변압기 절연강도와 피뢰기 제한전압 관계

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변압기 절연강도와 피뢰기 제한전압 관계에 대해 아는 것은 적절한 절연강도 설계에 있어서 매우 중요합니다. 변압기는 전력 계통에서 중요한 역할을 수행하는 전기 기기입니다. 그러나 변압기도 외부의 이상 전압이나 피뢰기의 작동에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 변압기의 절연 강도는 이를 고려하여 설계되어야 하며, 특히 피뢰기 제한전압과의 관계가 중요합니다. 본 글에서는 변압기의 절연 강도와 피뢰기 제한전압 간의 관계를 설명하고, 절연 설계 시 고려해야 할 요소들에 대해 살펴보겠습니다.

Table of Contents

1. 계통의 절연 협조

1) 계통의 절연 협조 개념

(1) 전력 계통에서 피뢰기의 제한 전압을 기준으로 하여, 계통의 안정성과 경제성을 도모한 절연 체계를 갖추어야 합니다.
(2) 계통의 전압은 내외부 요인에 의해 상승할 수 있으며, 기기의 내전압을 적절하게 설정하여 외부 이상 전압으로부터 기기를 보호할 수 있습니다.

2) 피뢰기의 제한전압

(1) 피뢰기는 이상 전압을 제한하고, 이상 전압의 충격을 계통에서 흡수하는 역할을 합니다.
(2) 피뢰기의 동작 전압은 제한 전압으로, 이 값을 넘지 않도록 피뢰기가 계통에서 과전압을 제한하게 됩니다.

$$ e_a = \frac{2R_1}{2R_2 + Z} (e_r – e_{기타}) $$

여기서:

$e_a$: 피뢰기의 제한 전압
$R_1$, $R_2$: 전력 계통의 저항값
$Z$: 계통의 임피던스
$e_r$: 계통에 가해지는 전압
$e_{기타}$: 기타 외부 요인에 의한 전압

3) 제한전압의 결정 요소

(1) 충격파(원 전압)의 파형 및 파고 값
(2) 피뢰기의 방전 특성
(3) 접지 저항의 크기
(4) 피보호 기기와의 거리

2. 변압기의 절연 강도

1) 변압기의 절연 강도 개념

변압기의 절연 강도는 피뢰기의 제한 전압과 직접적인 관련이 있습니다. 계통 내 발생하는 과전압에 대처할 수 있는 수준으로 설정되어야 하며, 계통 전압 상승 시 이를 견딜 수 있는 능력을 갖추어야 합니다.

$$ V = \alpha \beta V_m \, [\text{kV}] $$

여기서:

$V$: 변압기의 절연 전압
$\alpha$: 절연 계수
$\beta$: 여유 계수
$V_m$: 계통 전압

2) 변압기 절연 설계 기준

변압기의 절연 강도는 피뢰기의 제한 전압보다 높아야 하며, 계통에서 발생할 수 있는 과전압을 감안한 여유 설계가 필요합니다.

(1) 피뢰기의 제한 전압은 계통 전압의 2.6배에서 3.2배 수준으로 설정됩니다.
(2) 피뢰기 자체의 접지 저항이 작을수록 제한 전압이 상승할 수 있습니다.

3. 변압기의 절연 설계 방법 (154kV 유효 전압 기준)

1) 피뢰기 정격 전압의 결정

피뢰기의 정격 전압은 변압기의 계통 전압을 기준으로 계산됩니다.

$$ V = \alpha \beta V_m [\text{kV}] $$

예를 들어, 154kV 기준의 경우:

$\alpha$: 1.1
$\beta$: 1.1
$V_m$: 144kV
따라서 $V = 144 \times 1.1 \times 1.1 = 175kV$

2) 피뢰기 제한 전압의 결정

피뢰기의 제한 전압은 피뢰기 정격 전압의 2.6배에서 3.2배 수준으로 설정됩니다.

$$ V = 144 \times 3.2 = 460 [\text{kV}] $$

3) 변압기의 절연 강도 결정

피뢰기의 제한 전압을 바탕으로 변압기의 절연 강도는 약 1.2배 여유를 두어 설정됩니다.

$$ V = 460 \times 1.2 = 552 [\text{kV}] $$

4) BIL의 크기

BIL은 기본 절연 레벨을 의미하며, 변압기의 절연 설계 시 중요한 요소입니다.

$$ BIL = 5 E + 50 \, [\text{kV}] $$

여기서 $E$는 계통에서 발생하는 최대 전압입니다.

결론

변압기의 절연 강도는 피뢰기의 제한 전압을 기준으로 설정됩니다. 변압기의 절연 강도가 충분하지 않을 경우 계통 내 발생할 수 있는 과전압으로부터 기기를 보호할 수 없으며, 이로 인해 전력 계통의 안정성이 저하될 수 있습니다. 따라서 변압기 설계 시 피뢰기의 제한 전압을 고려한 절연 설계가 필수적입니다.

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