15. 피뢰기의 정격전압은 어떻게 정해질까?

15. 피뢰기의 정격전압은 어떻게 정해질까?


피뢰기를 설치하면 변압기의 절연을 낮게 설계할 수 있어 경제적이다. 피뢰기와 변압기의 절연이 어떤 관계에 있는지 알아보고 피뢰기의 정격전압은 어떻게 정해지는지 확인해보자.

---

1. 피뢰기의 정격전압과 변압기 절연과의 관계
2. 피뢰기의 정격전압은 어떻게 정해지나?

---

---

1. 피뢰기의 정격전압과 변압기 절연과의 관계

'피뢰기'는 전기시설에 침입하는 뇌에 의한 이상 전압에 대하여 그 파고값을 저감시켜 전기기기를 절연파괴에서 보호하는 장치이다. 정격전압이 낮은 피뢰기를 사용하면 '충격방전개시전압'과 '제한전압'을 낮출 수 있다. 그러므로 기기의 표준절연계급보다 낮은 절연이 가능해져 변압기 설계시 절연비를 낮출 수 있다.


* 표준절연계급 : 계기용 변성기에서 1차 권선의 절연이 연속적으로 견디도록 설계된 kV단위의 최대 전압
- 회로의 공칭전압을 1.1로 나눈 수치이다. 예를 들어 154kV 선로라면 표준절연계급은 154kV를 1.1로 나눈 140kV

* 공칭전압 : 전력 계통에서 주어진 전압 계통을 부르기 위한 호칭 전압값. 선로의 대표전압으로 보면 된다.
- ex) 22.9kV, 154kV, 345kV, 765kV 등 의 값. 실제로 측정하면 이 값과는 차이가 있을 수 있다.

피뢰기 충격방전개시전압, 제한전압

위의 그림을 보면 선로에 뇌격을 맞은 시점부터 전압은 점점 상승한다. 피뢰기가 없다면 상승하던 전압은 변압기의 BIL을 넘고 변압기에 고전압이 흘러 큰 손상이 야기될 가능성이 크다. 그러나 피뢰기가 설치되어 있기 때문에 상승하던 전압은 피뢰기를 만나면서 방전되기 시작하고 전압이 떨어진다. 이때의 Peak전압을 '충격방전개시전압'이라고 한다. 그리고 피뢰기를 거친 후 남아있는 전압을 '제한전압'이라고 한다.

피뢰기가 설치되어 있기 때문에 '충격방전개시전압'과 '제한전압'이 변압기의 BIL을 넘지 않아서 변압기의 손상을 막았다. 정격전압이 낮은 피뢰기를 사용하면 위의 '충격방전개시전압'과 '제한전압'을 낮출 수 있게 된다. 이 두 전압을 낮추게 되면 뇌서지로 인한 충격전압 값이 작아지게 되면서 변압기의 낮은 절연설계가 가능해진다.


* BIL(기준충격절연강도) : 송배전에서 변압기의 충격전압에 대한 절연의 기준이 되는 기준충격절연강도

---

2. 피뢰기의 정격전압은 어떻게 정해지나?

피뢰기의 정격전압은 다음과 같이 정해진다.
피뢰기 정격전압 V = α x β x (Vm/√3)
( α = 접지계수 , β = 여유계수 , Vm/√3 = 최대대지전압)




Vm/√3 에서 Vm은 계통최고전압(선간전압) 값이다. 공칭전압이 3.3kV 일 때 최고전압 3.6kV , 공칭전압 6.6kV일 때 최고전압 7.2kV, 공칭전압 22.9kV일 때 최고전압 25.8kV, 공칭전압 154kV일 때 최고전압 170kV, 공칭전압 345kV일 때 최고전압 362kV, 공칭전압 765kV일 때 최고전압 800kV이다. 일반적인 기기들은 절연이 중요하기 때문에 정격전압 기준으로 최고전압을 사용한다.



왜 피뢰기에서는 Vm을 √3 으로 나눠주나?

피뢰기 상전압

피뢰기는 차이가 있다. 피뢰기의 경우는 3상의 선이 있다면 그 중 한 선과 대지가 물려있다. Y결선이라면 한 선과 대지가 물려있으면 선간전압이 아니라 '상전압' 이다. 그러므로 최고전압(선간전압)을 √3으로 나눠준 상전압을 기준으로 한다. 그래서 Vm/√3을 '최대대지전압'이라고 한다. (Y결선은 선간전압이 상전압의 √3배)




β(여유계수) 값은 1.1~1.15 정도로 둔다. 피뢰기는 뇌서지 발생시 동작해야하는데 평소에 동작해버리면 지락이다. Vm/√3 만 피뢰기의 정격전압으로 사용하면 평소에 동작해버리게 되므로 여유계수를 둬서 평소에 동작이 못하도록 10~15% 여유를 두는 것 이다.




α(접지계수) 값은 1선지락사고 발생시 발생하는 대지전압 상승에 대비하여 여유를 둔 값이다. 1선지락 발생시 건전상 대지전압 상승이 생긴다. 피뢰기는 지락사고 때문에 설치하는게 아니라 뇌서지로 부터 보호를 목적으로 하므로 지락사고에 동작해 버리면 안 된다. 대지전압 상승은 결선상태, 중성점 접지 상태에 따라 달라지므로 상태에 맞는 접지계수를 넣어주면 된다.
예를 들어 Y-Y결선의 중성점 직접접지 상태라면 1선지락시 건정상의 대지전압상승이 1.3배 이하이므로 α에 1.3 이하의 값을 넣으면 된다.