전력공학›계통보호 및 안정도

이상전압과 방호

Abnormal Voltage & Protection

이상전압이란?

⚡ 정상 운전전압을 훨씬 초과하는 전압

①외부 이상전압: 직격뢰(도체 직접 낙뢰), 유도뢰(인근 낙뢰로 유도) — 대기 현상

②내부 이상전압: 개폐 서지, 지락 과전압, 공진 — 계통 자체에서 발생

③개폐 서지는 무부하 콘덴서(C) 차단 시 가장 크다 — 시험 핵심 포인트!

④이상전압 크기: 낙뢰(수 MV) >> 개폐 서지(3~4배) > 지락 과전압(√3배)

낙뢰·개폐서지·지락과전압 3종 이상전압 파형 비교

진행파: 선로를 타고 달리는 충격파

임피던스 불연속점에서의 진행파 반사·투과 원리 다이어그램

반사계수 ρ

ρ = Z₂ − Z₁Z₂ + Z₁

Z₁: 입사 측, Z₂: 투과 측 특성임피던스

투과계수 τ

τ = 2Z₂Z₂ + Z₁ = 1 + ρ

투과파 et = τ·e, 반사파 er = ρ·e

🌊 진행파 반사·투과 핵심

①개방단(Z₂→∞): ρ=+1, τ=2 → 투과파 2배 전압 발생(위험!)

②단락단(Z₂=0): ρ=−1, τ=0 → 전압 0, 전류 2배

③가공선(400Ω)→케이블(40Ω) 접속: 투과파 전압↓, 반사파 역방향

이상전압 방호 설비

🛡️ 방호 대책 3종 세트

①피뢰기(LA): 이상전압을 제한전압으로 클램핑, 방전 후 속류 차단

②가공지선(GW): 직격뢰 차폐(차폐각 45° 이하), 2선 시 차폐각↓

③매설지선: 탑각 접지저항↓ → 역섬락(탑각 전위↑로 역방향 섬락) 방지

절연협조 원칙

피뢰기 제한전압 < 변압기 절연내력 < 선로 절연내력

피뢰기가 가장 먼저 방전 → 기기·선로 보호

절연협조: 기기를 지키는 설계 원칙

절연협조 계층 — 피뢰기 제한전압·변압기·선로 절연내력 비교 차트

🔗 절연협조 계층

①이상전압 발생 → 피뢰기 방전(가장 낮은 절연)

②변압기 절연내력 > 피뢰기 제한전압 (안전마진 확보)

③선로 절연내력 > 변압기 (선로가 가장 높은 절연 수준)

시험 총정리

표준충격파형

1.2 / 50 μs

파두장 1.2μs, 파미장 50μs

개방단 반사

et = 2e (2배 전압)

ρ=+1, τ=2

🎯 시험 포인트

①외부: 직격뢰/유도뢰, 내부: 개폐서지(무부하C차단 시 최대)/지락과전압

②표준충격파형: 1.2/50μs — 수치 그대로 암기

③개방단: 투과파 2배(위험), 단락단: 투과파 0(역상 반사)

④절연협조: 피뢰기 < 변압기 < 선로 순서

⑤역섬락: 탑각 전위 상승 → 탑→전선 방향 섬락, 방지: 탑각접지저항↓+매설지선

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 내부 이상전압 중 개폐서지가 최대가 되는 조건은? (답: 무부하 콘덴서(진상C) 차단 시)

②[기출유형] Z₁=400Ω, Z₂=40Ω일 때 반사계수와 투과계수는? (답: ρ=(40-400)/(40+400)=-0.818, τ=2×40/440=0.182)

③[기출유형] 역섬락의 발생 원인과 방지대책을 쓰시오. (답: 탑각 전위 상승, 방지: 탑각접지저항↓+매설지선 설치)