발·변전소 뇌해 대책-일본편

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 발·변전소 뇌해 대책 주부(中部)전력㈜_와타나베 다츠야(渡部達也) 아케다니 다케히코(明谷武彦) 개요 일본 전력계통은 도시부의 급격한 전력수요 증가와 전원의 원격화에 따라 규모가 확대되어 송전선·변전소가 고전압화되고 있다. 현재 500㎸를 최고 전압으로 하여 전력 기간계통을 구성하고 있다. 내뢰설계 측면에서는 산화아연 피뢰기 개발로 인해 보호 성능이 한층 향상되고 GIS(Gas Insulated Switchgear, 가스절연 개폐장치)의 적용 확대에 편승하여, 피뢰기가 발·변전소의 내뢰 대책 중요 요소로 공헌해 왔다. 제한 전압이 줄어든 산화아연 피뢰기를 적절한 개소에 적용시킴으로써 계통 과전압을 효과적으로 억제시키고 발·변전설비 절연 레벨을 저감하여 종합적인 경제성을 추구하고 있다. 또한 디지털 해석 기술에 의한 과전압 해석에 따라, 보다 상세하게 내뢰설계를 검토할 수 있게 됐다. 이런 기술 배경으로 인해, 코스트 저감 효과가 큰 275㎸, 500㎸을 대상으로 한 발·변전기기 절연 합리화는 전력 공급 코스트를 줄이는 효과를 보이고 있다. 본고에서는 발·변전소에 발생하는 뇌과전압(雷過電壓) 대책에 대해 설명한다. 뇌과전압에 대한 절연협조 1. 발·변전소에서 고려해야 할 뇌과전압 뇌과전압은 전력계통에서 뇌격 시 발생하는 수 ㎲ 오더 서지성 과전압이다. 발·변전소에서 발생하는 뇌과전압은 발·변전소 구내로 떨어진 직격뢰에 의한 것과 송전선에서부터의 침입뢰에 의한 것으로 분류된다. ⑴ 발·변전소 구내로의 직격뢰 직격뢰는 기기에 있어 가장 가혹한 데다 피뢰기에 의한 보호도 어렵기 때문에, 발·변전소로 떨어지는 직격뢰를 피하기 위해 가공지선을 이용한 완전 차폐가 이루어지고 있다. ⑵ 송전선에서의 침입뢰 송전선에는 가공지선을 설치하여 직격뢰를 방지해 왔다. 하지만 가공지선에 낙뢰가 직격하면 철탑 전위가 상승하고 설계 절연 강도를 초과하여 역 플래시 오버로 선로에 침입한다. 발·변전소 가까이에 떨어진 송전선로 뇌격은 뇌격점과 발·변전소와의 서지 왕복 반사에 의해 발·변전소에 침입하는 뇌과전압이 증폭된다. 특히 발·변전소 부근 제1철탑으로의 뇌격은 파고치, 파두준도(波頭峻度)가 매우 심하다. 2. 발·변전소 내뢰설계 발·변전소 기기는 내부 절연기기이기 때문에 계통에서 발생하는 과전압에 의한 사고를 발생시키지 않는 것을 기본으로 기기 절연 레벨을 선정한다. 발·변전소 구내는 가공지선에 의해 완전 차폐되어 있기 때문에 직격뢰는 고려하지 않고 송전철탑에서 역 플래시 오버하여 전력선을 통해 침입하는 뇌과전압을 고려한다. 실제 설계에서는 전압 계급에 따른 상정 뇌격 전류값을 설정하는데 발·변전소 사고율이 목표 사고율 이하가 되도록 한다. 발·변전소는 이 상정 뇌격 전류값에서 제1철탑에 떨어진 뇌격·역 플래시 오버에 의한 침입에 견디도록 설계된다. 발생하는 뇌과전압을 예측하고 피뢰기를 적절하게 배치함으로써 효과적으로 뇌과전압을 억제하여 적절한 절연 레벨을 선정한다. ⑴ 기중절연 발·변전소에서 절연협조 기중절연 발·변전소의 내뢰설계는 주요 기기인 변압기를 중점으로 고려해 피뢰기는 가능한 한 변압기 가까이에 설치한다. 이 경우 선로 인입구 주변 기기는 선로 측 차단기 개방 시 피뢰기의 보호 범위 안에 포함되지 않기 때문에 인입구에 피뢰 장치를 설치한다. 기존에는 주로 인입구에 기중 갭을 설치하는 것이 보통이었지만, 가스절연 기기와 협조가 이루어지지 않으므로 지금은 피뢰기를 적용한다. ⑵ 가스절연 발·변전소에서 절연협조 가스절연 발·변전소는 기중절연 발전소에 비해 모선 확대가 작아 GIS 그 자체를 보호해야 하므로, 피뢰기를 인입구에 설치하여 GIS와 변압기를 모두 보호하도록 한다. 필요에 따라 변압기 부근에도 설치한다. ⑶ 변전기기 내뢰설계 변압기에 낙뢰로 인한 서지가 침입한 경우 권선 내부에 전위 진동이 발생한다. 권선의 대지정전보다 코일 간이나 턴 간 직렬 정전용량이 적다면 전위 진동폭이 커지기 때문에 권선이 절연 파괴를 일으킬 염려가 있다. 전위 진동 억제 방법으로 권선 직렬 정전용량을 크게 하거나 정전 차폐를 실시한다. 기기와 접속되는 제어 케이블에는 서지 영향을 고려하여 동테이프 실드 부착 케이블을 사용해 제어 회로로의 유도를 억제한다. 3. 발·변전기기의 낙뢰 인펄스 내전압 발·변전기기의 뇌전압은 JEC-0102-1994 ‘시험전압표준’에 규정된 표준 시험 전압에 따른다. 이 시험 전압은 표준적인 발·변전소 형태에서의 과전압 해석 결과에 기초하여 정해진다. 따라서 규정된 내전압 시험에 합격한 기기를 사용하는 발·변전소에서는 특이한 경우를 제외하고는 적절한 내뢰설계가 실시된다. 실제로 송전설비, 발·변전소 형태는 여러 가지이므로 과전압을 해석 예측하여 시험 전압값 이하가 되는 것을 확인하고 있다. JEC-0102에서 새롭게 규정된 낙뢰 인펄스 내전압의 저감 시험 전압값은 제한 전압이 저감된 JEC-2372-1995 가스절연 탱크형 피뢰기를 설치한 경우에 주로 적용된다. 저감 시험 전압값을 도입한 전압 계급을 대상으로 한 적용 예를 <표 1>에 나타냈다. 4. 뇌과전압 예측 제한 전압 저감 피뢰기 발생과 함께 절연 합리화에 크게 공헌한 것이 과전압 해석기술의 향상이다. 디지털 시뮬레이션, 대규모 범용 전력계통 과도해석 프로그램인 EMTP(Electro-Magnetic Transients Program)에 의해 정밀도가 높아지고 과전압 해석이 쉬워졌다. 발·변전소 내뢰설계에서는 EMTP를 이용하여 뇌과전압을 예측하고 절연협조를 검토한다. <그림 1>에는 EMTP에 의한 발·변전소 뇌과전압 해석 순서를, <표 2>에는 JEC-0102-1994에서 사용되는 표준적인 모델을 나타냈다. 500㎸·275㎸ 변전소 내뢰설계 적용 예 위에서 언급한 바와 같이 275㎸, 500㎸ 등의 유효 접지계에서는 저감 낙뢰 인펄스 시험 전압값이 설정되어 있기 때문에, 변전기기의 절연 합리화로 코스트 저감을 추구하는 내뢰설계를 실시하고 있다. 1. 500㎸ GIS 변전소의 내뢰설계 예 일본 주부(中部)전력은 최근 설계한 500㎸ 변전소에서 EMTP 해석을 실행하고 제한 전압 저감 피뢰기를 적절하게 배치하여 GIS 낙뢰 인펄스 내전압(LIWV)을 기존 1550㎸에서 1425㎸으로 저감시켰다. 이에 따라 온도 상승 사양 합리화와 함께 500㎸ GIS 콤팩트화를 실현하여 변전소 건설 코스트 절감에 공헌했다. 2. 275㎸ GIS 변전소의 내뢰설계 예 275㎸ 변전소에서도 500㎸와 마찬가지로 기기의 LIWV를 기존 1050㎸에서 950㎸로 저감시켰다. 최근 설계 예에서는 제1철탑보다 높은 제2철탑이 있었기 때문에 제2철탑을 뇌격 철탑으로 한 경우도 해석하여 피뢰기 배치에 반영했다. 해석 조건의 평가 예를 <표 3>으로 나타냈다. 제1철탑 뇌격 조건에서는 변압기 1차 측에 피뢰기를 설치하지 않고도 발생 과전압의 LIWV 절대값 과 V-t를 평가한 결과, 저감 LIWV 950㎸가 적용 가능해졌다. 그러나 제2철탑 뇌격 조건에서는 V-t평가 결과 LIWV 950㎸ 적용은 불가능했다. 따라서 변압기 1차 측에도 피뢰기를 설치한 후 다시 과전압을 평가해 보니, LIWV 950㎸이 적용 가능해져 저감 절연 레벨을 달성할 수 있었다. 기중절연 변전소의 내뢰설계 기술 향상 방법 500㎸ 계통이 도입됐을 무렵 기중절연 변전소에 설치된 500㎸ 기기는 노후가 진행되고 있어 머지않아 대체될 것으로 예측했다. 저감 LIWV 기기로 대체할 수 있으면 코스트 저감을 기대할 수 있다. 1. 기중 모선 모델의 고(高)정밀도 검토 기중절연 변전소에서 EMTP를 이용한 뇌 서지 해석에서 기중 모선은 기존 단상 분포정수회로(모선 간 상호 결합 무시. 회로정수는 전압 계급 및 모선의 선 종류나 사이즈에 관계없이 일률적으로 표준 정수를 사용)에서 모의된다. 일반적으로 이 해석으로 얻을 수 있는 뇌과전압은 실제 낙뢰 시와 비교하면 높게 계산되어 절연 레벨이 과승(過乘)됐을 가능성이 있다. 따라서 삼상 모선을 실제 배치에 기초하여 다상 분포정수회수에서 모의함으로써 EMTP 해석의 정밀도 향상을 검토했다. 기중 모선의 다상 분포정수회로 모의 이미지를 <그림 2>로 나타냈다.

[그림 2] 기중 모선 다상 분포정수 회로 모의 [그림 3] EMTP에 의한 뇌 서지 전압 파형 계산 결과

기중절연 변전소 모델에서 뇌 서지 해석을 실시했을 때의 인가상 전압 파형 예를 <그림 3>으로 나타냈다. 모선을 다상 모의했을 때의 과전압은 전반적으로 단상 모의에 비해 작았다. 표준정수를 사용한 단상 모의에 있어 이번 방법은 모선을 실제 배치에 기초하여 모의한 것과 모선의 상호 임피던스를 고려한 것으로, 서지 임피던스가 작아져 진행파 전압 역시 낮아졌다. 2. 축소 모델에 의한 측정 EMTP 해석 모델 타당성을 확인하기 위해 기중절연 변전소 1/10모델을 만들어 펄스 입력 시 모선 각 부에 발생한 전압을 측정했다.(<그림 4> 참조) 측정과 함께 EMTP 및 FDTD법(Finite Difference Time Domain법, 시간영역 유한차분법)으로 해석하여 측정 결과와 비교, 해석 모델의 타당성을 검토했다. 측정 결과와 FDTD법 및 EMTP에 의한 해석 결과 일례를 <그림 5>로 나타냈다. 해석 결과(FETD법·EMTP)는 측정 결과(파고치·반사 시간)와 거의 비슷하게 재현된다. 또 모선의 다상 구조를 고려함으로써 유도상 전압을 정밀하게 추정할 수 있어 서지 특성을 정확하게 파악하기에 효과적이었다.

[그림 4] 기중절연 변전소 축소 모델 [그림 5] 측정 결과와 해석 결과의 접압 파형 예

그 결과 기중 모선에 발생하는 과전압은 기존 단상 모의 해석으로 얻은 과전압에 비해 낮다는 것을 확인할 수 있어, 기중 변전소의 절연 레벨이 저감될 것으로 예상할 수 있었다. 제한 전압 저감 피뢰기를 적용하여 다시 절연 레벨이 낮아질 가능성이 있다. 마무리 이상으로 발·변전소 내뢰설계에 대해서 설명했다. 발·변전소 내뢰설계는 피뢰기 특성, 해석기술에 따른 것이 많지만, 유효 접지계에서는 발·변전소 절연 레벨을 저감시킬 수 있어 경제적인 설계가 가능해졌다. 내뢰설계 기술 향상에 의해, 향후 다시 절연협조 합리화가 진행될 가능성이 있다.