송전계통 유효접지 조건 및 지락사고 시 건전상의 전위 상승

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유효접지(Efficient Grounding) 방식의 정의

유효접지란, 전력 계통에서 1선 지락 고장 발생 시 건전상의 대지 전압이 정상 상태 대지 전압의 1.3배 이하로 유지되도록 중성점 임피던스를 조절하여 접지하는 방식을 말합니다. 이 방식은 전력 계통의 안정성을 확보하고, 과전압 발생 시 설비의 절연 파괴를 방지하는 데 목적이 있습니다. 접지 계수(Grounding Coefficient)를 통해 1선 지락 시 발생할 수 있는 건전상의 전위 상승을 제한하는 것이 유효접지의 핵심입니다.

유효접지 방식의 조건

1. 건전상 대지 전압의 제한

유효접지 방식의 기본 조건은 1선 지락 고장 시 건전상의 대지 전위 상승이 상전압의 1.3배 이하가 되도록 유지하는 것입니다. 이는 정상 상태에서의 대지 전압을 기준으로, 과전압이 발생할 때도 일정한 범위 내에 건전상의 전압을 유지하여 설비의 절연 레벨을 안정적으로 유지할 수 있도록 합니다.

2. 접지 계수(Grounding Coefficient)

유효접지의 또 다른 조건은 접지 계수가 75% 이하가 되도록 하는 것입니다. 접지 계수는 다음과 같이 정의됩니다:

$$
\text{접지 계수} = \frac{\text{1선 지락 시 건전상의 대지 전압의 최고값}}{\text{사고 제거 후의 선간 전압}} \times 100[\%]
$$

이때, 접지 계수가 75% 이하가 되도록 중성점 임피던스를 조절하여, 고장 시 과전압이 선간 전압의 75%를 넘지 않도록 제어합니다.

3. 영상 임피던스 대 정상 임피던스의 비율

유효접지의 또 다른 조건으로는 영상 임피던스($Z_0$)와 정상 임피던스($Z_1$)의 비율을 만족해야 한다는 것입니다. 이는 다음과 같은 수식으로 표현됩니다:

$$
\frac{Z_0}{Z_1} \leq 3
$$

여기서,

$Z_0$ : 계통의 영상 임피던스 (Zero Sequence Impedance)
$Z_1$ : 계통의 정상 임피던스 (Positive Sequence Impedance)

이 조건을 만족해야 1선 지락 시 전압 상승을 억제할 수 있습니다. 영상 임피던스가 정상 임피던스의 3배 이하가 되면, 유효접지로서 적합한 조건을 충족하게 됩니다.

지락 사고 시 건전상의 전위 상승

1선 지락 사고가 발생할 때, 고장이 발생한 상의 전위는 0이 되며, 나머지 건전상들은 정상 상태보다 높은 대지 전압을 가지게 됩니다. 이러한 건전상의 전위 상승은 계통의 정상 임피던스와 영상 임피던스의 비율에 따라 결정됩니다.

1. 건전상 대지 전압 상승 수식

1선 지락이 발생했을 때, 건전상의 대지 전위는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있습니다:

$$
V_s = \left( a – \frac{Z_0}{Z_1} \right) \cdot E_a
$$

여기서,

$V_s$ : 1선 지락 시 건전상의 대지 전위
$a$ : 고장 직전의 건전상의 대지 전압 (일반적으로 1로 정의)
$E_a$ : 고장 직전의 상전압
$\frac{Z_0}{Z_1}$ : 영상 임피던스와 정상 임피던스의 비율

이 수식에서 $Z_0$ 값이 커지면, 건전상의 대지 전압도 급격하게 증가하게 됩니다. 따라서 유효접지에서는 $Z_0$ 값을 $Z_1$의 3배 이하로 조절하여, 건전상의 전위 상승을 제한합니다.

2. 지락 사고 시 전위 상승의 시각적 표현

유효접지 조건을 만족하지 않는 계통에서는 1선 지락 시 건전상의 대지 전위가 정상 대지 전압의 2배까지 상승할 수 있습니다. 그러나, 유효접지에서는 이를 1.3배 이하로 억제할 수 있어, 계통의 안정성을 확보할 수 있습니다.

3. 예시: 154kV 계통에서의 건전상 전위 상승

154kV 계통에서 1선 지락 고장 발생 시, 유효접지 조건을 만족하면 건전상의 대지 전위 상승은 다음과 같이 제한됩니다:

건전상 대지 전위 상승 한계:
$154kV \times 1.3 = 200.2kV$
정상 상태의 대지 전위:
$154kV / \sqrt{3} = 88.97kV$

따라서, 1선 지락 시에도 건전상의 대지 전위가 200.2kV 이하로 유지되어, 절연 강도를 높이지 않고도 안정적인 계통 운용이 가능합니다.

유효접지의 적용 장점

전위 상승 억제로 인한 절연 비용 절감
유효접지 방식을 사용하면, 1선 지락 시 전위 상승을 억제하여 변압기 및 송전선로의 절연 레벨을 낮출 수 있습니다. 이는 고전압 설비의 절연 비용을 절감하고, 전체적인 설비 경제성을 높이는 효과가 있습니다.
지락 사고 시 설비 보호
유효접지 방식에서는 1선 지락 시 발생하는 영상 전류의 크기를 제한하여, 지락 사고 발생 시 보호 계전기가 신속하게 동작할 수 있도록 합니다. 이는 계통의 고장 복구 시간을 단축시키고, 설비의 손상을 줄여줍니다.
피뢰기 및 보호 장치의 소형화
1선 지락 시 발생하는 과전압이 제한되므로, 피뢰기(Lightning Arrester)의 정격 전압을 낮출 수 있습니다. 이는 피뢰기의 소형화를 가능하게 하여, 설비 설치 공간 및 비용을 줄일 수 있습니다.

결론

유효접지 방식은 1선 지락 시 건전상의 전위 상승을 제한하여, 계통의 절연 비용을 절감하고, 설비 보호를 강화할 수 있는 효과적인 접지 방식입니다. 이를 통해 전력 계통의 안정성을 높이고, 과전압에 의한 설비 손상을 방지할 수 있습니다. 초고압 계통에서는 유효접지 방식을 통해 경제성과 안정성을 동시에 확보할 수 있으므로, 신뢰성 있는 전력 시스템 운영에 필수적인 방식이라 할 수 있습니다.