이상전압과 방호

Abnormal Voltage & Protection

이상전압은 정상 운전전압을 크게 넘는 충격·서지성 전압으로 기기를 위협해요. 직격뢰·유도뢰 같은 외부 원인과 개폐 서지 같은 내부 원인이 있고, 선로를 타고 진행파가 반사·투과하며 전파돼요. 피뢰기·가공지선·절연협조로 방호 계층을 맞춰 약점 절연이 먼저 깨지지 않게 해요. 반사·투과 개념과 방호 설비 역할을 순서대로 따라가 봐요.

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)

진행파: 선로를 타고 달리는 충격파

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

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)