 전압을 ‘과전압’ 또는 ‘이상전압’이라 하고 전력 회로의 기기 및 선로의 절연은 항상 이 이상전압의 위협에 노출되어 있다.
전력계통에 발생하는 이상전압은 뇌와 전력계통 내부에서 발생하는 것으로 크게 2가지로 분류한다. 전력계통 내부에서 발생하는 이상전압은 스위치류의 개폐에 동반하는 과도적인 이상전압과 공진현상과 같은 지속적 이상전압으로 나눌 수 있다.
2. 이상전압의 종류
[표 1] 참조
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뇌에 의한 이상전압(뇌 서어지) |
직격뢰, 유도뢰 |
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스위치 등 개폐시의 과도적 이상전압(개폐 서어지) |
스위치 개폐시의 이상전압 팬터그래프 이선시의 이상전압 퓨우즈 용단 |
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사고시의 지속적 이상전압 |
지락 등에 의한 이상전압 |
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기타 지속적 이상전압 |
공진현상, 페란티 효과 |
3. 이상전압의 발생원인
가. 뇌에 의한 이상전압
낙뢰의 경우 직접전력설비에 낙뢰하는 것은 직격뢰라 하고 설비의 근방에 낙뢰하여 그 전자적 및 정전적 유도로 전력계통에 발생하는 이상전압을 유도뢰라 한다. 철도의 경우에는 일반 송전선에 비해 지상높이가 낮기 때문에 뇌에 의한 과도전압의 발생빈도는 직격뢰보다도 유도뢰에 의한 것이 많다. 이 유도뢰에 의해서 전차선로에 발생하는 이상전압의 최대치는 300kV 정도이다. 또 직격뢰의 뇌전류는 수kA～200kA 정도로 그 때 급전선로에 발생하는 전압은 수천kV에 이른다. 뇌에 의해 계통에 발생하는 과도적 전압을 뇌서어지 전압이라 한다.
나. 스위치 개폐시의 과전압
전력회로에는 차단기, 단로기 등 다양한 종류의 스위치가 설치되어 있다. 이러한 스위치류를 개폐하면 많은 경우 스위치를 개폐한 순간에 과도적인 이상전압이 발생한다. 이 과도적인 이상전압은 개폐 서어지 전압이라 하며 개폐서어지 전압은 스위치의 종류, 회로조건, 차단전류 등에 의해 발생할 때마다 다르며 전기철도의 급전회로에서는 이 최대치는 정상전압의 3배정도에 이른다.
다. 지속적 이상전압
지속적 이상전압으로서는 지락사고에 따라 전위상승, 공진현상, 페란티 현상 및 부하차단 등이 있는데 급전회로에서 발생하기 쉬운 것은 지락사고에 따른 전위상승과 공진현상이다. 일반 3상 송배전계통에서는 중성점 비접지방식 또는 중성점 저항접지방식의 경우 3상중 1상에 지락(1선지락)이 생기면 다른 건전상(健全相)의 대지전위는 최대로 평상시의
배로 상승하는 것으로 알려져 있다. 전기철도에서는 전차선과 레일간에 부하가 있는 단상교류회로 또는 직류회로로 되어 있으며 회로에는 적극적으로 접지공사를 시설하고 있지 않는 레일～대지간의 절연은 고압회로의 절연과는 다르므로 급전회로는 레일의 누설저항에 의존하는 저항접지계로 볼 수 있다. 또한, 전력회로에는 인덕턴스 L과 정전용량 C가 존재하기 때문에 L에 축적된 전자적 에너지와 C에 축적된 정전적 에너지가 서로 주고받는 현상이 발생한다. 이 L과 C 간에 에너지를 주고받는 주기에 맞춰 외부에서 에너지가 공급되면 LC간에 서로 주고받고 있는 진동에너지는 증대하고 이에 따라 이상 전압이 발생한다. 이것을 공진현상이라 하며 급전회로에서는 고조파에 의해 발생한다.
4. 서어지 전압의 특징
전력회로에 발생하는 고전압의 대다수는 뇌와 스위치의 개폐에 의해 발생하는 과도적인 이상전압으로 서어지(파동)전압이라 한다. 서어지 전압의 특징은 전압의 상승속도가 상당히 빠르므로 유도뢰에 의한 서어지 전압의 경우는 전압이 0에서 peak치에 도달하기까지의 시간은 2-10㎲이다. 전기가 전달되는 속도는 300m/㎲ 이므로 이 시간영역에서 변화하는 전압은 진행파로서의 성질을 가지고 있다.
5. 이상전압 방지대책
뇌. 개폐기조작. 탈락또는 접지사고등에 의하여 송전계통에 전압이 상승한다.
전압이 상승하면 절연이 비교적 약한부분(애자)이 섬락되면 상승전압은 낮아지지만 여기에 따르는 기류가 속류하여 고장의 확대 또는 정전의 원인이 된다. 이 고전위의 진행파가 변전소, 발전소에 침입하여 변압기 등 기계기구를 파손 시킬 우려도 있으므로 충분하고 적절한 보호 장치를 설비하여야 한다.
가. 가공지선
1) 뇌에 대한 보호 설비로서 가장 직접적 효과를 갖고 적용되어 온 것은 가공지선과 피뢰침이다. 가공지선의 목적은 1차로 직격에 대한 보호 및 유동에 대한 보호이고, 2차는 통신선에 대한 차폐효과이다.
2) 피뢰침은 목주에 가설되는 송전선에 사용되지만 경간이 길면 효과가 없고 설치되었다고 하더라도 접지저항을 낮게 하지 않으면 유효하지 않다.
나. 피뢰기
1) 기능
피뢰기는 보호하려 하는 기기의 단자 또는 선로와 대지와의 사이에 접속하여 뇌나 회로개폐 등으로 발생한 충격성 과전압의 서지를 대지에 방전시킴으로서 그 파고치를 제한하여 전기시설의 절연을 보호함과 동시에 계통의 정상운전 상태를 교란하지 않고 원상으로 복귀시키기 위한 장치이다. 피뢰기의 보호 성능 향상은 계통의 신뢰성을 높일 뿐만이 아니라 기준충격 절연강도의 경감을 가능케 하기 때문에 계통 전체의 건설비를 현저하게 경감시킬 수 있다.
2) 피뢰기의 책무와 동작
피뢰기는 특성 요소와 직렬 갭을 갖추고 이 양자에 의하여 다음과 같은 조건을 만족시키면서 기기의 보호 및 송전의 안정을 도모하고 있다.
가) 이상전압의 내습으로 피뢰기의 단자전압이 어느 일정 값 이상으로 되면 즉시 방전해서 전압 상승을 억제하여 기기를 보호한다.
나) 이상전압이 소멸하여 피뢰기 단자전압이 일정 값 이하가 되면 즉시 정지해서 원래의 송전상태로 되돌아가게 한다.
다. 방전gap
전기철도의 전력회로에는 방전gap으로 보안기, GP(지락보호용 방전장치), S horn 등이 사용되고 있는데 이 사용목적은 지락사고시의 지락점 전위상승억제, 레일전위상승억제 및 사고전류의 금속회로구성을 목적으로 한다.
따라서 피뢰기와 같은 속류차단 능력은 필요 없고 방전전압도 실효치로 나타낸다. 또 방전gap은 그 사용목적에서 서어지 전압에서 빈번하게 동작하는 것은 방전특성의 열화로 이어지므로 좋지 않다. 서어지 전압에 의해 빈번하게 방전하는 경우에는 C 또는 CR 서어지 업서버를 방전gap과 병렬로 접속하여 서어지를 흡수하는 것도 있다.