피뢰기의 설치위치⁕

피뢰기의 설치위치
Bewley‘s Lattice Diagram

피뢰기의 설치위치

그림과 같이 변압기와 피뢰기가 설치된 곳에 뇌전압이 침입하는 경우 다 음 물음에 답하시오.
가) 뇌서지 전압이 변압기 단자에서 정반사, 피뢰기에서 부반사하는 이유를 설명 하라.
나) 피뢰기를 변압기에 근접해서 설치하는 것이 유효한 이유를 설명하시오.

이상전압 진행파의 반사와 투과에 대한 식을 유도하고, 종단이 개방되어 있는 경우와 종단이 접지되어 있는 경우 전압과 전류의 파고값 변화에 대하여 각 각 설명하시오.

특성 임피던스

(Characteristic Impedance)

뇌서지, 개폐서지에 의해서 발생된 진행파 전압은 전송선로를 충전하면서 빛의 속도(가공선로)로 진행한다. 그때 진행파 전압이 선로를 충전하면서 충전전류가 순간적으로 흐르게 된다. 이 진행파 전압과 전류의 순시적인 비를 이 전송선로의 특성 임피던스라고 한다.

전송선로에서 파동임피던스의 해석은 무손실선로(R=0, G=0)인 조건으로 해석

진행파는 특성 임피던스가 상이한 점(불연속점)을 만나면 “일부가 반사”가 되고 “일부는 투과”되는 특성을 갖는다.

반사파 전압과 전류

→ 반사계수(β)

반사파 전압

반사파 전류

1) Z1=Z2 이면 반사계수가 0으로 반사 없이 진행

2) 정반사와 부반사

→ 접속점 전위는 입사파와 반사파의 대수의 합(중첩)

– Z2>Z1 이면 Vr은 정의 값: 접속점 정반사 → 접속점 전위상승

– Z2>Z1 이면 Vr은 정의 값: 접속점 부반사 → 접속점 전위감소

3) 케이블 종단이 개방된 경우 ( Z2=∞ )

– Vr=Vi (정반사) → 종단의 전위는 2Vi → 전반사

– Ir=-Ii (부반사) → 종단의 전류는 0

4) 케이블 종단이 접지된 경우 ( Z2=0 )

– Vr=-Vi (부반사) → 종단의 전위는 0

– Ir=Ii (정반사) → 종단의 전류는 2Ii

투과파 전압과 전류 -> 투과계수

투과파 전압

투과파 전류

접속점 전위는 투과파 전압의 크기와 같기 때문에 투과계수로 의미를 살펴보더라도 반사계수로 해석한 결과와 동일한 결과가 나오게 된다.

Z2>Z1인 경우 투과파 전압이 입사파 전압보다 증가하게 되고,

Z2<Z1인 경우 투과파 전압이 입사파 전압보다 작아진다.

진행파가 가공 전선로에서 지중전선로로 입사되는 경우 투과파 전압은 급격히 감소된다. 그리고 접속점에서 부반사가 일어나게 된다.
접속점 전압: 1.0-0.8=0.2 또는 1.0×0.2=0.2

특성임피던스 Z1=400[Ω]인 선로의 종단에 파동 임피던스 Z2=1,200[Ω]인 변압기가 접속되어 있다. 지금 선로로부터 파고 Vi=800[kV]의 전압이 진입하였다. 접속점에서 전압의 반사파와 투과파는 어떻게 되는가?

1) 전압 반사계수

2) 전압 투과계수

여기서 알수 있듯이 접속점 전압은 투과파 전압과 동일하므로 1,200 [kV]가 된다.

반사파로 보더라도 입사파 800[kV]에 정반사 400[kV]가 대수의 합(중첩)으로 1,200[kV]가 된다. 즉 변압기에는 정반사로 인하여 입사파 보다 큰 충격파 전압이 인가된다.

피뢰기의 설치위치

입사되는 뇌격의 진행파(입사파)는 피뢰기를 통하여 제한되어 제한전압의 크기로 일부는 투과해서 피보호기기인 변압기에 다다르고, 일부는 반사된다.

투과된 진행파는 특성 임피던스가 선로(가공: 300~500Ω, 지중: 30~50Ω)보다 큰 변압기(1~6kΩ)를 만나서 정반사되고 다시 피뢰기를 만나면 부반사되어 되돌아온다. 이렇게 이 진행파는 피뢰기와 변압기 사이에서 감쇄 왕복진동하면서 제한전압보다 더 큰 뇌서지 전압이 변압기에 작용하게 된다.

피뢰기와 변압기 사이의 이격거리가 긴 경우에는 정반사되어 중첩되는 경우 뇌전압 보다 높은 전압이 발생할 수 있다. -> 특성 임피던스가 무한대인 경우 이론상 2배증폭이 된다.

변압기에 작용하는 뇌 서지전압은 파두준도, 이격거리, 진행파의 속도에 관계된다.

변압기에 걸리는 전압은 다음과 같다.

V_t: 변압기에 걸리는 뇌서지 전압
V_a: 피뢰기의 제한전압
S: 파두준도 (차폐선로: 500[kV/μs], 일반선로: 200[kV/μs])
l: 변압기와 피뢰기의 이격거리[m]
v: 진행파 속도(가공선: 300[m/μs], 케이블: 150[m/μs])

[표] 계통에 따른 피뢰기와 변압기의 이격거리

	345kV 계통	154kV 계통	22.9kV 계통
이격 거리	85m 이하	65m 이하	20m 이하

[예] 가공선로에 500[kV], S=1,000[kV/㎲], v=300[m/㎲]인 진행파가 입사할 때, 피뢰기(충격방전개시전압: 650kV)와 변압기 이격거리 90m, 30m인 경우

1) 이격거리 90m인 경우

진행파 90m 진행시간

진행파 왕복 진행시간

2) 이격거리 30m인 경우

진행파 90m 진행시간

진행파 왕복 진행시간

154kV 계통에서 피뢰기의 제한전압이 597[kV], 변압기에 내습하는 진행파 의 준도 S=250[kV/us], 진행파의 전파속도는 150[m/us]라 할 때 피뢰기의 설치 개소를 변압기의 전방 30[m], 50[m]로 하였을 경우 각각 변압기에 인가되는 전압 의 크기를 구하라.

1) 30m 이격

2) 50m 이격

이격거리가 큰 경우 변압기 단자에 큰 전압이 나타나기 때문에 피뢰기는 변압기에 근접하여 설치하는 것이 유효하다.

★이상전압과 피뢰기
1선지락과 유효접지
절연성능 시험과 절연물의 V-t 곡선
전절연/ 저감절연 균등절연/ 단절연
과전압의 종류
개폐 서지
단시간 과전압
피뢰기 개요 및 용어
피뢰기 용어
피뢰기의 정격전압
피뢰기의 설치위치
–Bewley‘s Lattice Diagram
피뢰기의 제한전압
절연 협조
변압기의 이행전압