전력 시스템 과전압의 이해: 원인과 영향

이번 글에서는 과전압과 그 원인에 대해 알아봅니다. 발전기, 변압기, 송전선 등 다양한 설비에서 과전압이 발생할 수 있습니다. 낙뢰, 차단기 개방, 도체 접지 등이 원인이며, 크기가 크지 않더라도 보호 시스템이나 연결된 기기의 오동작을 유발할 수 있습니다. 엔지니어들은 항상 과전압이 운전 설비에 미치는 영향을 제한하고 제어하려 노력합니다. 이제 과전압의 주요 원인, 발생 메커니즘, 시스템 영향에 대해 살펴보겠습니다.

이러한 과도 현상이나 서지는 일시적이며 지속 시간이 짧습니다(수백 μs). 하지만 전력 시스템에 과전압을 유발합니다. 개폐 조작 등에서 발생하지만, 가장 중요한 과도 현상은 송전선에 직격하는 자연 낙뢰에서 기인합니다. 낙뢰가 선로를 치면 서지가 선로를 따라 달려와 엄청난 전압 홍수가 시스템으로 유입되어 모든 보호 장치와 전기 기기를 손상시킬 수 있습니다.

위 그림은 낙뢰 서지 파형을 보여줍니다. X축은 전압 상승, Y축은 시간입니다. 매우 가파른 전파(파두)가 1~5μs라는 극히 짧은 시간에 형성됨을 알 수 있습니다. 반면 후미(파미)는 파두보다 천천히 지나갑니다.

과전압의 원인

전력 시스템 과전압은 크게 두 범주로 나눌 수 있습니다.

A) 내부 원인 B) 외부 원인

내부 원인은 큰 크기의 서지를 만들지 않습니다. 경험상 내부 서지는 시스템 전압을 정상 전압의 2배 이상으로 올리지는 않습니다.

• 개폐 서지: 첫 번째 내부 과전압 유형입니다. 개폐 조작으로 인한 과전압을 개폐 서지라 합니다. 1) 무부하 선로가 전원 측에 투입될 때, 2) 부하지 선로가 투입될 때, 3) 부하지가 갑자기 차단될 때 과도 전압이 발생합니다. 개폐 서지에서 가장 중요한 원인은 전류 초핑(chopping)입니다. 전류 초핑은 공기 차단기 접점 양단에 고전압 과도 현상을 만듭니다.
• 절연 파괴: 전력 시스템에서 가장 중요한 절연 파괴 사례는 도체 접지입니다. 도체 중앙이 접지되면 음전압 파동이 양쪽으로 전파됩니다.
• 아크 접지: 3상 시스템에서 선로-대지 고장 시 간헐적 아크가 발생하며 과도 현상을 만드는 현상입니다. 이 과도 현상은 누적되어 매우 위험하며, 절연 파괴를 일으켜 전력 시스템에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 중성점 접지로 아크 접지를 방지할 수 있습니다.
• 공진: 회로의 유도 리액턴스가 용량 리액턴스와 같아지는 상태입니다. 공진 시 임피던스와 저항이 같아지고 역률은 1이 됩니다. 공진은 송전선에 고전압을 유발합니다.
• 외부 원인: 외부 원인은 낙뢰만 포함됩니다. “구름과 대지 사이, 구름 사이, 또는 같은 구름 내 전하 중심 사이의 방전”으로 정의됩니다. 다음 글에서 자세히 다루겠습니다.