전력공학 3강. 중성점 접지와 이상전압

중성점을 땅에 붙일지 말지는 취향이 아니라, 무엇을 포기할지에 대한 결정입니다.

풀고 시작

무엇을 포기할 것인가

3상 계통의 중성점을 대지에 어떻게 이을지는 계통 설계의 큰 갈림길입니다. 정답이 없고 교환 관계만 있습니다.

직접 접지는 중성점을 도선으로 땅에 바로 잇습니다. 한 상이 땅에 닿아도 나머지 두 상(건전상)의 전위가 거의 오르지 않습니다. 그래서 절연 수준을 낮게 잡을 수 있고, 이는 초고압에서 결정적인 비용 절감입니다. 대신 지락 전류가 매우 큽니다. 차단기가 커야 하고, 옆을 지나는 통신선에 유도 장해를 일으키며, 사고 즉시 차단해야 하므로 정전이 잦아집니다.

비접지는 중성점을 띄웁니다. 지락 전류가 아주 작아 한 상이 땅에 닿아도 잠시 운전을 계속할 수 있습니다. 대신 건전상 전위가 √3배까지 올라 절연이 두터워야 하고, 간헐 아크 지락에서 이상전압이 크게 발생합니다. 저전압 소규모 계통에 씁니다.

저항 접지와 소호 리액터 접지는 그 사이 어딘가에 있습니다. 특히 소호 리액터는 대지 정전용량과 병렬 공진을 이루도록 리액터 값을 맞춰 지락 전류를 거의 0으로 만들어 아크를 스스로 끄게 합니다. 이름이 그래서 소호(消弧)입니다.

우리나라의 선택

154kV와 345kV 같은 초고압 계통이 직접 접지를 쓰는 이유는 절연 비용이 압도적이기 때문입니다. 전압이 높을수록 절연을 조금 낮추는 것의 값어치가 커지죠. 반대로 22.9kV 배전 계통은 다중 접지 방식을 쓰고, 공장 구내의 소규모 계통에서는 비접지도 여전히 쓰입니다.

정상보다 높은 전압이 나타날 때

정상 운전 전압을 넘는 전압을 이상전압이라 하고, 원인에 따라 둘로 나뉩니다.

외부 이상전압은 낙뢰입니다. 직접 때리는 직격뢰와 근처에 떨어져 유도되는 유도뢰가 있고, 지속 시간은 마이크로초 단위지만 크기가 수백 킬로볼트에 이릅니다.

내부 이상전압은 계통 스스로 만듭니다. 차단기 개폐, 무부하 선로 개방, 고장 발생과 제거 순간에 생기죠. 크기는 낙뢰보다 작지만 자주 일어납니다.

대책이 계층을 이룹니다. 가공지선은 송전선 위에 한 가닥 더 걸어 낙뢰를 대신 맞습니다. 우산 역할이죠. 피뢰기(LA) 는 이상전압이 오면 도통해 대지로 흘려보내고, 지나가면 다시 절연을 회복해 정상 전류(속류)를 끊습니다. 이 속류 차단 능력이 피뢰기의 핵심 성능입니다. 매설지선은 철탑의 접지저항을 낮춰 역섬락을 막습니다. 철탑 접지가 나쁘면 낙뢰 전류가 흘러 나가지 못해 철탑 쪽 전위가 치솟고, 거꾸로 전선으로 방전이 일어나기 때문입니다.

절연 협조는 이 모두를 계통 차원에서 맞추는 일입니다. 어느 기기가 먼저 견디고 어디서 방전할지를 미리 정해 두는 설계로, 피뢰기의 제한전압을 가장 낮게 두고 변압기의 절연을 그보다 높게 잡습니다. 사고가 나면 값싼 피뢰기가 먼저 움직이고 비싼 변압기는 살아남게 하려는 것입니다.

인출 문제

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