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[해외기술특집] 순시전압 저하 현상
2009-03-04

순시전압 저하 현상
▣ 순시전압 저하란?지금까지 전기의 질이라고 하면 전력의 도절(途絶) 즉, 정전을 가리키는 일이 많았다. 정전의 빈도 및 그 시간에 관한 신뢰도(Reliability) 문제에 있어, 일본은 계통 형성 · 계통 운용 · 보호 릴레이 등의 기술을 개발 적용하여 최고 수준의 신뢰도를 가진 전력 네트워크를 실현해 왔다.이에 대해 최근, 전력 품질(Quality)에 관한 문제가 주목 받고 있다. 이처럼 전력 품질이 관심 받게 된 배경으로는 환경에 대한 인식이 높아지는 가운데 태양광발전, 풍력발전, 코제너레이션 등의 분산형 전원이 보급됨과 동시에 파워일렉트로닉스 기기도입 확대 등으로 부하기기도 다양해져 전력 네트워크가 복잡해지고 있기 때문이다. 교류전력의 품질이 좋은 상태라는 것은 전압 진폭 및 주파수, 위상에 혼란이 없고 원활한 정현파 상태의 파형이 유지되고 있음을 나타내며, 전력 품질 문제에 포함되는 구체적인 현상으로는 순시전압 저하, 고주파, 플리커, 전압 불평형 등을 열거할 수 있다.이 중 순시전압 저하(이하 순저)는 말 그대로 순시적으로 전압이 저하되는 것을 말하는데, 그 대부분은 낙뢰 등의 자연 현상에 의한 것이다. 송전선으로의 낙뢰 등에 의해 전력 네트워크에 지락 등 이상현상이 발생한 경우에는 보호 릴레이가 그 이상 현상을 검출하여 송전선의 양 끝에 있는 차단기를 개방하여 이상 현상을 제거한다. 현재의 전력 네트워크에서는 낙뢰 발생부터 이상 현상 제거까지 수십 msec부터 2sec 이하 정도의 단시간에 이루어지는데, 그동안에는 이상 발생점까지의 거리에 대응한 전압 저하를 피할 수 없다.최근에는 정보 · 제어 기술의 진전에 의해 일렉트로닉스를 이용한 기기 및 시스템이 산업용에서 일반 가정까지 폭넓게 보급되어 순시전압 저하가 초래되는 컴퓨터 및 설비 등으로의 영향이 문제가 되고 있다.일본은 1980년대부터 자원에너지청이 주도한 연구회 및 간담회에서 순저 문제를 다뤄 왔다. 여기에서 현실적으로 불가피한 현상인 순저의 영향을 방지하기 위해서는 수요가 측에서의 대책이 합리적이고, 전력 공급자 · 기기 제조업체 · 행정부가 하나가 되어 기술적 검토를 진행하는 것이 매우 중요하다는 의견을 내놓았다. 그 후 순저의 지역별 발생 빈도 및 파급 범위 등의 조사와 함께 대책 기술 개발 및 대책 장치의 도입이 진행되고 있다.▣ 순시전압 저하와 정전의 차이점일본 공업 규격 JIS C 61000-4-11에서는 순저개념을 ‘전압 디프’라고 하는 용어로 정의하고 있는데, 이는 ‘전력 계통인 지점에서의 반주기에서 몇 초 동안 계속되는 돌연한 전압 저하’를 뜻한다. 마찬가지로 이 규격에서 정의한 ‘단시간 정전’의 의미는 한마디로 ‘1분을 넘지 않는 공급전압 소실’을 말한다.후자의 단시간 정전은 순시 정전 즉, ‘ 순정(瞬停)’이라고 부르기도 하며 순저로 오인하기 쉽다. 단기간 정전은 부하 측 전압이 0이 되는 현상(<그림 1> 참조)으로, 순저와는 발생 메커니즘이 달라 대응책도 다르다.
▣ 순시전압 저하의 발생 메커니즘전력 네트워크는 다수의 발전기, 송전선, 차단기등으로 구성되는데, 그 개략적인 구성을 나타내면 <그림 2>와 같다.순저 문제의 대부분은 ① 낙뢰 발생 → ② 송전선으로 낙뢰 → ③ 송전선에 지락 등의 이상 발생 → 순저 발생 → 수요가 기기로 영향 파급이라는 순서로 일어난다.이에 반해 전력 네트워크에서는 <그림 3>과 같이, ③ 송전선에 지락 등의 이상 발생 → ④ 보호 릴레이가 이상 검출 → ⑤ 송전선 양끝 차단기를 개방하여 사고 제거 → ⑥ 아크 소멸 후에 송전선을 재폐로하는 자동 시퀀스가 동작한다.
순저의 영향을 최소한으로 억제하기 위해서는 ③~⑤의 사고 제거 시간을 줄이는 것이 효과적이며, 이것은 동시에 네트워크로 동기를 잡으며 운전하고 있는 발전기의 안정도를 유지하는 것으로 이어진다. 그래서 기존보다 보호 릴레이의 처리 및 차단기 동작의 고속화가 이루어지고 있어 275㎸, 500㎸ 등의 초고압 계통에서는 이상 발생 후 70msec 정도에서의 사고 제거가 가능하다.더욱이 송전선은 단일 사고가 발생해도 공급에 지장을 주지 않도록 2회선 이상 구성하는 것이 일반적이기 때문에, ⑤~⑥의 사이에는 건전 측(<그림 3> ⒝에서 하측) 회선이 송전을 분담하게 된다.이 ⑤~⑥의 시간을 ‘재폐로 시간’이라고 한다. 전압 계급에 따라 다른 소(消) 이온 시간으로 결정되며 초고압 계통에서는 1초 전후다. 재폐로를 행하는 이유는 낙뢰 사고는 일시적인 절연 파괴에 의한 것이므로, 아크 전류가 소멸되면 절연 기능이 회복되어 다시 송전선을 사용할 수 있는 가능성이 높기 때문이다.순저의 영향 정도를 좌우하는 요소는 지속 시간과 전압 저하 레벨이다. 지속 시간은 ③~⑤에 의해 결정되는 수십 msec에서 2sec 정도 이하인 경우가 대부분이며, 전압 저하 레벨은 사고점(낙뢰 지점)과의 근접 정도로 정해진다. 즉, 사고점에 가까워지면 큰 전압 저하가 발생하며 충분히 멀어지면 조금만 받아들이게 된다.▣ 순시전압 저하의 발생 실태일본 전기협동연구회 ‘배전계통에서의 전력품질현황과 대응 기술’(2005년 3월)에는 2003년 6월부터 2004년 3월에 걸쳐 일본 전역에서의 102곳을 대상으로 실시된 전력 품질 현황에 관한 계통적 조사 결과가 상세히 보고되어 있으며, 순저 발생 실태에 대해서도 기록되어 있다.
이에 따르면, 순저의 발생 횟수는 전국 평균해서 1년간 1군데당 9.1회였다. 단, <그림 4>와 같이 10회 이상 발생하고 있는 곳이 있는 반면, 전혀 발생하지 않는 곳이 55%로 반수 이상을 차지하는 등 지리적으로 큰 불균질이 있음을 알 수 있었다.또 발생 원인은 전체의 78%가 특별 고압 · 초고압 네트워크 사고에 의한 것으로, 나머지 22%는 고압 배전선의 사고 및 부하 급변 등인 것으로 보고됐다.발생 시기는 <그림 5>와같이 8월 및 2월에 전체의 40%가 집중돼 있기 때문에 낙뢰 및 태풍, 눈 등 자연 현상에 의한 영향을 크게 받는 것으로 추측된다.더욱이 순저 발생 양상을 보면, 지속 시간에서는 250msec 이하가 전체의 90% 이상이며 잔존 전압에서는 68~90%의 범위가 80%라는 결과를 알 수 있었다. 또한 조합된 것 중 가장 많은 것은 지속 시간이 100msec 이하인 데다 잔존 전압이 80~90%로, 전체의 반수 이상을 차지하고 있다.(<그림6>참조)
▣ 순시전압 저하에 의한 부하 기기에의 영향일본 전기협동연구회 ‘순시전압 저하 대책’(1990년 7월)에는 순저 발생이 부하기기에 초래하는 영향에 대해서 <그림 7>과 같은 조사 결과가 보고됐다.기존부터 순저에 의해 부하기기가 오동작 및 정지되는 등 영향을 받고 있는 예로 컴퓨터가 알려져 있는데, 그에 따라 UPS(무정전 전원 장치) 등의 백업전원의 필요성이 지적되어 왔다. 이와 함께 최근에는 일렉트로닉스를 이용한 기기가 산업용으로도 폭넓게 보급되어 있기 때문에, 공장 내 릴레이가 동작하여 생산설비가 정지하는 사례가 보고 된 경우도 있다.
아래에 순저에 의한 부하 기기로의 영향 사례를 설명한다.⑴ 컴퓨터사무용뿐 아니라 프로세스 제어용 및 IC에 설치한 NC(수치 제어) 공작기 등의 컴퓨터가 순저에 의해 정지하는 경우가 있다. 한번 정지하면 생산 라인에 혼란을 가져와 재스타트에 시간을 요하는 경우도 있다.⑵ 마그네트 스위치(전자개폐기)를 사용하는 모터공장에서 사용되는 모터류는 플랜트 및 시스템의 운전 상태 변화에 대응해 운전 · 정지를 요구받는 경우가 많아, 일반적으로 마그네트 스위치가 사용되고 있다. 이 마그네트 스위치는 여자에 의해 폐로되어 유지되지만, 래치형 및 지연 석방형 등의 대책품이 아닌 경우 여자 전압이 떨어지면 개방되어 모터로의 전원이 끊겨 정지되기에 이른다. 또 그 후 다수의 모터를 일제히 재시동하게 되면 시동 전류에 의해 큰 전압 저하를 초래하는 것이 있기 때문에 배려가 필요하다.⑶ 파워일렉트로닉스를 응용한 가변속 모터인버터 등 파워일렉트로닉스 기술을 응용한 가변속 구동 장치는 에너지 절감화를 목적으로 산업용으로 폭넓게 채용되고 있다. 인버터와 모터의 조합에는 여러 가지가 있는데, 순저가 발생한 경우에는 내부 스위칭 소자를 보호하기 위해 정지하는 경우가 있다.⑷ 부족 전압 릴레이(계전기)전압 저하가 계속되면 모터가 과부하되어 권선이 소손될 가능성이 있다. 이것을 방지하기 위해 부족 전압 릴레이가 사용되고 있지만, 정정(整定)에 의해 필요 이상으로 감도가 너무 높아져 불필요 동작을 일으키는 것이 있다.⑸ HID 램프(고휘도 방전 램프)HID 램프에서는 고압 증기의 아크 방전을 이용하기 때문에 순저가 발생하면 방전이 계속되지 않고 소멸되는 것이 있다. 이 소멸은 시간이 지남에 따라 자주 발생하게 된다. 또 일단 소등되면 설사 전원이 복귀돼도 램프가 냉각되어 내부 증기압이 충분히 저하되기까지 수십 분 정도의 재점등 시간을 필요로 하는 경우가 있다.이상과 같이 전압 변동에 민감한 부하기기는 앞으로도 증가할 것으로 보인다.▣ 전력설비에서의 낙뢰 대책송전, 변전, 배전 등의 기능을 분담하는 전력 유통설비는 옥외에 설치되는 경우가 많아 뇌해 및 설해, 염해와 같은 자연 현상을 받기 쉽다. 전력 안전 공급및 품질 유지를 위해 전력 회사는 지금까지 여러 가지 대책을 진행해 왔다.여기에서는 발생 빈도가 높은 뇌해에 대한 설비 대책 사례를 소개한다.1. 송전설비 낙뢰 대책송전설비에서 낙뢰 대책의 대표적 사례는 가공지선 설치다.(<그림 8> 참조)
전력선보다도 상부에 가공지선을 넓혀 차폐함으로써 전력선에의 낙뢰 직격을 방지하고 있다. 전압계급이 높은 대형 설비에서는 차폐 성공률을 높이기 때문에 가공지선을 2조(2条)화하는 경우도 많다.보통 가공지선에 떨어진 낙뢰 전류는 철탑의 탑각접지 저항을 거쳐 대지로 유입되므로 전력선에 영향을 주지는 않지만, 큰 뇌격 전류가 흐르는 경우에는 가공지선 및 철탑 전위가 상승하여 그때부터 전력선을 향하여 역 플래시 오버가 일어나는 경우가 있다. 한번 지락 경로가 형성되면 뇌격 종료 후에도 발전기에서 고장 전류가 계속 흐르기 때문에 송전선 양끝의 차단기를 개방할 필요가 있다. 또 철탑의 전위 상승을 방지하기 위해 접지 저항은 낮게 억제하도록 하고 있지만, 뇌격 전류는 파고치로 수십 만 암페어에 달하는 경우도 있어 모든 낙뢰에 완전한 대책을 세우기란 어렵다.2. 배전설비의 낙뢰 대책배전설비는 송전설비에 비해 전압 계급이 낮고 사용되는 변압기 및 애자의 절연 강도도 낮게 만들어지기 때문에, 직격뢰뿐 아니라 유도뢰에 대한 대책도 고려할 필요가 있다. 유도뢰는 설비 근처에 낙뢰가 떨어졌을 때 방전로에서의 전자파에 의해 배전선에 높은 전압이 유도되어 배전선 내 전반되고 있는 과전압을 말한다.
이 유도뢰에 대한 방호 중심은 피뢰기다. 피뢰기는 일반적으로 전로와 대지 간에 설치돼 있기 때문에 보통은 절연 상태면서 과전압 진입 시에는 저항치가 낮아져 대지에 방전되어 과전압 소멸 후에는 다시 원래의 절연 상태로 복귀돼야 한다. 이 비선형 특성을 실현하기 위해 산화아연(ZnO) 소자가 개발 · 실용화되어 현재 전력용 피뢰기의 주류가 되고 있다. 또 산화아연 소자를 내장하여 피뢰기 기능을 겸비한 변압기(<그림 9> 참조) 및 개폐기도 개발 · 적용되고 있다.▣ 마무리순저는 낙뢰 등의 자연 현상에 의해 일어나는 경우가 많지만, 발생원인 낙뢰 그 자체를 제거하는 것은 불가능하다. 따라서 전력회사에서는 차폐 등에 의해 낙뢰 영향을 피하도록 노력하고 있다. 그러나 완전히 보호하는 것은 어렵기 때문에 최대한 빠르게 낙뢰 시 이상을 제거하여 순저 영향을 최소한으로 방지하고 있다.한편, 순저 발생은 낙뢰 발생 빈도에 따른 지역 특성에 크게 의존함과 동시에 순저가 파급되는 영향 정도는 수요가에 따라 달라져, 크게 영향을 주는 수요가와 영향을 전혀 주지 않는 수요가가 있다. 한마디로 순저 대책이라고 해도 통일적으로 논할 수는 없다는 것이다.최근 순저를 보상하는 장치의 기술 진전은 눈에 띄게 향상되어 전지 및 플라이휠을 이용하는 기존 타입부터 전기 이중층 커패시터 및 신형 2차 전지를 이용한 것까지 다종 장치가 갖추어져 있다. 각각 보상 시간 및 코스트에 차이가 있지만, 각각의 사정 및 요구에 따라 적절하게 장치를 도입하는 것이 중요하다.
순시전압 저하(Instantaneous Voltage Sag) 일반적으로 전압 저하는 정격 주파수 0.5사이클에서 1분 정도까지의 지속 시간으로 전압 · 전류 실효치 0.1PU~0.9PU의 전압 감소(강하)를 말하는데, 특히 0.5사이클에서 30사이클 정도의 지속 시간을 가지는 전압 저하를 순시전압 저하라고 한다. 이 말은 아직까지 정식으로 정의되지 않고 있지만 전력회사나 공장, 고객 등에서 많이 사용되고 있다. 전압 저하의 발생 원인은 보통 계통사고와 밀접한 관계가 있고, 대형 모터의 기동이나 대형 부하의 충전 등에도 영향을 받는다. 최근까지 전압 저하의 지속 시간에 대하여 명확하게 정의된 것이 없으며, 0.5사이클 이하 동안 지속되는 저전압은 정격 주파수의 실효치 변화분으로는 효과적으로 규정지을 수 없으므로, 이들 현상은 과도현상으로 간주된다. 또한 다른 시스템 사고에 의해 유발되는 1분 이상의 저전압 현상은 보통 전압 조정 장치에 의해 조정될 수 있으며, 이것은 장시간 변화분으로 분류된다. 순시전압 저하에 민감한 전기기기로는 컴퓨터, 전자개폐기에 사용되는 모터, 전력용 반도체 응용 가변속 모터, 고압 방전등 및 부족전압 계전기 등이 있으며, 이에 대한 합리적인 대책으로는 무정전 전원장치(UPS)의 사용에 의한 고객측 대책이 효과적인 것으로 보고 있다.

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