[발송배전기술사] 피뢰기!

다음은 발송배전기술사 송전공학 문제 중 피뢰기에 대한 설명입니다.

개요, 피뢰기의 구비조건, 충격방전개시전압, 상용주파방전개시전압, 피뢰기 제한전압, 피뢰기 방전내량, 피뢰기 정격전압, 피뢰기 전압, 피뢰기 종류별 특성 비교 순으로 서술하겠습니다.

[문제] 피뢰기에 대하여 설명하시오.

[답]

1. 개요

  1) 피뢰기의 정의

    · 이상전압을 저감시켜서 기기를 보호하기 위한 설비기기

  2) 피뢰기의 동작책무

     (1) 피뢰기의 구성도

         ① 특성요소와 직렬갭을 갖추고 있다.

         ② 큰 방전전류 ↑  →  특성요소의 R값이 감소 ↓

              (방전 : 제한전압까지 저하  →  기기의 절연보호)

         ③ 낮은 방전전류 ↓  →  특성요소의 R값이 증가 ↑

              (직렬갭의 속류차단을 돕는다.)

     (2) 절연협조

         ① 이상전압시 즉시 방전해서 전압상승을 억제

         ② 절연강도를 낮출수 있는 특성

     (3) 속류차단능력

         · 이상전압이 없어져서 일정값 이하가 되면 즉시 방전을 정지해서 원래상태로 되돌아간다.

  3) 이상전압 방지대책(송전계통)

     (1) 피뢰기에 의한 기기보호

     (2) $Z_{n}O$ 소자를 폴리머애자에 내장한 송전용 피뢰기가 500[kV]급까지 개발되었으며, Gap Type과

          GaplessType 이 있다.

 

2. 피뢰기의 구비조건

  1) 충격방전개시전압이 낮을 것(Peak)

  2) 상용주파방전개시전압이 높을 것

  3) 방전내량이 크면서 제한전압이 낮을 것

  4) 속류 차단능력이 충분할 것

  5) 내구성이 크고, 경제적일 것

 

3. 충격방전개시전압(최대값)

  1) 정의

    · 피뢰기 단자간에 충격파 전압을 인가했을 때 방전을 개시하는 전압

  2) 표준충격파 전압 : $ 1.2×50[ \mu s]$

     (1) 파두장 전압 : 30[%] ~ 90[%] 시간의 1.67배

     (2) 파두장 전류 : 10[%] ~ 90[%] 시간의 1.25배

 

4. 상용주파방전개시전압(실효값) $=$ 피뢰기 정격전압 × 1.5배 이상

  · 충격비 $= \frac{충격방전개시전압(peak)}{상주파방전개시전압의 \,파고값(peak)}$

  1) 충격비가 낮아야 좋다.

  2) 충격방전개시전압이 낮아야 좋다.

  3) 상용주파방전개시전압의 파고값이 높아야 좋다.

 

5. 피뢰기 제한전압(Residual Voltage, Discharge Voltage)

  1) 정의

    · 방전 중 피뢰기 단자간에 걸리는 충격전압

  2) 변압기 절연강도 $>$ 피뢰기 제한전압 + 접지저항 전압강하

  3) 피뢰기 제한전압

     (1) 피뢰기 제한전압 유도

        · $ e_{a}   = e_{t}$             · $e_{i}   = e_{t} -e_{r}$             · $i_{i}   = i_{t} -i_{r}+i_{a}$

        · $ \frac{e_{i}}{Z_{1}}    = \frac{e_{t}}{Z_{2}} + \frac{e_{r}}{Z_{1}} +i_{a} = \frac{e_{t}}{Z_{2}} + \frac{e_{r}-e_{i}}{Z_{1}} +i_{a}$

        · $ \frac{Z_{2}·e_{i}}{Z_{1}·Z_{2}}    = \frac{Z_{1}·e_{t}}{Z_{1}·Z_{2}} + \frac{Z_{2}·e_{t}}{Z_{1}·Z_{2}} -\frac{Z_{2}·e_{i}}{Z_{1}·Z_{2}}+i_{a}$        · $ \frac{2Z_{2}·e_{i}}{Z_{1}·Z_{2}}    = \frac{(Z_{1}+Z_{2})·e_{t}}{Z_{1}·Z_{2}} +i_{a}$

        · $ e_{t}=(\frac{2Z_{2}·e_{i}}{Z_{1}·Z_{2}}-  i_{a}) \times  \frac{Z_{1}·Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}} =\frac{2Z_{2}·e_{i}}{Z_{1}+Z_{2}}-    \frac{Z_{1}·Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}} i_{a}=\frac{2Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}(e_{i}- \frac{Z_{1}}{2} i_{a})$

     (2) 전압투과계수 : $\gamma _{e} =\frac{2Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}$

     (3) 피뢰기가 없을 경우 P점의 전압

        · $e=\frac{2Z_{2}}{Z_{1}·Z_{2}}·e_{i}=\gamma _{e}·e_{i}$

     (4) 피뢰기 제한전압

        · $e_{a}=e_{t}=\frac{2Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}(e_{i}- \frac{1}{2} Z_{1}i_{a})$

    ※ 피뢰기 제한전압의 결정인자

      1) 원전압의 파형 및 파고치(원전압 : 피뢰기가 없을 경우 그점에 나타나는 전압)

      2) 피뢰기의 전압, 전류특성(방전특성)

      3) 선로 및 피보호기기 정수, 피뢰기와 피보호기기간의 거리

      4) 중성점 접지방식

 

6. 피뢰기 방전내량

  1) 정의

    · 피뢰기 방전전류 허용최대한도를 피뢰기 공칭방전내량이라 하며 파고값으로 나타낸다.

  2) 피뢰기 공칭방전내량

     (1) 10[kA] : 발전소, 154[kV] 이상 전력계통, 66[kV] 이상 변전소

     (2) 5[kA] : 66[kV] 이하 변전소, 3,000[kVA] 이하 뱅크

     (3) 2.5[kA] : 배전선로, 특고 수용가

 

7. 피뢰기 정격전압(상용주파 허용단자전압)

  1) 정의

    · 피뢰기에서 속류를 차단할 수 있는 상용주파 교류전압(실효값), 속류를 끊을수 있는 상용주파 지속성 이상전압의

      크기 이상 되어야 한다.

  2) 피뢰기 정격전압 결정시 고려사항

     (1) 계통에 발생하는 상용주파 지속성 이상전압

        ① 페란티효과

        ② 부하차단

        ③ 발전기 자기여자현상

        ④ 1선 지락시 건전상 전위상승

        ⑤ 기본파 철공진 이상전압

     (2) 피보호기기의 절연강도

     (3) 계통 전체에서의 절연협조

  3) 피뢰기 정격전압

    · $  E_{m}= \alpha\,  \beta \,    V_{m}[kV]$

     (1) $\alpha $ : 접지계수 $= \frac{고장중\,\,  건전상의\, \,  최대대지전압}{최대선간전압}$

        · 유효접지계수 : 0.65 ~ 0.8             · 비유효접지계수 : 0.8 ~ 

     (2) $\beta $ : 여유계수

        · 유효접지계수 : 1.1             · 비유효접지계수 : 1.15

     (3) $ V_{m}$ : 계통최고허용전압 $= \frac{공칭전압(선간전압)}{1.1}  \times 1.2$

        · 기준전압 $ = \frac{공칭전압(선간전압)}{1.1}$

        · 최고전압 = 기준전압 × 1.15

  4) 전압별 피뢰기 정격전압

전압[kV]	피뢰기 정격전압 $ E_{m}= \alpha\,  \beta \,    V_{m}[kV]$	선로전압기준 피뢰기 용량[%]	피보호기기와의 거리
345[kV]	$362 \times  \frac{1.2}{ \sqrt{3} }  \times 1.15=288[kV]$	80[%]	85[m]
154[kV]	$169 \times  \frac{1.3}{ \sqrt{3} }  \times 1.15=144[kV]$	85[%]	65[m]
22.9[kV]	21[kV] or 18[kV]		20[m]

  5) 설치장소

     (1) 가능한한 피보호기기에 근접해서 설치하는 것이 유효

     (2) 변압기의 전압 파고값 $e_{t}$

         · $e_{t}=e_{a}+ \frac{2Sl}{v} [kV]$  →  $l$ 이 작을수록 $e_{t}$도 작아짐

              · $e_{a}[kV]$ : 피뢰기 제한전압              · $S[kV/ \mu s]$ : 파두준도

              · $l[m]$ : 피뢰기와 피보호기기와의 거리              · $v[m/ \mu s]$ : 진행파의 전파속도

 

8. 피뢰기 전압

  1) 지속성 이상전압 ≤ 상용주파 허용단자전압(정격전압)

     (1) LA가 방전하여도 속류가 완전히 차단되어 원상복구한다는 보층치

     (2) 선간전압의 1.4배

  2) 간헐성 이상전압

     (1) 상규대지전압의 4배(선간전압의 2.3배)

     (2) 개폐 Surge가 일정기준치 이하의 경우에는 LA가 방전하지 말것

  3) 상용주파 방전개시전압(실효값)

    · 피뢰기 정격전압 × 1.5 이상

 

9. 피뢰기 Gap Type과 Gapless Type의 특성 비교

  1) Gapless Type의 피뢰기($Z_{n} O$)

     (1) 저항특성 우수

     (2) 특성요소로만 구성(직렬갭이 없음)

        ① 오손에 강하다. 방전전압이 낮아지지 않는다.

        ② 기구간단, 소형용량

        ③ 급준파 응답이 뛰어남

        ④ 특성요소에 항상 계통전압이 인가되어 열화 가능성이 있음

     (3) 속류 없음

        ① 다빈도 동작에 강하다.(견딤)

        ② 속류에 따른 특성요소의 열화는 없다.

     (4) 광범위한 방전전류값에 대하여 단자전압이 거의 일정하게 유지되는 특성이 있다.

  2) Gap Type의 피뢰기($S_{i} C$)

     (1) 직렬 Gap + 특성요소로 구성

     (2) 속류 발생

     (3) 열화발생 없음

 

 

 

오늘은 발송배전기술사 송전공학 문제로 나올 법한 피뢰기에 대하여 알아 보았습니다.