과도 회복전압 특성 및 차단기에 미치는 영향

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전력 시스템에서 과도 회복전압(Transient Recovery Voltage, TRV)은 차단기 성능에 중요한 역할을 합니다. 과도 회복전압은 차단기 접점에서 고장이 발생하거나 차단 후에 회로에 나타나는 전압을 말하며, 차단기의 차단 성능과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. TRV의 발생 과정과 특성을 이해하는 것은 전력 시스템의 안정성 확보에 필수적입니다.

Table of Contents

1. 과도 회복전압 개요

회복 전압의 정의: 회복 전압이란 차단기 차단 직후 양 단자 간에 나타나는 전압으로, 통상 과도 회복 전압과 상용주파 회복전압으로 구분됩니다.
과도 회복전압(TRV): TRV는 고장이 발생하여 차단기 접점이 개방될 때, 차단기 양 단자 간에 나타나는 전압으로, 회로의 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의해 나타나는 과도적인 전압입니다.
TRV와 차단기 성능: TRV는 차단기 성능을 나타내는 중요한 요소로 작용하며, 과도 회복전압이 높을수록 차단기에서 발생하는 전기적 스트레스가 커져 차단 능력이 저하될 수 있습니다.

2. 과도 회복전압의 발생 메커니즘

1) 발생 원인

고장이 발생할 때, 차단기가 전류를 차단하면서 아크가 발생합니다. 이때 아크 전압과 회복전압 간의 차이에 의해 전압이 반등하며, 차단 후에도 계속해서 아크가 지속될 수 있습니다.
이로 인해 차단기의 회복이 늦어지면서 차단기 양극 간에 순간적으로 높은 전압이 발생하게 됩니다. 이 현상을 과도 회복전압이라고 합니다.

2) 발생 과정

차단기가 회로를 개방하는 순간, 아크가 발생하여 전압이 회복되기 시작합니다. 이때 전압이 빠르게 변동하면서 TRV가 발생하며, 차단기의 접점 사이에서 과도 전압이 급격히 증가합니다.
이 과정을 그래프로 나타내면, 차단기가 전류를 차단한 후 아크가 발생하고, 그 후 회복전압이 서서히 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

3. TRV에 영향을 주는 요인

1) 계통의 인덕턴스와 커패시턴스

계통에서 TRV는 회로의 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의해 결정됩니다. 인덕턴스가 클수록 TRV의 상승 속도가 증가하며, 커패시턴스가 클수록 TRV의 크기가 커집니다.

2) 계통의 고장 전류 크기

고장 전류의 크기가 클수록 TRV의 크기도 커집니다. 고장 전류가 큰 계통일수록 차단기가 차단한 후 발생하는 회복전압이 높아져, 차단기의 차단 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다.

3) 차단기와 변압기 등의 특성

차단기, 변압기 등의 특성 및 설계에 따라 TRV의 영향을 더 크게 받는 경우가 있습니다. 특히 차단기의 내압 능력에 따라 TRV에 대한 차단기의 대응 능력이 달라집니다.

4. 과도 회복전압이 차단기에 미치는 영향

1) 차단기의 스트레스 증가

TRV가 크거나 과도 전압이 급격하게 상승하면 차단기에 큰 스트레스를 유발하게 됩니다. 이러한 스트레스는 차단기의 절연 성능을 저하시켜 차단 실패를 초래할 수 있습니다.

2) 전기적 아크 발생

TRV가 발생할 때, 전기적 아크가 다시 발생할 가능성이 있습니다. 이는 차단기의 접점 사이에서 고전압이 지속될 때 나타나며, 차단기의 내구성에 큰 영향을 줍니다.

3) 차단기 수명의 단축

TRV가 반복적으로 발생하면 차단기의 수명이 크게 단축될 수 있습니다. 이는 차단기가 고장 전류를 차단할 때마다 발생하는 전기적 스트레스에 의한 것으로, 장기적으로 차단기의 성능을 저하시키게 됩니다.

5. 과도 회복전압에 대한 대책

병렬 저항과 커패시터 사용: 과도 회복전압의 크기를 줄이기 위해 병렬로 저항(R-C 조합)을 삽입하여 TRV 상승을 억제할 수 있습니다.
SFA 사용: SFA(Surge Arrestor)를 이용하여 서지에 의한 과도 전압을 완화시키고, 차단기에 가해지는 전기적 스트레스를 줄일 수 있습니다.
회로의 인덕턴스 감소: TRV에 큰 영향을 미치는 인덕턴스를 줄이기 위한 설계적 개선이 필요합니다.

결론

과도 회복전압(Transient Recovery Voltage, TRV)은 차단기의 성능과 수명에 중대한 영향을 미치는 요소입니다. 고장 전류가 차단된 후 발생하는 과도 전압은 차단기의 전기적 스트레스를 유발하며, 차단 실패나 성능 저하의 원인이 될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 계통의 인덕턴스와 커패시턴스를 적절히 조정하고, 병렬 저항 및 커패시터를 이용한 대책이 필요합니다.

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