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[기술특집] EMTP를 이용한 뇌서지 해석
2009-09-04

EMTP를 이용한 뇌서지 해석


개요

낙뢰로 인한 전력설비의 피해는 오래 전부터 문제가 됐으며, 전력회사에서도 전력 공급의 신뢰도 향상을 위해 적절한 내뢰(耐걳) 대책을 세워야 한다.
전력설비에 낙뢰 침입의 한 예로 <그림 1>에 발 · 변전소의 경우를 나타냈다. 먼저 철탑에 낙뢰하면 철탑 접지저항 등에 의해 철탑 전위가 상승한다. 그 결과 애자의 소호각 간 전압이 플래시 오버 전압을 넘으면 소호각이 전력선 측에 역섬락하여, 과전압이 뇌서지라 부르는 진행파가 되어 전력선 위를 전반함으로써 발 · 변전소에 침입한다. 이것을 역섬락뢰라고 한다. 그 외에 전력선로의 직격뢰, 송전선 부근의 뇌격에 의한 유도뢰 등도 발 · 변전소에 침입한다. 이러한 침입뢰 서지에 대해 뇌서지 전압을 기기의 뇌임펄스 내전압(LIWV : Lightning Impulse Withstanding Voltage) 레벨 이하로 제한하는 기능을 장착하면 발 · 변전소 내 기기는 피뢰기 등에 의해 보호되지만, 피뢰기의 특성이나 배치가 부적절하면 기기가 절연파괴 되는 사고가 일어날 수 있다. 따라서 적절한 절연협조를 검토하기 위해 뇌서지 침입 시 발 · 변전소 각 부에 발생하는 과전압을 정밀하게 계산할 필요가 있다 . EMTP(Electro Magnetic Transients Program)는 미국 BPA(Bonneville Power Administration)에서 1968년에 개발된 전력계통 분석용 프로그램으로, 가장 일반적인 뇌서지 해석 프로그램으로 이용되고 있다. 여기서는 몇 개의 EMTP 해석 예를 제시하고 계산의 정밀도 및 적용 한계 등에 관해 논하고자 한다.


송 · 변전설비의 뇌서지 해석 방법

송전선이나 철탑 등 각 송 · 변전설비의 해석 모델은 일본전기학회의 조사전문위원회가 검토해 기술보고의 성과를 정리하고 있다. 또한 66, 77㎸ 이상되는 전압 계급의 절연협조 검토에 이용하는 일반적인 뇌서지 해석 방법은 일본전력중앙연구소의 내뢰설비위원회 등에서 검토가 진행되어 해석 방법은 거의 확립됐다. 주요 해석 모델은 <표 1>, 대표적인
해석회로는 <그림 2>와 같다.

이러한 고(高)정밀도의 뇌서지 해석 방법의 확립을 통해 가장 큰 혜택을 받은 것은 시험전압표준(JEC 0102-1994)의 개정이라 하겠다. 산화아연형 피뢰기의 고성능화, 개폐장치로서 가스 절연기기의 보급, 부분방전 측정 및 평가 기술의 진보와 더불어, 다양한 형태로 변전소에서 EMTP 해석을 정교하고 치밀하게 실시, 변전소 내의 과전압을 평가함으로써 각 전압 계급의 변전소 기기의 LIWV를 저감할 수 있으며 UHV 송전선 등 송 · 변전설비의 비용 절감에 기여했다. <그림 3>은 LIWV의 변천에 관한 것이다.

275㎸ 변전소 뇌임펄스 시험 해석 예

EMTP 해석 정밀도의 검증 예로 275㎸ 전 GIS변전소에서 실시한 실제 규모의 뇌임펄스 시험 결과와 해석 결과를 비교 · 소개한다. 사용한 임펄스 발생기(IG)는 최대 충전 전압 1440㎸의 가반형 IG이다. 실제 뇌격 상태에 가깝게 하기 위해 IG는 인가점보다 떨어뜨려 약 180m 거리를 둔다. <그림 4>는 뇌임펄스 인가점과 측정점을 나타낸 것이다.
EMTP 해석은 내뢰설비 가이드북을 준수하여 실시했다.


<그림 5>는 백상 전력선 인가 시의 인가점(부싱부) 전압과 그 해석 파형이다. 인가점 전압 파형에는 송전선 접지단(제5철탑)으로부터의 부반사가 17㎲ 뒤에 나타났다. 이것은 인류(引留) 철구에서 제5철탑 사이의 거리(약 2400m)와 전력선의 전반속도(300m/㎲)로부터 구한 시간과 일치하며 파형 역시 일치한다.
인가점 전압 파형과 피뢰기 방전전류의 관계는 피뢰기의 전압-전파 특성과 일치한다. 일반적으로 피뢰기는 TYPE92라 부르는 비선형 저항 소자로, 전압-전파 특성을 모의한다. 피뢰기 방전전류의 해석파형은 측정 파형과 일치하므로 해석 모델의 타당성을 얻을 수 있다.


이외에 275㎸ 주회로 전압뿐 아니라 PT(계기용 변압기) 2차회로 전압도 동시에 측정해 해석과 비교했다. 제어선의 회로정수는 Cable Constants를 이용해 산출했다. PT는 상호 결합을 가진 2권선으로 모델화했다. 고압측 권선 및 저압측 권선의 권선구조로부터 자기인덕턴스 및 상호인덕턴스를 산출해 권선과 권선 사이나 권선과 철심 사이의 정전용량도 고려했다. 실측 결과와 분석 결과는 <그림 6>과 같다. 고압회로에 발생한 전압의 200㎑ 이하의 주파수 성분은 대략 권선비에 대응하여 2차회로에 이행했음을 알 수 있다.


77㎸ 변전소 침입 뇌서지 분석 예

다음으로 실제 기중절연 77㎸ 변전소에 뇌서지 관측 장치를 설치하여 자연 낙뢰에 의한 변전소 침입 뇌서지를 관측한 예를 <그림 7>에 나타냈다. 접지한 송전선 1호선(1L) 측에는 송전용 피뢰장치가 설치되고, 2호선(2L) 측은 소호각만 설치해 둔다.
로고스키 코일(Rogowski Coil)에 의한 관측에서 뇌격점은 변전소로부터 약 700m 떨어진 철탑 부근이며, 뇌격 전류는 약 -35㎄로 측정된다. 이 경우 송전선 릴레이 동작은 2L의 B, R상뿐으로, 송전용 피뢰장치가 설치된 1L은 정전되지 않고 송전용 피뢰장치의 효과가 나타났다. 이는 저속 디지타이저 파형으로도 확인할 수 있다. <그림 7>은 변전소 인입구에서의 전압 파형을 나타낸 것이다. 두 회선도 전형적인 역섬락 뢰의 양상을 띠며 부(負) 과전압이 변전소 피뢰기에 의해 제한된다. 부 과전압이 침입하기 직전, 각 상은 일단 정극성에 흔들리고 있지만, 이것은 귀환뇌격으로 인한 유도전압으로 생각된다. 귀환뇌격이란 뇌운에서 나오는 스텝리더(계단형 선행 방전)가 철탑 꼭대기에 이르렀을 때 철탑 꼭대기 쪽에서 구름을 향해 흐르는 주방전으로, 배전선 등의 유도뢰의 주원인이 된다.
앞에서 논한 통상적인 뇌서지 해석 방법에서는 이와 같은 유도는 고려하지 않기 때문에 그대로 해석을 하면 <그림 8>과 같이 소호각 사이의 전압이 실제보다 낮아 소호각의 플래시 오버상이나 송전용 피뢰장치의 동작상이 실제와 일치하지 않음은 물론 파형의 양상도 일치하지 않는다.


이러한 유도현상을 EMTP로 재현하는 데에 배전선의 유도뢰 해석에서 이용하는 계차법 등이 시도되고 있지만, 번잡한 절차로 그리 간단치가 않다. <그림 9>는 손쉽게 유도전압 상당의 전압원을 전력선에 중첩시켜 해석한 예인데 <그림 7>의 실측파형에 가까움을 확인할 수 있다.

마무리

이상 EMTP에 의한 뇌서지 해석 예로 송 · 변전 분야의 예를 몇 가지 소개했다. 이외에도 배전선의 직격뢰 서지 해석 등 수많은 분야에서 EMTP에 의한 해석이 이루어지고 있어, 뇌서지 해석에 있어서의 EMTP의 범용성 · 유용성은 의심할 여지가 없다. 그러나 유도현상처럼 EMTP로 하기에는 부적합한 현상도 있어 거기에 대해서는 FDTD(Finite Difference Time Domain) Surge Simulation 법처럼 수치 전자계 분석 프로그램을 적용하는 것이 옳을 듯하다.
EMTP의 계산 오차에 관한 검토 결과의 한 예를 <그림 10>에 제시했다. <그림 10>에서 뇌서지 해석의 계산 정밀도는 다른 개폐서지, 단시간 과전압, 정상 · 저주파 영역에서의 계산 정밀도와 비교해 양호하지만, 그래도 10% 정도의 오차가 있으며 해석모델에 사용한 파라미터가 타당하지 않으면 그 오차는 더욱 크게 발생한다.
또한 종전에는 사람 손으로 EMTP의 입력 데이터 파일을 작성했지만, 최근에는 ATPDRAW나 EMTPWORKS 등 맨 머신 인터페이스(Man Machine Interface)가 개선된 EMTP 프로그램으로 초심자라도 간단하게 다룰 수 있게 됐다. 그러나 사용자는 해석 대상이 되는 현상에 대해 사용 모델 및 입력 데이터가 타당한가를 충분히 조사한 후에 바른 답을 이끌어낼 수 있도록 힘쓰는 일이 가장 중요하다.

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