24. 커패시터 차단 시 큰 서지전압 발생

24. 커패시터(콘덴서) 차단 시 큰 서지전압 발생

앞에서 TRV(과도회복전압)에 대해 공부해보았다.
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23. 과도회복전압(TRV)이란 무엇인가?

과도회복전압은 단락전류 발생 시 차단기를 OPEN 하는 과정에서 전압이 진동하게 되어 전원전압보다 두 배 가까이 전압값이 증가하는 서지전압이었다.
전압값이 두 배 가까이 증가해서 절연파괴를 야기할 수 있기 때문에 좋지 않았다.

커패시터 뱅크 차단(OPEN)하는 경우도 RLC회로 진동 원리에 의해 서지전압이 발생하는데
다른 이유가 추가되면 전원전압보다 두 배 이상 더 큰 진동전압이 발생할 수 있다.
어떤 이유에서 2배보다 더 큰 값의 서지전압이 발생할 수 있는지 알아보자.

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1. 커패시터 뱅크 차단 상황
2. 커패시터 뱅크 차단 시 큰 서지전압이 발생하는 이유

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1. 커패시터 뱅크 차단 상황

전력계통에서 커패시터 뱅크 투입(CLOSE) 상태를 나타내면 아래와 같다.

커패시터 뱅크 투입(CLOSE) 상태

발전전원에서 만들어진 전력이 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C)로 흐르고 있다.


투입된 커패시터를 차단(Open)하는 상황은 아래와 같다.

커패시터 뱅크 차단(OPEN) 상태

커패시터 뱅크 차단기를 OPEN 하는 순간 전원전압의 3.5~4배 정도의 서지전압이 발생할 수 있다.

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2. 커패시터 뱅크 차단 시 큰 서지전압이 발생하는 이유

커패시터 뱅크 차단기가 CLOSE 되어 있는 상황에서는
전류의 위상이 전압보다 90도 앞선 진상전류가 흐르고 있다.

커패시터 뱅크 CLOSE 상태

커패시터 회로 진상전류

이때 커패시터 뱅크의 차단기를 OPEN 시켜보자.

커패시터 뱅크 OPEN

정상적으로 OPEN 된다면 RLC회로 과도과정에 따라 전원전압의 2배이하의 서지전압만 발생한다.

정상적으로 커패시터 뱅크 차단시 2배이하의 서지전압 발생

전원전압의 2배 이상의 서지전압이 발생하는 경우는 다음과 같다.
차단기가 OPEN 되고 아크가 소멸되어 전류가 끊긴 이후 1/2주기가 지났을 때 전위차가 최대가 되기 때문에
'리아크'가 발생하여 차단이 실패할 수가 있다.
이렇게 '리아크'가 발생할 경우 전원전압의 3.5~4배 수준의 전압이 발생할 수도 있다.

이 경우를 확인해보자.
차단기가 OPEN될 때 전원 측 단자와 커패시터 측 단자의 전압을 확인해야 한다.

커패시터 차단 시 전원측 단자와 커패시터측 단자

차단기가 OPEN 되었을 때
커패시터 측 단자전압은 충전된 채로 유지된다.
전원 측 단자전압은 발전 전압을 따라가기 때문에 전원전압 그래프를 따라간다.

차단 후 1/2 주기 이후 접점사이 전위차 최대

시간이 지날수록 둘 사이의 전압차는 점점 커지다가 차단 후 1/2 주기가 지났을 때 전위차가 최대가 된다.



전위차가 최대가 되면서 두 접점사이에는 '리아크'가 발생할 수 있다.

접점 사이의 전위차 최대로 리아크 발생, 회로 재연결

'리아크'로 인해 두 접점이 연결되면 커패시터 측 단자전압은 전원 측 단자전압을 따라가게 된다.
이때 다시 RLC회로의 과도과정이므로 진동이 발생한다.
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20. RLC회로에 진동이 발생하는 이유

'리아크'가 일어나지 않아서 차단이 한 번에 완료된 경우에는 진동전압이 2배 수준에 불과했지만
'리아크'가 발생해서 커패시터 측 단자와 발전전원 측 단자의 전위차가 최대가 되면 커패시터측 단자전압이 전원측 단자전압을 따라가는 과정에서 전원전압의 3.5~4배 수준까지 진동전압이 발생하는 걸 확인할 수 있다.

커패시터 측 단자전압과 전원 측 단자전압의 전위차에 의해 3.5~4배의 진동전압 발생

주기가 또 지나서 '리아크'가 계속 발생한다면 5배 6배 ... 계속해서 진동전압이 커지겠지만 실제로는 저항이 개입하고 차단기가 OPEN되는 과정에서 접점사이 거리가 점점 멀어지므로 재점호가 잘일어나지 않는다. 그래서 실질적으로는 3.5배~4배 수준으로 진동전압이 발생한다고 알아두면 된다.

3.5배~4배수준의 서지전압도 위협적인 수준이므로 커패시터(콘덴서)에 쓰는 개폐기들은 그런것들을 감안하여 설계된다. 개폐속도를 늘린다던지 접점에 사용하는 재료를 적절한 것을 사용하여 차단 시 '리아크' 발생을 발생을 막는다.