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유효접지 방식 정의와 초고압 계통에서의 적용 이유

유효접지 방식 정의
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유효접지 방식 정의

1. 유효접지의 의미

유효접지 방식(Effectively Grounded)은 전력 계통에서 1선 지락 고장 발생 시 건전상의 전위 상승이 상전압의 1.3배 이하가 되도록 중성점 임피던스를 조절하여 직접 접지하는 방식을 말합니다. 유효접지의 목적은 1선 지락 시 발생하는 이상 전압을 제한하여 계통의 안정성을 확보하고, 기기의 절연 레벨을 낮춰 경제성을 높이는 것입니다.

또한, 유효접지 방식을 사용하면, 건전상의 대지 전위가 정상 상태에서 선간 전압의 75%를 넘지 않도록 제어됩니다. 즉, 1선 지락 시 접지 계수(Grounding Coefficient)가 1.3을 초과하지 않도록 중성점을 적절하게 제어하여 고장 시의 전위 상승을 최소화하는 것이 유효접지의 주요 특징입니다.

2. 접지 계수의 정의

접지 계수(Grounding Coefficient)는 1선 지락 시 건전상의 대지 전압의 상승 비율을 나타내며, 다음과 같은 수식으로 정의됩니다:

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

접지 계수가 75% 이하인 경우, 해당 계통은 유효접지 방식으로 분류됩니다. 이를 통해 1선 지락 시 전압 상승을 억제하고, 과전압으로 인한 기기 손상 및 감전 위험을 줄일 수 있습니다.

3. 유효접지의 수식적 표현

1선 지락 고장 시 건전상의 대지 전위가 선간 전압의 75% 이하가 되도록 하는 조건을 만족하려면, 다음의 수식을 충족해야 합니다:

$$
V_{\text{건전상}} \leq 0.75 \times V_{\text{선간}}
$$

여기서,

  • $V_{\text{건전상}}$ : 1선 지락 시 건전상의 대지 전위
  • $V_{\text{선간}}$ : 정상 상태의 선간 전압

이 수식을 만족시키는 경우, 해당 계통은 유효접지로 분류되며, 전력 계통의 안전성을 확보할 수 있습니다.


유효접지 방식 적용 이유

1. 건전상의 전압 상승 억제

유효접지 방식을 사용하면, 1선 지락 시 건전상의 대지 전압 상승이 최대 상전압의 1.3배 이하로 유지됩니다. 일반적으로, 비유효 접지 방식에서는 1선 지락 시 건전상의 대지 전압이 상전압의 2배까지 상승할 수 있습니다. 그러나 유효접지 방식을 사용하면 이러한 전압 상승을 억제하여, 전력 설비의 절연 파괴 위험을 줄일 수 있습니다.

2. 절연 레벨의 저감

유효접지 방식에서는 1선 지락 시 전압 상승이 제한되므로, 변압기송전선로의 절연 레벨을 낮추는 것이 가능합니다. 예를 들어, 154kV 계통의 경우 유효접지 방식을 적용하면 변압기와 송전선로의 절연 레벨(BIL)을 다음과 같이 저감할 수 있습니다:

  • 154kV 계통의 BIL 기준
    $154kV \times 1.3 = 200kV$
  • 단절연(Graded Insulation) 적용 시: BIL = 650kV
  • 저감절연(Reduced Insulation) 적용 시: BIL = 450kV

이를 통해 고전압 기기의 절연 비용을 절감할 수 있으며, 설비의 경제성을 높일 수 있습니다.

3. 개폐 서지 및 이상 전압 억제

유효접지 방식에서는 중성점 접지를 통해 개폐 서지 및 3상 비동기 투입 시 발생할 수 있는 이상 전압을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 중성점 접지로 인해 서지 전류가 빠르게 방전되므로, 피뢰기(Lightning Arrester)의 책무가 경감되고, 더 낮은 정격 전압의 피뢰기를 사용할 수 있습니다.

4. 보호 계전기의 동작 신뢰성 향상

유효접지 방식에서는 1선 지락 시 지락 전류가 크게 흐르기 때문에, 접지 계전기(OCGR)의 동작이 신속하고 확실하게 이루어집니다. 이는 1선 지락 사고 시 계전기 오동작이나 불감지 현상을 방지하여, 전력 계통의 보호 신뢰성을 높이는 효과가 있습니다.

5. 초고압 계통에서 유효접지 방식의 적용 이유

초고압 계통(345kV 이상)에서는 1선 지락 시 건전상의 전압 상승이 크기 때문에, 유효접지 방식을 통해 전압 상승을 제한하는 것이 매우 중요합니다. 유효접지 방식을 사용하면, 다음과 같은 이유로 초고압 계통에서 더 유리합니다:

  1. 절연 파괴 위험 감소
    초고압 계통에서는 절연 파괴가 발생할 경우, 대규모 정전 및 설비 손상이 발생할 수 있습니다. 유효접지 방식을 통해 이러한 위험을 줄일 수 있습니다.
  2. 기기 보호와 안정성 향상
    초고압 계통의 변압기와 송전선로는 고비용의 설비이기 때문에, 절연 레벨을 낮추어 경제성을 확보하고, 사고 발생 시 설비 보호를 확실히 할 수 있는 유효접지 방식을 사용하는 것이 필수적입니다.
  3. 지락 전류의 신속한 소멸
    초고압 계통에서 유효접지 방식을 사용하면, 지락 전류가 대지 임피던스를 통해 빠르게 소멸되므로, 고장 복구가 용이하고 전력 계통의 안정성이 높아집니다.

유효접지의 예시와 수식

유효접지 방식을 사용한 154kV 계통에서, 1선 지락 시 건전상 대지 전위 상승의 한계는 다음과 같이 정의됩니다:

  • 1선 지락 시 대지 전위 상승
    $154kV \times 1.3 = 200kV$
  • 선간 전압의 75% 조건
    $154kV \times 0.75 = 115.5kV$

이와 같이 유효접지 방식을 적용하면, 건전상의 대지 전압 상승이 제한되어 설비의 절연 파괴를 방지할 수 있습니다.

결론

유효접지 방식은 초고압 계통에서 전압 상승 억제, 절연 비용 절감, 서지 및 이상 전압 방지 등의 이유로 적용됩니다. 1선 지락 시 전압 상승을 제한하여 설비의 신뢰성을 높이고, 경제성을 향상시킬 수 있는 최적의 접지 방식입니다. 따라서 초고압 계통에서는 유효접지 방식을 통해 계통의 안전성과 경제성을 동시에 확보할 수 있습니다.

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