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[알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술 ⑧] 알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술

김대근 기자
입력 2014.01.06 00:00

[알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술 ⑧]
알기 쉬운 뇌대책의 기본 및 기술

피뢰기의 설치 및 뇌보호 효과

피뢰기가 설치되어 있지 않은 배전선의 유도뢰 서지 U(㎸)가 피뢰기를 설치하였을 때, 그 설치지점에서 거리 d마큼 떨어진 곳에서 V50(㎸)로 억제됨을 식 (1)에 나타내었다.

여기에서

Z: 선로도체의 서지임피던스( Ω)

RAR: 피뢰기의 접지저항( Ω)

d: 피뢰기 설치 전주로부터의 거리(m)

c: 서지의 진행속도, 300m/μs

tf: 유도뢰 서지의 파두장(μs)

Ea: 피뢰기 제한전압(㎸)

식(1)로부터 피뢰기의 설치지점 및 설치지점으로부터 멀리 떨어진 곳의 유도뢰 전압을 계산하여 <그림 1>에 나타내었다. 피뢰기의 접지저항을 10Ω, 유도뢰 서지를 300㎸ 그리고 전기설비의 절연강도를 60㎸로 한 경우, 피뢰기의 보호거리는 대략 50m 였다. 그러나 뇌서지와 같은 진행파는 서지임피던스의 변이점에서는 반사형상을 일의키기 때문에, 가공선에 케이블이 접속되어 있는 선로에서는 이 점을 고려하지 않으면 안 된다. <그림 2>의 좌측에서 e1의 전압이 침입하여 P점에서 e1인 반사파와 e2인 투과파가 발생했다면 투과파 e2는 식(2)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서
Z1, Z2: 전선로의 서지임피던스, e1 :침입파의 전압값, e2: 접속점의 전압값

선로의 말단에서는 Z2가 매우 높은 값이 되는데다 반사현상도 나타나기 때문에 e2는 e1의 거의 2배인 값이 된다. 가공선의 서지임피던스는 대략 300Ω인데 반하여 케이블의 서지임피던스는 20~30Ω이기 때문에, 인입용 케이블이 접속되어있다면 케이블로 침투되어 전압은 침입파의 10~20% 정도이다. 그러나 이 전압이 선로말단과 가공선의 접속점 사이에서 왕복반사를 반복하면서 상승한다.

<그림 3>은 피뢰기의 설치개소와 케이블 전압의 상관관계를 계산하여 나타낸 것이다. 배전선의 서지임피던스를 400Ω 그리고 케이블의 서지임피던스를 30Ω으로 하였다. 케이블의 말단은 변압기에 접속되어 있으며 변압기의 저항은 1MΩ이다. 피뢰기는 갭형(V2.5㎄=20㎸)으로 방전개시전압은 30㎸이다. 피뢰기의 접지선은 인덕턴스와 저항으로 표현하면 각각 10μH, 10Ω이다. 케이블의 길이를 파라미터로 하여 1㎞ 떨어진 곳에서 파형 1.2/50μs 파고치 300kv의 서지가 침입한 경우에 발생하는 케이블 양단의 전압을 계산해 보았다. 피뢰기의 설치개소는 케이블을 기준으로 각각 뇌서지의 침입부, 말단 및 양쪽의 세가지로 상정하였다. <그림 3>을 보면 케이블이 짧은 경우, 뇌서지의 침입부 또는 케이블의 말단 어느 한쪽에만 피뢰기를 설치하는것은 ea, eb가 전기설비의 절연레벨인 60kv보다 높아지기 때문에 뇌해의 위험성이 높아진다. 이처럼 뇌서지의 침입부, 즉 구내 제1호 전주에 피뢰기를 설치하는 것으로는 뇌해 대책으로써 불충분함을 알 수 있다. 계산과 실제는 침입해 오는 뇌서지의 크기, 파형 및 피뢰기의 접지저항 등 여러 조건이 달라지겠지만 여기에서는 피뢰기의 설치위치와 케이블의 양단에 발생하는 전압의 관계에만 주목했으면 한다. 자가용 전기설비의 경우, 배전선에서 자가용 전기설비로의 인입선이 10m 정도라면 전회에 기술한 바와 같이 배전선에 설치되어 있는 피뢰기의 보호범위 안이기 때문에 구내 제1호 전주의 피뢰기를 생략하는 경우가 있다. 그러나 뇌서지의 케이블 내 왕복 반사로 인한 전압상승, 선로 단말에서의 반사 그리고 낮은 접지를 확보하기 힘든 토양이 있다는 점 등을 고려한다면 배전선의 피뢰기 설치개소에서 구내 제1호 전주까지의 거리가 50m 이내인 경우에도 구내 제1호 전주의 개폐기에 피뢰기를 설치하는 것이 바람직하다.

계폐기의 뇌해 대책

구내 제1호 전주에 설치한 개폐기는 일반적인 지락트립형 구분개폐기(이하 GR장착 PAS라 함). 전류축세(蓄勢) 트립장착 지락트립형 구분개폐기(이하 SOG장착PAS라 함) 외에 피뢰기 및 계기용 변성기(이하 VT라 함)를 내장시킨 기종이 있다. 그 중에서 뇌해 대책시 주의를 요하는 GR장착PAS와 SOG장착PAS피뢰기를 외부에 설치하는 경우에 유의점에 대해 설명하고자 한다. GR장착PAS 및 SOG장착PAS(이하 대표로 GR장착PAS로 표현)는 제어장치에 전자회로가 내장되어 있다. GR장착PAS의 외부에 피뢰기를 부착하여 피뢰기 접지와 PAS 외함의 접지를 <그림 4>와 같이 공동으로 사용하는 경우, 피뢰기가 동작하면 Ea의 전위상승으로 인해 PAS 외함의 전위는 Vp까지 상승한다. 제어장치는 큐비클 전원의 B종접지와 접속되어 있으므로 PAS 외함과 제어회로 사이에 Vp의 전위가 발생하여 PAS 외함과 제어회로 사이에 방전으로 인한 파손이 발생하는 경우가 있다. 한편 뇌서지가 건물 쪽으로부터 침입한 경우, 건물 피뢰침 뇌격으로 인해 건물 전체의 전위가 상승해 제어장치의 전원 계통으로부터 뇌서지 전류가 침입한다. 이로 인해 GR장착PAS의 제어장치쪽으로 뇌격시에 생기는 각종 접지 전위차가 침입해 패해가 발생한다. GR장착PAS의 외부에 피뢰기를 부착하는 경우, 피뢰기의 접지와 GR장착PAS 의외함 접지를 각각 단독 접지하여 접지극을 1m 이상 이격시키고 <그림 5>와 같이 제어장치의 전원은 내뢰변압기를 장착하여 전원의 B종접지와 분리시켜야 한다. 또한 피뢰기의 접지와 PAS 외함의 접지도 공통으로 사용하여 1점 접지하는 것이 바람직하다. 제어장치로부터 다른 신호선이 나와 있다면 신호선의 수신부에서 전위차가 발생하므로 내뢰변압기 및 신호용 SPD를 설치해 보호해야 한다. 그리고 저압 전원회로에도 동일한 대책을 세워야 한다는 점을 항상 유의해야 한다. 최근의 GR장착 PAS에서는 제어장치 안에 피뢰소자를 내장시키는 등 제어부에 대한 내뢰 대책이 세워져있기 때문에 접지를 공용시키는 것이 가능한 경우도 있다. 또한 VT·내뢰소자 내장형 GR장착PAS는 개폐기 외함을 공용 접지하는 것이 가능하기 때문에 내뢰소자가 방전하여 접지전위가 상승하여도 피뢰기와 개폐기 본체, 제어장치는 전위차를 유지하기 때문에 뇌해 방지가 가능하다.