변전설비 절연협조
변전설비 절연협조
1. 절연협조에 대한 기본적인 고려사항
절연협조의 기본적인 고려사항은 전력계통에 발생하는 이상전압이 정상 대지전압 파고치의 4배 정도 이하의 내부이상전압(내뢰,內雷)과 유도뇌 혹은 직격뇌(외뇌, 外雷)의 2종류가 있어 피뢰기에 내뇌보호를 기대하는 것은 무리이지만 기기에 그 정도의 절연 내력을 갖는 것은 용이하다는 것을 전제로 한다.
(1) 피뢰기의 동작개시전압은 내뇌에는 동작하지 않는 수준으로 정하고, 상용주파수 허용단자전압과 연관시켜 현재 기술로 낮게 할 수 있는 최저한도의 제한전압을 결정한다.
(2) 피뢰기의 접지저항에 의해 발생하는 전압강하는 전압계급에 비례하여 변화하지 않아 저전압이 되는 만큼 피뢰기의 제한전압에 가산되는 비율이 크게 되기 때문에 접지 저항을 저감하는 등 기기의 절연강도를 결정할 때 주의를 요한다.
(3) 변전기기에 대한 기기별 충격절연강도는 다음표와 같이 적용한다.
기기별 충격절연강도
구분 | 기기명 | 적용규격(kV) | 비고 |
변전소 | 154kV 피뢰기 | 144 |
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170 GIS, 붓싱 | 750 |
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주 변압기 1차측 (M point 포함) | 650 |
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주 변압기 2차측 | 325 |
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변압기 2차측 피뢰기 | 75~84 | *제작사별 제품특성 반영 | |
72.5kV GIS | 325 |
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단권변압기 | 200 |
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구분소 등 | 72.5kV(29kV GIS) | 200 |
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단권변압기 | 200 |
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R-C뱅크 | 170 |
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2. 가공지선
변전소등에는 사용전압 및 뇌빈도에 관계없이 가공지선을 시설한다.
① 가공지선의 뇌차폐효과
가공지선의 뇌차폐효과에 대하여는 여러 가지 이론과 설계기준이 있지만 일반적으로 많이 이용되고 있는 [흡인공간이론]에 대하여 기술하면 그림에 표시되어 있는 것과 같이 지면에 수직으로 H의 높이에 O로 표시되는 가공지선이 있다고 하고, 뇌격선단이 이것과 대지에 대하여 등거리에 있는 A점(H의 높이)에 도달한 경우를 생각해 보면, 뇌격과 같이 극히 높은 전압의 방전에 대하여는 양 대상물의 구조에는 관계없고, 단순히 그것과 뇌격선단(雷擊先端)의 거리에 의해 어느 곳으로 방전하는지 결정된다고 생각한다.
지상고 H에 있는 가공지선과 H1에 있는 도체에 대하여 상기의 흡인구간을 상정하여 가공지선의 차폐효율에 관하여 계산한 결과를 다음에 표시한다.
가공지선1조의 차폐효율은 그림에 표시된 것과 같이 차폐각 α = 45°이하의 경우
H1/H이 50%이하에는 어느 것도 100%가 되지만 α = 50°이상에는 100%로 되는 H1의 높이가 존재하지 않는다.
3. 피뢰기
1) 피뢰기의 특성의 주요사항
피뢰기는 뇌서지가 내습하였을 때에 신속히 동작하여 그 전압을 저감시키는 것이 본래의 역할이기 때문에 다음과 같은 성능을 구비하는 것으로 한다.
가. 계통의 전압상태에 견디는 능력
피뢰기가 동작하는 것은 뇌서지 혹은 개폐서지가 대상이기 때문에 상용주파수 전압에 동작하는 것은 피해야 된다. 그러나 실제로는 계통의 전압은 1선지락시의 전압상승, 기타의 지속성 이상전압이 발생할 가능성이 있으므로 어느 정도의 이상전압에 충분히 견딜 필요가 있다. 이것을 동작개시전압이라고 부르며, 피뢰기 정격전압의 1.2～1.3배 이상으로 되어 있다.
또한 피뢰기의 각 부분은 충분히 상용주파 및 충격에 대한 절연내력을 갖지 않으면 안된다.
나. 보호능력
피뢰기의 보호효과는 충격성 과전압에 대한 충격방전개시전압과 방전시의 단자전압 즉 제한전압이 낮은 만큼 유효하다고 말할 나위도 없다.
이들의 값은 보호하여야 할 기기의 ‘뇌충격 내전압치’와 연관을 갖고 있으므로 ‘뇌충격 내전압치’보다 낮은 값으로 할 필요가 있다. 이것은 피뢰기와 보호기기와의 거리, 접지저항에 의한 전압상승 등을 고려하여 여유를
줄 필요가 있기 때문이다. 이 동작개시전압과 제한전압을 될 수 있는 한 낮게 하는 것이 바람직하지만 한편 스스로 복귀 가능한 범위로 낮은 값으로 선정한 필요가 있다. 규격에는 공칭방전전류에 대한 제한전압을 정하고, (뇌임펄스 내전압치)에 대하여 20%정도, 1/2의 공칭방전전류에서 제한전압이 25%정도의 유도를 갖는 것을
목표로 한 값이 정해져있다.
다. 동작책무
피뢰기가 방전하면 통전로가 생겨 이상전압이 제거된 후에도 피뢰기를 통하여 상용 주파의 속류가 흐를 수 있으며, 그 속류를 차단하여 회로의 절연을 스스로 회복시키지 않으면 안 된다. 또한 방전을 반복하여도 매회 확실히 속류를 차단하고 제 특성이 실질적으로 변화하지 않아야 된다.
라. 내열화성
피뢰기는 장기간 사용하고 있어도 방습구조에 습기침입, 특성요소의 변질 등에 의한 열화가 생기지 않도록 해야 된다. 또한 방전전류에 대한 관통파괴, 외면섬락 등이
일어나지 않고 반복 동작 시에도 성능, 구조상 열화 되지 않아야 한다.
2) 피뢰기의 적용
가. 피뢰기의 정격전압
피뢰기의 정격전압(내선규정 720-2 피뢰기의 접지)
전력계통 | 피뢰기의 정격전압(kV) | ||
공칭전압(kV) | 중성점접지방식 | 변전소 | 배전선로 |
345 154 66 | 유효 접 지 유효 접 지 PC 접 지 또는 비 접 지 | 288 138 75 |
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나. 피뢰기의 방전전류
피뢰기에 흐르는 정격 방전전류는 변전소의 차폐유무와 그 지방의 연간뇌우 발생 일수에 관계되나 제 요소를 고려한 일반적인 시설장소별 피뢰기의 공칭방전전류는 표에 의한다.
설치장소별 피뢰기 공칭 방전전류(내선규정 720-2 피뢰기의 접지)
공칭 방전전류 | 설치장소 | 적용조건 |
10,000A | 변전소 | 1. 154kV이상의 계통 2. 66kV 및 그 이항의 계통에서 뱅크용량이 3,000kVA를 초과하거나 특히 중요한 곳 3. 장거리 송전 케이블 (배전 피더(feeder)인출용 단거리 케이블은 제외) 및 정전축전기 뱅크를 개폐하는 곳. |
5,000A | 변전소 | 66kV 및 그 이하의 계통에서 뱅크용량이 3,000kVA 이하인 곳 |
2,500A | 선로 변전소 | 배전선로 배전선 피더인출 측 |
(주) 전압 22.9kV 이하(22kV 비접지 제외)의 배전선로에서 수전하는 설비의 피뢰기 공칭방전 전류는 일반적으로 2,500A의 것을 적용한다.
다. 시설장소는 수전측에는 변압기1차측 부근, 급전인출구에는 외선측으로 한다.
라. 방전전류 측정기는 각상마다 다루기 쉬운 높이에 설치한다. 각 상(相)마다 상(相) 표시를 한다.
마. 피뢰기의 오손구분은 오손강화를 도모하기 어려우므로 염해지구에는 실리콘 콤파운드를 도포하여 다른 기기와의 오손협조를 꾀한다.
바. 배선은 최단거리로 한다.
사. 접지선의 지지금구 등은 자기회로를 형성하지 않는 것으로 한다.
3) 절연강도
전기설비기술기준의 판단기준 제17조(기구 등의 전로의 절연내력) 단서의 규정에 의한 피뢰기의 절연강도는 다음과 같다
(1) 건조 및 주수상태에서 2분이내의 시간간격으로 10회 연속하여 상용주파 방전개시전압을 측정하였을 때 표의의 상용주파 방전개시전압의 값 이상일 것.
(2) 직렬 갭 및 특성요소를 수납하기 위한 자기용기 등 평상시 또는 동작시에 전압이 인가되는 부분에 대하여 표의 “상용주파전압”을 건조상태에서 1분간, 주수상태에서 10초간 가할 때 섬락 또는 파괴되지 아니할 것.
(3) 제2호와 동일한 부분에 대하여 표의 “뇌임펄스전압”을 건조 및 주수상태에서 정․부양극성으로 뇌임펄스전압(파두장 0.5 ㎲ 이상 1.5 ㎲ 이하, 파미장 32 ㎲ 이상 48 ㎲ 이하인 것.
(4) 건조 및 주수상태에서 표의 “뇌임펄스 방전개시전압(표준)”을 정․부양극성으로 각각 10회 인가하였을 때 모두 방전하고 또한, 정·부양극성의 뇌임펄스전압에 의하여 방전개시전압과 방전개시시간의 특성을 구할 때 0.5 ㎲에서의 전압 값은 같은 표의 “뇌임펄스방전개시전압(0.5 ㎲)”의 값 이하일 것.
(5) 정․부양극성의 뇌임펄스전류(파두장 0.5 ㎲ 이상 1.5 ㎲ 이하, 파미장 32 ㎲ 이상 48 ㎲ 이하의 파형인 것)에 의하여 제한전압과 방전전류와의 특성을 구할 때, 공칭방전 전류에서의 전압 값은 표의 “제한전압”의 값 이하일 것.
피뢰기의 절연강도(전기설비기술기준의 판단기준 표17-3)
피뢰기 정격 전압 (실효치) (kV) | 상용주파 수방전개 시전압 (실효치) (kV) | 내 전 압(kV) | 충격전압 개시전압 (파고치) (kV) | 제한전압 (파고치) (kV) | |||||
상 용주파수 전압 (실효치) (kV) | 충격전압 (파고치) | ||||||||
1.2x 50㎲ | 250x 2500㎲ | 1.2 x 50 ㎲ | 250 x 2500 ㎲ | 10 kA | 5 kA | 2.5 kA | |||
7.5 | 11.25 | 21(20) | 60 | - | 27 | - | 27 | 27 | 27 |
9 | 13.5 | 27(24) | 75 | - | 32.5 | - | - | - | 32.5 |
12 | 18 | 50(45) | 110 | - | 43 | - | 43 | 43 | - |
18 | 27 | 42(36) | 125 | - | 65 | - | - |
| 65 |
21 | 31.5 | 70(60) | 120 | - | 76 | - | 76 | 76 | - |
24 | 26 | 70(60) | 150 | - | 87 | - | 87 | 87 | - |
72 75 | 112.5 | 175(145) | 350 | - | 270 | - | 270 | 270 | - |
138 144 | 207 | 325(325) | 750 | - | 460 | - | 460 | - | - |
288 | 432 | 450(450) | 1175 | 950 | 725 | 695 | 690 | - | - |
(주) : ( )내의 숫자는 주수시험시 적용.
4) 절연이격
변전소등의 모선간격은 변압기, 계기용변성기 등의 기기와 지지애자, 부싱 등의 절연 내력과 협조된 절연내력을 갖는 것이다. 나전선 간격, 대지 이격거리는 전기기술기준에 의한다. 이격거리는 도체의 크기, 바람에 의한 횡진, 단락전류에 의한 간격단축, 작업공간 등을 고려하여 정한다.
5) 오손대책
변전소의 오손대책으로는 절연강화(애자수량의 증가, 애관류의 누설거리 증대), 주수 세정, 실리콘 콤파운드 도포, 설비의 옥내수용 등의 방법이 있다. 이 모든 대책은 설비의 입지조건, 특히 오손조건 혹은 계통에 접하는 중요성, 정지 작업(停止作業)의 난이, 경제성, 수전선로, 전차선로 등의 협조를 종합적으로 고려하여 선정할 필요가 있다. 또한 최대 염분 부착밀도의 상정은 해안에서의 거리 외에 해당 변전소 및 인접 변전소 지점에의 착염실적, 오손지도 등의 전력회사 자료도 참고하여 결정한다.
(1) 절연강화(애자수량의 증가, 애관류의 누설거리 증대)
애자의 오손상태에 있어서 무중내압특성(霧中耐壓特性)은 시험법에 따라 다르지만, 일반적으로 표면누설거리에 거의 비례하는 경향을 나타낸다. 오손이 심하게 될 때, 또는 평균직경이 크게 될 때는 긴 누설거리가 필요하게 된다. 따라서 애자의 오손내압치를 높이는 제일 간단하고 효과적인 방법은 애자의 개수를 늘이거나, 내염애자 등의 적용에 의해 그 표면 누설거리를 길게 하는 것이다. 그러나 이 방식은 오손조건이 심하게 될 때 애자가 급격히 크게 되어 특히 부싱이나 지지 애자는 가격이 높게 된다.
(2) 주수세정(注水洗淨, Water Washing)
이 방식은 오손된 애자에 대하여 수동 또는 자동주수장치에 의해 주수세정을 하고, 애자를 항상 일정 허용한계 오손치 이하로 유지하도록 하는 것으로서 중(重)오손지구의 대책으로서 강화절연과 조합하여 채용되는 경우가 많다. 주수세정에 있어서 주의해야 할 것은 세정 중 애자의 내압치가 변한다는 것이다.
특히 가벼운 정도의 오손영역에는 세정 중의 내전압치가 무중내전압치를 밑도는 경우도 있으므로 활선주수세정을 하는 경우는 신중한 배려가 필요하다. 또한 피뢰기 세정 중 상용주파 방전개시전압이 현저히 저하하여 방전파괴에 이를 우려가 있는 것은 활선 주수세정을 피하여야 한다.
(3) 실리콘 콤파운드의 도포
애자의 표면에 실리콘 콤파운드 등의 발수성(發水性) 절연물을 도포하면 표면에 흘러 내리는 수분을 겉돌게 함과 동시에 특유의 아메바효과에 의해 날려 부착하는 고형 물질을 내부에 둘러싸서 외기와 접촉하는 부분을 항상 발수성 물질로 덮는 작용을 나타낸다.
발수성물질 도포의 특색은 기존설비의 내오손성 향상 혹은 피뢰기와 같은 내오손성의 강화가 곤란한 것에 적용하면 상당히 효과가 크다. 그러나 도포물질의 수명이 비교적 짧기(보통 0.5～2년) 때문에 그때마다 설비를 정지하여 새롭게 도포해야 되기 때문에 결점이 있어 중요 설비에 정지작업이 곤란한 경우에는 적용에 어려운 장소가 많다.
(4) 설비의 옥내 수용
오손조건이 특히 나쁜 경우는 설비의 중요성, 앞에서 언급한 방법에 대한 경제성을 고려하여 설비를 옥내에 수용한다. 또한 설비 전체를 옥내에 수용하지 않고 애자 부분만 옥내수용을 고려하면 경제적이다. 설비를 옥내에 수용하는 경우 일반회로의 오손구분은 ‘경오손’을 적용한다.