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전기기사 전력공학 · 이상전압과 방호

Abnormal Voltage & Protection

이상 전압은 정상 운전 전압을 크게 넘는 순간 전압으로, 기기의 절연을 위협한다. 직격뢰 · 유도뢰 같은 외부 원인과 개폐 서지 · 지락 과전압 같은 내부 원인이 있고, 서지는 진행파가 되어 선로를 달리다 임피던스가 바뀌는 곳에서 반사 · 투과한다. 피뢰기 · 가공 지선 · 매설 지선으로 막고, 절연 협조로 피뢰기가 기기보다 먼저 방전하도록 절연 수준을 맞춰요. 세 가지 원인 버튼을 누르면 이상 전압 파형이 바뀌고, 아래 두 그림에는 접속점의 반사 · 투과와 절연 협조 계층을 그렸어요.

이상 전압

⚡ 정상 운전 전압을 훨씬 넘는 전압
①외부 이상 전압: 도체에 바로 떨어지는 직격뢰와, 가까운 낙뢰로 유도되는 유도뢰 같은 대기 현상이다
②내부 이상 전압: 개폐 서지, 지락 과전압, 공진처럼 계통 안에서 생긴다
③개폐 서지는 무부하 선로의 충전 전류(콘덴서 성분)를 끊을 때 가장 크다. 시험에 자주 나온다
④크기는 낙뢰(수 MV) ≫ 개폐 서지(정격의 3 ~ 4 배) > 지락 과전압(비접지에서 √3 배) 순이에요

진행파: 선로를 타고 달리는 충격파

반사 계수 ρ
ρ = Z2 − Z1Z2 + Z1
Z₁ 은 입사 쪽, Z₂ 는 투과 쪽 특성 임피던스다.
투과 계수 τ
τ = 2Z2Z2 + Z1 = 1 + ρ
투과파 et = τ·e, 반사파 er = ρ·e 예요.
🌊 진행파 반사 · 투과의 핵심
①끝이 열린 개방단(Z₂ → ∞)에서는 ρ = +1, τ = 2 라 전압이 두 배가 되어 위험하다
②끝이 단락된 단락단(Z₂ = 0)에서는 ρ = −1, τ = 0 이라 전압은 0, 전류는 두 배가 된다
③가공선(400 Ω)에서 케이블(40 Ω)로 넘어가면 투과파 전압이 작아지고, 반사파는 부호가 뒤집혀요

이상 전압 방호 설비

🛡️ 방호 대책 세 가지
①피뢰기(LA): 이상 전압을 제한 전압으로 눌러 방전하고, 방전 뒤 이어 흐르려는 속류를 끊는다
②가공 지선(GW): 직격뢰를 막으며(차폐각 45° 이하), 두 가닥이면 차폐각이 더 작아진다
③매설 지선: 탑각 접지 저항을 낮춰, 탑 전위가 올라 탑에서 전선으로 섬락하는 역섬락을 막아요
절연 협조 원칙
피뢰기 제한 전압 < 변압기 절연 내력 < 선로 절연 내력
피뢰기가 가장 먼저 방전해 기기와 선로를 지킨다.

절연 협조: 기기를 지키는 설계 원칙

🔗 절연 협조 계층
①이상 전압이 생기면 절연이 가장 낮은 피뢰기가 먼저 방전한다
②변압기 절연 내력은 피뢰기 제한 전압보다 높게 잡아 여유를 둔다
③선로 절연 내력은 변압기보다 높아, 절연 수준이 가장 높아요

시험 총정리

표준 충격 파형
1.2 / 50 μs
파두장 1.2 μs, 파미장 50 μs
개방단 반사
et = 2e(전압 두 배)
ρ=+1, τ=2
🎯 시험 포인트
①외부는 직격뢰 · 유도뢰, 내부는 개폐 서지(무부하 선로 · C 차단 때 최대) · 지락 과전압이다
②표준 충격 파형은 1.2/50 μs 다
③개방단은 투과파가 두 배(위험), 단락단은 투과파 0(부호가 뒤집혀 반사)이다
④절연 협조는 피뢰기 < 변압기 < 선로 순이다
⑤역섬락은 탑각 전위가 올라 탑에서 전선 쪽으로 섬락하는 것이고, 탑각 접지 저항을 낮추고 매설 지선을 묻어 막아요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 내부 이상 전압 가운데 개폐 서지가 가장 커지는 조건은? (답: 무부하 선로의 충전 전류(진상 C)를 차단할 때)
②[기출유형] Z₁ = 400 Ω, Z₂ = 40 Ω 일 때 반사 계수와 투과 계수는? (답: ρ = (40 − 400)/(40 + 400) ≒ −0.818, τ = 2 × 40/440 ≒ 0.182)
③[기출유형] 역섬락의 원인과 방지 대책을 쓰시오. (답: 탑각 전위 상승. 탑각 접지 저항을 낮추고 매설 지선을 설치한다)
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