[논문]배전용 변압기 고압측으로의 뇌서지 전파

이복희; 이수봉; 김병근; 이승칠; 이동문; 정동철

문제 정의

또한 뇌격은 배전용 변압기의 1차측 활선이나 중성 선에 침입하거나 배전용 변압기 2 차측 인입선을 통하여 침입하는 경우가 있다. 따라서 본 연구에서는 배전용 변압기 2차 측 인입선을 통하여 침입한 뇌격이 배전용 변압기 1차 측으로 전파되는 양상과 배전용 변압기 2차 측에 설치한 저압전원용 SPD의 보호 효과에 대하여 조사하였다.
본 논문에서는 배전용 변압기 1차 측의 배전용 피뢰기의 설치 유무에 따라 변압기를 거쳐 1차측으로 이행되는 뇌서지의 특성을 분석하고, 뇌 서지 전압의 억제를위한 배전용 변압기 2차 측 인입선에 설치한 저압 전원용 SPD의 보호 효과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이행되는 뇌 서지의 특성을 분석하였다. 또한 뇌 서지 억제를 위한 배전용 변압기 1차 측의 피뢰기와 배전용 변압기 2차측에 설치한 저압 전원용 SPD의 보호 효과를 조사하였다.
또한 배전용 변압기 1차 측 피뢰기의 설치유무에 따른 뇌 서지의 전파와 저압 전원용 SPD를 설치한경우에 전파되는 뇌 서지의 양상을 분석하였다. 이 때저압 SFD를 설치한 경우는 스위치 SI, S2를 닫은 경우이다.
9 kV, 10 kVA 배전용 변압기를 사용하였다. 또한 배전용 변압기 2차 측에 설치한 저압 전원용 SPD(surge protective devices : SPD)는 동작개시전압이 470 V인 산화아연 바리스터를사용하였다.
淀陽의 뇌임펄스전압을 인가한 경우 저압 전원용 SPD의 설치에 따른 SFD의 보호 효과를 나타내는 인가전압, 배전용 변압기 1차 측으로 이행되는 전압, 배전용 변압기 2 차측 L-N상에 유도되는 전압, 방전전류에 대한 파형을 그림 6에 나타내었다. 또한 저압 전원용 SPD의 정확한 전압과 전류 특성을 나타내기 위해 시간 범위를 20 “s와 100 侬로 조절하여 파형을 취득하였다.
배전용 변압기 2차 측 인입선의 인가전압은 L상과 G 상 사이에 인가하였고, 배전용 변압기의 1차측으로 전파되는 뇌서지는 변압기 1차 측 L 상과 G 상 사이에서 측정하였다. 또한 배전용 변압기 1차 측 피뢰기의 설치유무에 따른 뇌 서지의 전파와 저압 전원용 SPD를 설치한경우에 전파되는 뇌 서지의 양상을 분석하였다.
본 논문에서는 뇌임펄스 전압이 배전용 변압기 2차측 (저압측)으로 입사하였을 때 배전용 변압기 1차 측(고압측) 피뢰기의 설치 유무에 따라 변압기를 거쳐 1차 측으로 이행되는 뇌 서지의 특성을 분석하였다. 또한 뇌 서지 억제를 위한 배전용 변압기 1차 측의 피뢰기와 배전용 변압기 2차측에 설치한 저압 전원용 SPD의 보호 효과를 조사하였다.
실험에서는 IEEE Std587에 의해 요구되는 시험 전압과 전류 파형으로 1050 侬, 8/20 侬 뇌 임펄스전압과 전류를 발생시킬 수 있는 조합형 임펄스전압과 전류 발생장치를 이용하였다. 그림 2에서 日은 배전용 변압기 접지저항이고, 25 Q으로 유지하였다.
앞 절에서 배전용 피뢰기의 설치 유무에 따라 배전용변압기 2차측 인입선에 뇌 임펄스전압을 인가한 경우 배전용 변압기 1차 측으로 이행되는 전압에 대한 결과에따라 배전용 변압기 2차 측 인입선의 L-G 상에 저압 전원용 SPD를 설치하여 뇌 임펄스전압을 인가하였다. 그결과 배전용 변압기 1차 측으로 이행되는 전압은 저압전원용 SPD를 설치함으로 인해 SPD를 설치하지 않은경우나 배전용 피뢰기가 설치된 경우에 비해 배전용 변압기 1차측으로 이행되는 전압이 다소 낮게 나타났다.
이 때저압 SFD를 설치한 경우는 스위치 SI, S2를 닫은 경우이다. 인가전압 및 전류의 측정에는 각각 고전압 프로브와 대전류 프로브를 사용하여 측정하였고, 배전용 변압기 1차측으로 전파되는 뇌 서지는 수 ns의 상승시간과 200 MHz의 주파수 대역을 가지는 용량성 전장센서를이용하여 측정이 가능하였다. 실험에 적용한 시험전압파형을 그림 3에 나타내었다.

대상 데이터

5 kA 배전용 산화아연 갭리tm 피뢰기와 22. 9 kV, 10 kVA 배전용 변압기를 사용하였다. 또한 배전용 변압기 2차 측에 설치한 저압 전원용 SPD(surge protective devices : SPD)는 동작개시전압이 470 V인 산화아연 바리스터를사용하였다.
그림 2에서 日은 배전용 변압기 접지저항이고, 25 Q으로 유지하였다. 실험에서는 1.8 kV, 2.5 kA 배전용 산화아연 갭리tm 피뢰기와 22. 9 kV, 10 kVA 배전용 변압기를 사용하였다.

성능/효과

(1) 배전용 변압기 1차 측에 배전용 피뢰기를 설치함으로서 뇌서지전압을 억제할 수 있으며, 저압측에서 이행되는 뇌서지로 인한 변압기 내부의 절연파괴로 인한 변압기의 오손 방지에 효과적이다.
(2) 배전용 변압기 2차 측 L-G상사이에 저압 전원용 SPD를 설치함으로서 배전용 변압기 1차 측으로 이행되는 전압과 배전용 변압기 2차 측 L-N상에 유도되는 전압을 동시에 제한하는 효과가 나타나는 것을 확인하였다.
그결과 배전용 변압기 1차 측으로 이행되는 전압은 저압전원용 SPD를 설치함으로 인해 SPD를 설치하지 않은경우나 배전용 피뢰기가 설치된 경우에 비해 배전용 변압기 1차측으로 이행되는 전압이 다소 낮게 나타났다. 이는 저압 전원용 SPD가 동작함으로 인해 SPD의 동작개시전압만큼 전압을 제한하고 대부분의 전류를 변압기접지를 통해 흘려줌으로서 실제 배전용 변압기 1차측으로 이행되는 전압이 낮게 나타난 것으로 사료된다.
이는 저압 전원용 SPD가 동작함으로 인해 SPD의 동작개시전압만큼 전압을 제한하고 대부분의 전류를 변압기접지를 통해 흘려줌으로서 실제 배전용 변압기 1차측으로 이행되는 전압이 낮게 나타난 것으로 사료된다. 또한 배전용 변압기 2차 측 인입선의 L-G 상에 저압 전원용 SPD를 설치함으로서 배전용 변압기 1차측으로 이행되는 전압과 배전용 변압기 2차 측 L-N상에 유도되는전압을 동시에 제한하는 효과가 나타나는 것을 알 수있었다. 이러한 양상을 그림 7에 나타내었다.
배전용 변압기 1 차 측에 피뢰기를 설치하지 않고 1.2右0 its 뇌 임펄스전압을 1.5 kV 정도 인가한 경우 배전용 변압기의 권수비(1 : 60)에 의하여 1차측으로 약 58 kV의 전압이 이행되는 것으로 나타났다. 인가전압을증가시킴으로서 배전용 변압기 1차 측으로 이행되는 전압은 증가하는 양상으로 나타났으나 인가전압을 2 kV 이상으로 가했을 경우 100 kV 이상의 전압이 배전용 변압기 1차측으로 이행됨으로 인해 배전용 변압기 1차, 2차 권선과 변압기 외함 사이에서 절연파괴가 발생하여 2 kV 이상의 전압은 인가가 불가능하였다.
배전용 피뢰기를 배전용 변압기 1차 측에 설치한 경우 배전용 변압기 2차 측 인입선에 인가전압을 증가시킴에 따라 이행되는 전압은 피뢰기가 동작함으로 인해 피뢰기의 동작개시전압만큼의 전압이 나타났다. 수 kV 이상의 전압에서도 피뢰기의 동작으로 변압기 1차측으로 이행되는 전압을 제한함으로서 변압기 내부의 절연파괴에 의한 변압기 오손 등의 문제에 대비할 수 있다.

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