피 뢰 기(避雷機)
피 뢰 기(避雷機)
1. 피뢰기 (Lightning arrester)
피뢰기란 뇌 또는 회로의 개폐 등에 기인하는 과전압의 파고치가 어떤 값을 초과하였을 경우 방전에 의해 과전압을 제한하여 전기시설의 절연을 보호하는 한편 속류를 단시간동안에 차단하여 계통의 정상상태를 무너뜨리지 않고 원상으로 스스로 복귀하는 기능을 가진 장치를 말한다. 전력계통에서 사용되는 피뢰기는 가공 송전선로용, 지중 송전선로용(절연통보호장치) 및 변전소용으로 구분되며, 특성요소의 성능에 따라 Gap형(SiC), Gapless형(ZnO)로 나뉜다.
1) 송전선로용 피뢰기
적당한 TLA을 적용하여, 아킹혼과 도체사이의 역섬락은 대부분 방지 될 수 있다. 낙뢰가 가공지선이나 철탑에 쳤을 때, 피뢰기와 아킹링 사이에 Sparkover 일어난다. ZnO 소자의 비선형특성에 의해, 아킹혼과 도체사이의 전압은 섬락이 일어나지 않을 정도로 제한된다. 도체쪽으로 흐르는 뇌격전류는 ZnO 특성에 의해 감소되며, 몇 ms안에 소멸된다.
2) 절연통 보호장치(지중 송전선로용)
케이블에 유입되는 각종 써지, 이상전압으로부터 케이블의 방식층 및 절연통을 보호하기 위하여 설치하는 장치이다
① ZnO 소자 ② Al 전극 ③ 하우징(EPDM 또는 Silicon) ④ 접시스프링 ⑤ 콘디스크
⑥ Winding(fiber glass 또는 epoxy glass) ⑦ 동봉
2. 갭(Gap) 유무에 따른 피뢰기 분류
속류를 최종적으로 차단하는 갭의 유무에 따라 Gap형과 Gapless형으로 나눌 수 있다.
이것은 특성요소의 비선형 전압-전류 특성에 따라 갭의 필요 무,유가 정해진다
1) Gap 형
Gapless 피뢰기 특성요소인 ZnO와 비교하여 비선형 특성이 다소 떨어지는 SiC를 보완하기 위해 직렬 Gap이 있는 형태로 낙뢰 침입시 Gap방전을 통해 뇌격전류를 대지로 방출하며 뇌격전류에 이어 흐르는 속류의 최종 차단도 Gap에 의해 이루어진다.
2) Gapless 형
어떠한 직․병렬 복합의 방전갭도 없이 직렬, 병렬, 또는 직․병렬로 조합된 비선형 저항을 가진 피뢰기를 말한다. 종래의 피뢰기는 모두 다 직렬갭과 특성요소로 구성되는 밸브 저항형 피뢰기였다. 그러나 근래 비선형성이 뛰어난 금속 산화물 저항체(ZnO)를 특성요소로 사용한 Gapless 피뢰기가 실용화되고 있다.
종래의 탄화규소(SiC) 특성요소로서는 정격전압에 상당 하는 전류값이 i 1 으로서 큰 값(보통 100A 전후)이 되고 직렬갭도 이 전류를 차단하지 않으면 안되지만 금속산화물 특성요소쪽의 전류는 거의 영이므로 직렬갭으로 선로대지 간을 절연할 필요가 없다. 따라서 단순히 금속산화물을 포개어 애관속에 봉입함으로써 GAPLESS 피뢰기를 구성할수 있다.
3) GAPLESS 피뢰기의 특징은 다음과 같다.
가. 방전갭이 없으므로
(1) 오손에 강하다(방전전압이 낮아지지 않는다).
(2) 기구가 간단하고 소형이므로 경량화 할 수 있다.
(3) 급준파응답이 이론적으로 뛰어나다.
나. 속류가 없으므로
(1) 다빈도동작에 견딘다.
(2) 속류에 따른 특성요소의 열화가 없다.
그러나 직렬갭이 없으므로 특성요소에는 항상 회로전압이 인가되어 있고, 특성요소의 열화가 바로 사고와 연결된다.
3. 정격전압 (Rated voltage)
피뢰기의 정격전압이란 그 전압을 선로단자와 접지단자에 인가한 상태에서 소정의 단위동작책무를 소정의 회수로 반복 수행할 수 있는 정격주파수의 상용주파전압최고 한도를 규정한 값(실효치)을 말한다.
4. 제한전압 (Discharge voltage)
피뢰기의 제한전압이란 피뢰기의 방전중 과전압이 제한 되어 양단자사이에 잔류하는 충격전압이며 방전전류의 파고치 및 파형에 의해 정하며 제한전압의 규정치는 파고치로 표시한다.
5. 방전전류 (Discharge current)
피뢰기의 방전전류란 피뢰기가 방전 중 이것에 흐르는 충격전류를 말하며 공칭방전전류(Nominal discharge current)란 피뢰기의 보호성능 및 자동복귀성능을 표현하기 위하여 쓰이는 방전전류의 규정치로 소정의 파고치와 파형을 갖는 뇌충격전류를 표시한다.
IEC 규격에서는 크게 두가지로 분류하고 있으며, 계통전압 420kV 이하계통에서는 일반적으로 10kA이면 충분한 것으로 나타나 있다 - 1kV ∼ 245kV : 5kA or 10kA - 245kV 이상 : 10kA or 20kA
6. 속류 (Follow current)
피뢰기의 속류란 방전현상이 실질적으로 끝난 후 계속 하여 전력계통에서 공급되어 피뢰기에 흐르는 전류를 말한다.
7. 방전내량
피뢰기가 방전했을때 피뢰기를 통해서 흐르는 전류가 너무 대전류이면, 그것만으로도 피뢰기는 파괴되며, 파괴 까지는 안 되어도 일정한도를 넘는 전류가 반복하여 흐르면 열화손상을 초래하게 된다. 이 한도를 방전내량이라 하며 임펄스 대전류 통전능력이라고도 한다. 피뢰기의 형식에 따라 발․변전소용, 배전선로용, 저압용의 순서가 된다.
8. 선로방전등급
피뢰기의 선로방전등급은 요구되는 피뢰기의 방전내량과 직접적인 관계를 갖고 있으며, 전력계통에 발생되는 개폐 및 뇌 써지에 대한 피뢰기 방전에너지가 피뢰기의 방전내량을 초과하지 않도록 해야 한다
선로방전등급
공칭전압 (kV) | 선로방전등급 |
765 345 154 23/22.9 | 등급 4 등급 3 등급 3 등급 1,2,3 |
피뢰기를 대전류 및 소전류로 시험했을때, 방전장치가 확실히 동작하여 용기폭발로 주위 기기에 손상을 주지 않는 것으로 A, B, D등급으로 나누며 시험전류 및 시간은 대략 [표]와 같다.
피뢰기 방압등급
방압 등급 | 피 뢰 기 | 대전류시험 | 대전류시험 | |||
공칭방전류 (A) | 정 격 전 압 (kV] | 전류A (r.m.s) | 계속시간 (sec) | 전류A (r.m.s) | 계속시간 (sec) | |
A | 10,000 | 288, 138 | 40,000 | 0.2 | 800 | 방압장치 작동시까지 |
B | 10,000 | 75, 24, 21, 12, 7.5 | 20,000 | 0.2 | 800 | |
C | 5,000 | 75, 24, 21, 12, 7.5 | 16,000 | 0.2 | 800 | |
10. 연속운전전압 (COV：Continuous Operating Voltage)
피뢰기 단자간에 연속적으로 인가할 수 있는 상용주파 전압의 실효값을 말한다.
11. 피뢰기의 연속전류 (Continuous current of an arrester)
연속운전전압을 인가했을 때 피뢰기를 통하여 흐르는 전류를 말하며, 연속전류는 비교 목적상 실효치나 파고값 으로 나타낸다.
12 .피뢰기의 기준전류 (Reference current of an arrester)
피뢰기의 기준전압을 결정하기 위한 상용주파전류의 저항성분 파고값(전류가 비대칭인 경우는 두 극성에서 나타 나는 파고값 중 더 큰 값)을 말하며. 기준전류는 피뢰기의 분할단위(균압시스템을 설치한 상태)의 측정 기준전압에서 표유정전용량을 무시할 수 있을 정도로 충분히 커야 하며, 제작자가 지정하여야 한다.
13. 피뢰기 누설전류 (Leakage current)
금속산화형 피뢰기의 절연열화는 저항성분의 누설전류, 또는 손실을 증가시킨다. 교류성분의 누설전류는 용량성과 저항성 두 가지로 나룰 수 있고, 용량성 누설전류는 비선형 금화금속저항의 유전율(Permittivity)에 의해 발생되며 대략치는 0.2mA∼0.3mA 정도이다. 용량성 누설전류치의 변화가 특성요소의 열화를 나타내는 것은 아니며, 용량성 성분의 누설전류가 특성요소의 열화를 나타낸다. 그 대략 치는 용량성 성분의 5%∼20%인 10μA∼600μA 정도이다
1) 피뢰기 누설전류 측정장치
피뢰기의 열화판정에는 기준전압, 방전잔류전압, 최대연 속사용전압에서의 전력측정, 절연저항측정 등이 있다. ZnO피뢰기 Gapless구조로 되어 있어 계통전원에 의한 미소누설전류가 상시 흐르기 때문에 시간의 경과에 따라 저항분 누설전류가 증가하지만, 이것만으로 열화의 정도를 판정하는 것은 정확도가 대단히 떨어지게 된다. 요컨 대, 열화에 의한 누설전류의 저항성 성분은 저항성 성분에 비하여 매우 적기 때문이다. 산화아연소자를 사용한 피뢰 기는 전압-전류 특성이 비선형이고 각 열화의 진행도 전체 적으로 비선형의 정도가 강한 경우에는 각상 절연체에 흐르는 교류전류의 파형이 왜곡되어 기본파성분 이외에도 3 차, 5차, 7차 등의 고조파 성분이 포함되어 있다. 이러한 고조파 성분의 함유율은 열화의 진행에 따라 증가한다. 따라서 현재 피뢰기의 건전성 여부의 판단은 일반적으로 누설 전류 값의 고조파 성분을 분석하는 방법이 사용되고 있다.
14. 피뢰기의 기준전압 (Reference voltage of an arrester)
기준전류를 얻기 위해 피뢰기 단자간에 가하는 상용주 파전압 파고값의 1/ 2이다. 다수의 분할단위로 구성된 피뢰기의 경우는 각각의 분할단위의 기준전압의 합으로 한다.
15. 피뢰기의 열폭주 (Thermal runaway of an srrester)
피뢰기의 지속된 전력손실이 외함과 접속부의 열방산능 력을 초과하여 저항소자의 온도를 누적 상승시켜 결국은 파손에 이르게 하는 현상을 말한다.
16. 피뢰기의 열적 안정성 (Thermal stability of an arrester)
온도상승을 유발하는 동작책무 후에, 지정된 연속운전 전압과 주위조건하에서 저항의 온도가 시간에 따라 낮아 지는 특성을 말한다.
17. 충격전압(Impulse voltage)
충격전압은 극성(Polarity), 파고치(Peak Value), 규약파 두시간(Virtual front time), 규약반파고시간(Virtual time to half value), 절단중의 규약전압 붕괴시간(Virtual time of Voltage Collapse during chopping)의 특성으로 규정되며 급속히 최대치까지 상승하고 영(零)치까지 하강하는 (상승시보다 좀 천천히) 이상적 비주기 과도전압을 전파 충격전압(full impulse voltage)이라 한다. 또한 전압을 실질적으로 영(零)치까지 돌연 붕괴시키는 파열방전에 의하여 차단된 전파충격전압으로부터 얻은 과도 전압을 절단 파충격전압(chopped impulse voltage)이라 한다.
18. 표준충격전압 (Standard impulse voltage)
표준충격이란 파두시간(파두장)이 1.2μs이고 반파고시 간(파미장)이 50μs인 전파충격 전압을 말하며 1.2/50μs로 표시한다. 미국에서는 1.5/40μs(1.5×40μs로도 표시), JEC (일본)에서는 1/40μs를, KS(한국), VDE(독일), BS(영국) 등에서는 IEC에 따라서 1.2/50μs를 표준으로 하고 있다.
19. 충격전류 (Impulse current)
충격전류는 파고치, 극성, 규약파두시간, 규약반파고시간의 특성으로 규정하며 급속히 최대치까지 상승하고 영(零) 치까지(상승시보다는 좀 천천히) 이상적 비주기 과도전류를 충격전류라 말한다. 구형충격전류는 급속히 최대치까지 상승한 후 소정기간중 실제적으로 일정치에 머문 다음 급속히 영치까지 하강한다. 또 표준충격전류(standard impulse current)는 두 가지의 표준충격전류가 사용되는데 그중 하나는 파두시간(또는 파두장)이 8μs이며 반파고시간(또는 파미장)이 20μs로서 8/20μs로 표시한다. 다른 하나는 파두 시간 4μs와 반파고시간 10μs이며 4/10μs로 표시한다.
20. 파열방전 (Disruptive discharge)
disruptive discharge란 전류의 통과와 전압의 붕괴를 포함한 전기적 Stress하에서 절연파괴에 관한 현상을 설명하기 위한 용어로서 고체, 액체 및 기체와 이 혼합물의 절연파괴에 적용한다
21. 임펄스 (Impulse)
큰 진동 없이 빨리 파고값에 도달한 후 조금은 덜 빠르
지만 반대 극성으로의 약간의 진동을 거쳐 영으로 떨어지는 단일방향의 전압, 또는 전류 파형을 말한다. 전압이나 전류 파형을 정의하는 파라미터는 극성, 파고값, 파두시간및 파미시간이다.
1) 임펄스모양의 호칭 (Designation of an impulse shape)
두 개의 숫자 조합으로 나타내며, 첫 숫자는 규약파두시 간(T 1 )이며, 두 번째 숫자는 규약파미시간(T 2 )이다. T 1 /T 2 로 ㎲ 단위로 나타내고, ‘/’의 수학적 의미는 없다.
22. 절연협조
1) 보호비(Protective ratio)
피뢰기의 보호 “레벨”과 피보호기기의 충격절연내력간의 협조는 시설물의 유효차폐 여부, 동일모선에 연결된 회선수, 제기기의 배치, 진입 “써지”의 특성 등 제요소에 관계되며, 이 문제는 원칙적으로 각 발․변전소에 대해서 개 별적인 검토를 요하는 것이다.
그러나 일반원칙은 피보호기기의 절연내력과 피뢰기의 “보호레벨”과의 비를 말하며, I.E.C Pub. No. 99 1A에 의하면 피보호기기의 충격절연내력과 “보호레벨”과의 최소 보호비는 1.2이다. (단, 피뢰기와 피보호기기의 접지는 연접시켜야 한다.) 대부분의 절연물은 표준전파 절연내력보다 높은 파고치의 단시간전압파고에 견딜수 있다. 일반적으로 유입변압 기의 유와 절연물의 절연내력은 3μs이내의 전압파고에 대해서는 전파 절연내력보다 15%이상 높다.
2) 보호레벨(impulse protective level)
규정조건하에서 피뢰기의 양단자간에 나타나는 충격전 압의 최대파고치를 보호level이라 한다. 보호레벨은 아래 값중의 최대치로 표시한다.(수치상으로)
가. 파두충격방전개시전압을 1.5로 제한 값.
나. 1.2/50μS 충격방전개시전압
다. 지정 방전전류에 대한 제한전압
23. 내전압 구분
1) 충격내전압(Impulse withstand voltage)
규정조건하에서 행한 시험에서 한 기기가 견디어야 할표준파형의 충격전압파고치를 말한다. 즉 BIL이라고도 하며 절연Level의 기준이 된다. 이 시험은 표준충격전압파형 (1.2×50μs)(단, 1.2 파두시간, 50 반파고시간)의 전압을 대지간에 정극성과 부극성을 각각 3회 인가해서 실시한다.
2) 상용주파내전압 (Power frequency withstand voltage)
규정조건하에서 행한 시험에서 한 기기가 견디어야 하는 상용주파전압의 실효치를 말한다. 이 시험은 옥내기기에 대해서는 건조상태에서 대지간에 1분간 인가하고, 옥외기기에 대해서는 다시 같은 전압을 주수상태에서 10sec 간 인가한다.
3) 피뢰기의 상용주파내전압-시간 특성
지정 조건하에서 손상이나 열적 불안정을 일으키지 않고 피뢰기에 가할 수 있는 상용주파전압에 대한 최대 지속시간을 나타낸 특성을 말한다.
24. 내부 균압시스템 (Internal grading system)
하나, 또는 여러 개의 비선형 금속산화물 저항에 병렬 접속되어, 금속산화물 저항련의 전압 분포를 제어하는 균압 임피이던스로, 특히 균압 커패시터를 나타낸다.
25. 균압환 (Grading ring)
피뢰기 길이방향의 전압분포를 정전적으로 변경하기 위하여 설치된 금속 부분으로, 보통 원형의 모양을 가진다.
26. 방압장치 (Pressure relief device of an arrester)
내부의 섬락, 또는 고장전류에 따른 피뢰기 외함의 폭발적 비산을 막기 위한 내부 압력 완화 장치이다.