23. 과도회복전압(TRV)이란 무엇인가?

23. 과도회복전압(TRV)이란 무엇인가?

차단기를 OPEN 하는 과정에서 과도회복전압(TRV)이 발생한다.
(TRV - Transient Recovery Voltage)
과도회복전압은 차단기 OPEN과정에서 발생하는 진동하는 전압으로
크기는 전원전압의 두배 수준이고 전압상승 기울기가 가파르기 때문에 절연파괴 가능성이 있다.
하지만 지속시간은 그렇게 길지 않다는 특징이 있다.

오늘은 차단기의 OPEN 과정을 알아보고
이 과정에서 과도회복전압(TRV)이 왜 발생하게 되는지 알아보자.

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1. 차단기 OPEN과정
2. 차단기 OPEN과정에서 과도회복전압(TRV)이 발생하는 이유

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1. 차단기 OPEN과정

전력계통을 표현하면 아래와 같다.

전력계통 차단기 CLOSE 상태

차단기가 CLOSE 되어 있기 때문에 발전전원에서 만들어진 전력이 전력계통의 R,L,C를 거쳐서 부하에 전달된다.

이때 부하 앞쪽에 단락사고가 발생했다고 해보자.

전력계통 단락사고 발생

그러면 아주 큰 단락전류가 전력계통에 흐르게 된다.

전력계통 단락사고 발생 단락전류 생성

커패시터(C) 병렬회로의 임피던스가 단락사고가 발생한 부분의 임피던스보다 훨씬 크므로 커패시터 쪽으로는 단락전류가 흐르지 않아 회로에서 생략 가능하다.


그러면 단락전류가 전력계통에 손상을 주는 것을 막을 필요가 있다.
CLOSE 되어 있던 차단기는 단락전류로부터 전력계통 손상을 막기 위해서 OPEN 된다.

단락사고 발생으로 차단기 OPEN

이때 차단기 OPEN 과정은 아래와 같다.

차단기 OPEN과정

① CT(계기용 변류기)에서 단락전류를 검출한다.
② 계전기가 단락전류인지 판단한다.
③ 릴레이가 계전기의 신호를 받는다.
④ 릴레이의 신호를 받아 트립코일이 여자 된다.
⑤ 트립코일이 여자 되면 자기력에 의해 차단기가 OPEN 된다.


단락전류 파형을 통해 확인해보면
단락전류가 발생하고 최소 한 주기 동안 CT가 단락전류를 검출하게 된다.

CT 단락전류 검출

그 후 계전기, 릴레이, 트립코일 여자 등을 거치면서 전기, 기계적 딜레이가 발생한다.

CT단락전류검출, 딜레이 발생

딜레이 이후 차단기가 OPEN 된다.

CT 단락전류 검출, 딜레이 이후 차단기 OPEN

그런데 문제는 차단기가 OPEN 된 순간에 바로 단락전류가 없어지지 않는다는 점이다.

전력계통에서 L(인덕터)의 작용에 의해 아크가 발생하기 때문에 이 아크가 없어져야 단락전류의 차단이 완료된다.
아크에 대해서는 앞에서 공부해보았다.
yyxx.tistory.com/141

12. 아크는 왜 발생할까? (인덕터의 작용)

아크가 없어지는 시점은 발생한 단락전류가 0이 되는 시점이다.

아크 발생으로 전류영점에서 차단 완료

이를 '전류영점'이라고 하며 '전류영점'이 돼야 아크가 사라지고 차단이 완료된다.

추가적으로
차단기의 종류는 소호물질에 따라 공기차단기, 오일차단기, 진공차단기, 가스차단기 등으로 나뉜다.
차단기의 소호물질이 생성된 아크를 강제로 없애는 역할을 한다고 착각할 수 있는데 그렇지 않다.
발생한 고장(단락)전류는 차단기 OPEN 이후 전류영점에서 스스로 사라지게 되는데 차단기의 소호물질은 차단이 이루어지는 타이밍에 벌어진 간극 간의 절연을 완벽하게 만들어주는 역할을 해서 리아크가 발생하지 않도록 한다.

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2. 차단기 OPEN과정에서 과도회복전압(TRV)이 발생하는 이유

단락전류가 발생하면 차단기가 OPEN 된다.
이때 전류가 영점이 되고 아크(Arc)가 없어지는 순간 과도회복전압(TRV)가 발생한다.

과도회복전압(TRV)이 발생하는 이유는 차단기가 OPEN 되는 순간 RL회로가 RLC회로가 되기 때문이다.

이를 확인하기 위해서 다시 단락전류가 흐르는 상황으로 가보자.
차단기가 CLOSE 되어 있는 상황에서 단락사고가 발생하면 회로에 단락전류가 흐른다.

단락사고 발생 후 차단기가 OPEN되기 전에는 RL회로

이때 커패시터의 임피던스에 비해 단락사고 발생 쪽의 임피던스가 훨씬 작기 때문에 커패시터 쪽으로는 전류가 흐르지 못하게 되어 RL회로이다.


그런데 차단기를 OPEN 하게 되면 상황은 아래와 같이 변한다.

단락사고 발생 후 차단기 OPEN 되면 RLC 회로

차단기가 OPEN 되면 차단기 쪽은 무한대의 임피던스를 가지게 된다. 그래서 그에 비해 임피던스가 작은 커패시터 회로 쪽으로 전류가 흐르게 된다. 그러면 RLC회로가 된다.

RLC회로가 되는 과도과정에서는 진동이 발생한다. 이 부분에 대해서는 앞에서 공부해봤다.
yyxx.tistory.com/149

20. RLC회로에 진동이 발생하는 이유

이런 진동이 과도회복전압(TRV)를 발생시킨다.
아래의 그림을 보자.

과도회복전압(TRV) 발생

단락전류가 전류영점에 도달하는 순간 RL회로가 RLC회로로 변하면서 전압이 전원전압의 약 2배 정도 상승하는 모습을 볼 수 있다. 그리고 어느 정도 시간이 지나면 진동이 사라지고 전원전압을 따라가게 된다. 전원전압을 따라가기 전에 진동하는 전압이 차단기를 OPEN 할 때 발생하는 과도회복전압(TRV)이다.