[논문]배전용 변압기를 통하여 저압 전원선으로 전파되는 뇌서지

이복희; 이동문; 이수봉

doi:10.5207/jieie.2003.17.4.094

배전용 변압기를 통하여 저압 전원선으로 전파되는 뇌서지
Lightning Surges Transferred to Low-voltage AC Power Lines through Distribution Transformers 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.17 no.4, 2003년, pp.94 - 99

이복희 (인하대학교 전자전기공학부) , 이동문 (인하대학교 대학원 전기공학과) , 이수봉 (인하대학교 대학원 전기공학과)

초록
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정밀하고 소형화된 전자기기 사용의 증가로 인한 전원공급의 질적 향상에 대한 필요성이 강하게 증가하고 있다. 저압전원 배전계통에서의 과도 과전압은 직격 또는 유도뢰에 의해 유도되어지고, 가정, 사무실, 공장 등의 자동화시스템이나 병원설비와 같은 중요한 시스템의 손상이나 고장의 원인이 되고 있다. 본 논문에서는 임펄스 발생기를 이용하여 배전용 변압기를 거쳐 저압 전원시스템으로 이행되는 뇌과전압의 양상에 대하여 실험적으로 조사하였다. 배전용 변압기의 1차측에 설치한 피뢰기와 수용가측 추가접지는 저압 전원시스템으로 이행되는 뇌서지전압의 제한에는 크게 기여하지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

A strong need to improve the quality of electric power is increased because of increasing use of the sensitive and small-sized electronic devices. The transient overvoltages on low-voltage AC power distribution systems are induced by direct or indirect lightning return strokes, and they can cause damage and/or malfunction of the utility systems for home automation, office automation and factory automation as well as medical equipment. The behaviors of lightning overvoltages transferred through the transformer to the low voltage AC power distribution systems were experimentally investigated using a Marx generator. The surge voltages in low-voltage ac power systems are rarely limited by the application of the surge arrester to the primary side of distribution transformer and a custom service ground.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 배전선의 고압측(1차측)에 낙뢰가 입사한 경우 배전용 변압기의 저압측(2차측)으로 이행되는 뇌서지전압의 양상 및 특성을 조사하였다. 특히, 배전용 변압기의 1차측에 피뢰기와 수용 가측추가 접지의 설치 유무에 따라 2차측으로 이행되는 뇌 서지의 양상에 대하여 실험하였다.
이 논문은 전원선을 통하여 침입하는 뇌서지에 대한 효과적인 보호 대책을 마련하기 위하여 배전용 변압기의 1차측으로부터 2차측으로 이행되는 뇌 서지의 특성 분석에 기초를 두었다. 임펄스 발생 장치를 이용하여 배전용 변압기 1차측으로 1240[“s]의 뇌 임펄스전압을 인가하였을 때 배전용 변압기 1차 측 피뢰기의 설치유무에 따라2차측으로 이행되는 뇌 서지전압의 특성과 배전용 변압기 2차측 수용가에 추가로 접지를 시설하였을 경우 나타나는 이행전압의 양상을 조사하였다.

제안 방법

수행하였다. 10[kVA] 변압기의 1차측에 뇌 임펄스전압을 인가시킨 경우 저압측으로 이행되는 전압의 특성을 Pspce 프로그램으로 분석하였다. 그림 9는 시뮬레이션을 위하여 프로그램 상에서 적용한 등가회로이다.
임펄스 발생 장치를 이용하여 배전용 변압기 1차측으로 1240[“s]의 뇌 임펄스전압을 인가하였을 때 배전용 변압기 1차 측 피뢰기의 설치유무에 따라2차측으로 이행되는 뇌 서지전압의 특성과 배전용 변압기 2차측 수용가에 추가로 접지를 시설하였을 경우 나타나는 이행전압의 양상을 조사하였다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통하여 배전용 변압기의 내부 파라미터를 분석하고 저압 측으로 이행되는 뇌서지전압의 특성을 조사하였다.
배전용 변압기 1차즉에 입사하는 뇌서지를 모의한 임펄스전압을 전압선과 접지사이에 인가하였고 2 차측으로 이행되는 전압은 전압선과 중성선(차동모드), 전압선과 접지(공통모드)사이에서 측정하였다. 그리고 배전용 변압기의 접지저항은 5[Q]이고 수용가 접지저항은 1[Q]으로 설정하였다.
배전용 변압기 저압측(2차측)으로 이행되는 뇌 서지 전압의 특성과 이에 대한 배전용 변압기의 내부파라미터에 대한 정보를 얻기 위하여 이론적인 시뮬레이션을 수행하였다. 10[kVA] 변압기의 1차측에 뇌 임펄스전압을 인가시킨 경우 저압측으로 이행되는 전압의 특성을 Pspce 프로그램으로 분석하였다.
병렬충전식 8단 Mai逐형 임펄스전압 발생 장치를 이용하여 실험전압을 공급하였으며, 임펄스전압 발생 장치의 등가회로를 그림 2에 나타내었다. 뇌 임펄스전압의 파두시간(Tf) 및 파미시간(Tt)의 크기는 약 1040[间이다[9].
용량성 전계센서를 이용하여 인가전압을 측정하였고, 이 센서는 수 ns의 상승시간과 200[MHz]의 주파수대역을 가지므로 정확한 실험전압의 측정이 가능하였으며, 뇌임펄스전압 파형을 그림 3에 나타내었다
a-b단자 좌측은 인가전압인 임펄스발생기의 등가회로이고, a-b단자 우측은 뇌 서지 전파에 대한 변압기 권선의 회로정수이다. 이론적 시뮬레이션을 통하여 얻어진 인가전압과 배전용 변압기 저압측으로 이행되는 전압 파형을 나타내었다.
임펄스 발생 장치를 이용하여 배전용 변압기 1차측으로 1240[“s]의 뇌 임펄스전압을 인가하였을 때 배전용 변압기 1차 측 피뢰기의 설치유무에 따라2차측으로 이행되는 뇌 서지전압의 특성과 배전용 변압기 2차측 수용가에 추가로 접지를 시설하였을 경우 나타나는 이행전압의 양상을 조사하였다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통하여 배전용 변압기의 내부 파라미터를 분석하고 저압 측으로 이행되는 뇌서지전압의 특성을 조사하였다.
조사하였다. 특히, 배전용 변압기의 1차측에 피뢰기와 수용 가측추가 접지의 설치 유무에 따라 2차측으로 이행되는 뇌 서지의 양상에 대하여 실험하였다.
나타내었다. 피뢰기를 설치하면 인가전압이 피뢰기의 동작 개시전압 이상이 되면 피뢰기의 동작으로 피뢰기의 제한전압으로 되기 때문에 인가전압을 변수로 할 수가 없어 배전용 변압기 1차측에 피뢰기를 설치하지 않았을 경우는 인가전압을 변수로, 그리고 피뢰기 가설치된 경우에는 변압기 접지저항에 흐르는 전류를 변수로 하여 2차측에 이행되는 전압의 양상을 조사하였다.
배전선에 직격뢰 또는 유도뢰에 의해서 입사.한 뇌 서지가 배전용 변압기를 경유하여 저압측으로 이행되는 양상과 특성에 대하여 실험적으로 검토하였다. 배전용 변압기의 내부 파라미터를 기초로 뇌서지의 전파메카니즘을 분석한 바 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

그리고 배전용 변압기의 접지저항은 5[Q]이고 수용가 접지저항은 1[Q]으로 설정하였다. 실험에서는 1.8[kV] 2.5[kA] 배전용 산화아연 갭리드 피뢰기와 22.9[kV] 10[kVA] 배전용변압기를 사용하였다. 저압 전원 인입선의 길이는 30[m]로 실험을 수행하였고, 스위치 S를 닫아 수용가 추가접지를 시설한 경우를 모의하였다.
9[kV] 10[kVA] 배전용변압기를 사용하였다. 저압 전원 인입선의 길이는 30[m]로 실험을 수행하였고, 스위치 S를 닫아 수용가 추가접지를 시설한 경우를 모의하였다. 이와 같은 실험을 위한 회로도를 그림 4에 나타내었다.

성능/효과

배전용 변압기 1차 측에서 2차측으로 이행되는 차동모드전압은 피뢰기를 설치함으로서 인가전압의 크기에 따라 다르며 인가전압이 50[kV]인 경우 약 25%, 100[kV]인 경우 약 45% 150[kV]인 경우 약 65% 저감되었다. 그러나 대부분의 뇌서지 피해가 공통모드전압에 의해 발생하기 때문에 피뢰기를 설치하더라도 피뢰기에 흐르는 접지전류에 의한 전위상승분이 차동모드전압에 포함되어 공통모드전압으로 나타나기 때문에 1차측 배전용 피뢰기의 설치가 저압측으로 이행되는 공통모드 전압의 저감에는 별 효과가 없는 것으로 나타났다.
그리고 공통모드로 이행되는 뇌서지전압은 차동 모드로 이행되는 뇌서지전압에 비해 다소 높게 선형적으로 증가하는 경향으로 나타났다. 배전용 변압기 1차 측에서 2차측으로 이행되는 차동모드전압은 피뢰기를 설치함으로서 인가전압의 크기에 따라 다르며 인가전압이 50[kV]인 경우 약 25%, 100[kV]인 경우 약 45% 150[kV]인 경우 약 65% 저감되었다.
배전용 변압기 2차측 수용가에 추가로 접지를 시설한 경우 합성 접지저항이 낮아지므로 공통모드로 이행되는 전압은 추가접지를 하지 않았을 경우보다 다소 낮게 나타났다. 또한 1차측으로부터 전파되는 뇌 서지전압의 전파경로의 전기저항이 낮아져 진동의 감쇠가 적으므로 공통모드전압과 차동모드전압의 파형은 추가 접지를 하지 않은 경우보다 진동성분이 많이 포함되어 있으며 파미부의 감쇠도 적게 나타났다. 또한 변압기 접지도선에 흐르는 전류는 진동의 자태를 보이는 반면에 추가접지도선에 흐르는 전류 파형은 인입선(30 m)의 인덕턴스의 영향으로 완만하게 변동하는 양상을 보이고 있다.
그림 6에 나타내었다. 배전용 변압기 1차 측에 피뢰기가 설치되지 않았을 경우 배전용 변압기 1차 측의 인가전압이 증가함에 따라 2차측 이행전압은 차동모드와 공통모드전압 모두 증가하는 경향을 나타내었으며, 공통모드와 차동모드로 이행되는 뇌 서지전압의 크기는 거의 비슷하게 나타났다.
배전용 변압기의 1차측에 설치한 피뢰기와 수용가 측 추가접지는 저압측으로 이행되는 뇌 서지전압의 저감에는 거의 효과가 없는 것으로 나타났다. 또한 배전용 변압기를 통하여 저압측으로 이행된 뇌 임펄스전압의 실측 파형과 시뮬레이션을 통하여 얻어진 결과는 거의 유사하였다.
또한 변압기 접지도선에 흐르는 전류는 진동의 자태를 보이는 반면에 추가접지도선에 흐르는 전류 파형은 인입선(30 m)의 인덕턴스의 영향으로 완만하게 변동하는 양상을 보이고 있다. 변압기의 용량에 따라 변압기 자체의 회로정수가 다르므로 전압과 전류 파형만 약간 다를 뿐 전반적인 특성은 거의 비슷하게 나타났다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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C. K. Roy, J. R. Biswas, “Studies on impulse behaviour of a transformer winding with simulated faults by analogue modeling”. IEEE Trans., Vol. 141, No. 5, September 1994.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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