피뢰기

피뢰기는?

뇌 또는 회로의 개폐 등으로 인하여 발생하는 과전압의 파고치가 어느 값을 초과할 경우 방전을 함으로써 과전압을 제한하여 전기시설을 보호

따라서 피뢰기는 이와 같은 이상전압을 제한하고 전력계통의 정상적인 운전에 영향을 주지 않기 위해서는 전력기기에 병렬로 접속되어 이상전압의 발생에 수반하는 이상전류를 피뢰기가 부담함으로써 피보호기기의 절연을 확하고, 적정전압으로 된 다음에는 계속 흐르는 속류를 단시간에 차단하는 기구를 구비해야 한다

피뢰기의 종류에는 저항형, 밸브형, 방출형 등으로 대별되며 전기설비기준에 중요기기의 경우에는 이상충격파로부터 기기 보호를 위해 피뢰기를 설치

1)정격전압

정의 1:
속류를 차단할 수 있는 최고 상용주파 교류전압의 실효값
계통의 최고 허용전압에서 1선 지락사고가 발생했을 때, 건전상의 대지전위 상승(접지계수)에 약간의 여유율를 갖는 전압으로 하고 있다.

\[V_n=\alpha\times\beta\times V_m /\sqrt{3}\]\[Vn:피뢰기의 정격전압\]\[Vm:회로의 최고전압(선간전압)\]\[\alpha :접지계수, \beta : 여유율\]

정의 2
피뢰기와 접지전극 사이에 인가할 수 있는 상용주파수의 최대 교류전압의 실효값

2)제한전압

피뢰기의 동작 중 계속해서 걸리는 피뢰기의 단자전압의 파고값 즉, 충격전류 방전으로 저하되고 피뢰기 단자간에 남는 전압으로 피뢰기 방전 중 충격전압이 제한되어 피뢰기 양단자간에 잔류하는 충격전압으로서 발·변전소의 기기의 뇌임펄스 내전압(BIL)보다 충분히 낮아야 한다.

피뢰기의 제한전압은 피보호 기기의 뇌임펄스 내전압(BIL)의 80(%)이내로 선정하는 것으로 하고 있다.

3)충격파 방전 개시전압

피뢰기의 단자간에 충격전압을 인가하였을 경우 방전을 개시하는 전압의 순시값

4)상용주파 방전개시전압

상용주파수의 교류전압을 인가하였을 경우 방전을 개시하는 전압의 실효값이며, 보통 피뢰기의 정격전압의 1.5배 이상으로 잡는다.

5)충격비

\[충격비=\frac{충격방전개시전압(파고값)}{상용주파방전개시전압(최대값)}\]

6)제한접압비

\[제한전압비=\frac{피뢰기의제한전압(파고값)}{피뢰기의 정격전압(실효값)}\]

7)방전내량(내구성 개념)

피뢰기를 통해서 대지로 흐르는 전류 : 방전전류(파고값)
방전전류의 허용 최대 한도 방전내량

피뢰기의 기능

이상전압의 내습(뇌서지, 개폐서지)에 대하여 신속하게 방전특성을 가질것 : 이상전압 신속방전 – 기기를 보호
방전 후 이상전류 통전 시의 단자전압을 일정 전압 이하로 억제할것 : 이상전류통전시 단자전압 억제
이상전압 처리 후 속류를 차단하여 자동회복능력을 가질것 : 속류차단
반복동작에 대하여 특성이 변화하지 않을 것 : 반복동작

구성요소

1)특성요소

SiC(탄화규소입자)또는 ZnO를 각종 결합체와 혼합하여 고온속성하면 비저항특성을 지닌다
큰 전압은 저저항값, 낮은 전압은 고저항값으로 속류를 차단한다

2)직렬갭(주갭)

정상전압은 절연 상태를 유지하고 이상 과전압은 대지로 방전시키는 역할을 한다
즉, 이상과전압은 흡수 및 속류를 차단하는 장치

3)소호코일

아크 소멸이 목적

4)측로갭

전압분담 목적

5)분로저항

외부 자기질에 흐르는 누설전류를 적게 하고, 속류를 차단하는 목적

구비조건 및 용어 설명

1)구비조건

충격방전 개시전압이 낮을 것
상용주파 방전개시 전압이 높을 것
(방전내량이 크면서 )제한전압이 낮을 것
속류차단 능력이 클 것

2)용어

방전전류
갭의 방전에 따라 피뢰기를 통해서 대지로 흐르는 충격전류

공칭 방전전류 [kA]	피뢰기 정격전압 [kV]	비 고
20	576	발전소/ 변전소
10	288, 144, 21	발전소/ 변전소
5	21	발전소/ 변전소
2.5	18	배전선로/ 수용가

충격파 방전개시전압
피뢰기의 단자간에 충격전압을 인가하였을 경우 방전을 개시하는 전압의 순시값

상용주파 방전개시전압
상용주파수의 교류전압을 인가하였을 경우 방전을 개시하는 전압의 실효값이며, 보통 피뢰기의 정격전압의 1.5배 이상으로 잡는다.

제한전압
피뢰기 방전 중에 피뢰기에 남게 되는 충격전압(즉, 피뢰기가 처리하고 남은 전압)

속류
방전전류에 이어서 전원으로부터 공급되는 사용주파수의 전류가 직렬갭을 통해서 대지로 흐르는 전류

종류

1)갭저항형

특성요소(탄화규소입자)와 직렬갭으로 구성된 단위소자를 필요한 개수만큼 쪼개어서 애자속에 밀봉한 구조의 피뢰기

2)갭리스형

직렬갭이 없고 특성요소(ZnO)만으로 형성되어 있으며 특징은 다음과 같다

직렬갭이 없어 구조가 간단하다
소손 위험이 작고 성능이 뛰어나다
속류가 없어 빈번한 동작에도 잘 견딘다
속류에 따른 특성요소의 변화가 작다
직렬갭이 없어 특성요소의 사고 시 지락사고와 같은 경우로 연결될 수 있다

특성

1)동작특성

상용주파수의 계통전압에 서지가 겹쳐 뇌임펄스 방전개시전압에 도달하면 피뢰기가 방전된다
동시에 방전전류가 흐르고 제한전압이 발생한다
서지전압이 소멸후 피뢰기 도통 상태에서 속류가 흐흐며, 전류가 0점에서 속류를 차단하고 원상태로 회복된다
이러한 제한 동작이 반사이클 내의 짧은 시간에 이루어진다.

2)피뢰기의 방전특성

3)방전내량

피뢰기가 방전했을 때 대전류에 의해 열화, 파괴 등을 초래하는데 이 한도를 방전내량이라 한다

4)보호레벨

피뢰기가 어느 정도의 전열기기까지 보호할 수 있느냐, 과전압을 어느 정도까지 억제할수 있느냐의 정도로, 방전특성과 제한전압특성으로 결정된다.

방전특성
서지전압 등이 피뢰기에 인가된 방전을 개시하는 전압을 말하며, 방전전압 파고 값은 정격전압의 1.6~3.6배 범위(충격파 방전개시전압)
제한전압특성
피뢰기에 방전전류가 흐를 경우의 피뢰기 단자전압이며 서지방전 중 이 값 이하로 제한하는 전압이다

5)열폭주현상

정의
- 산화아연소자()에 일정 전압을 인자하면 누설전류가 흐르는데, 이 누설전류에 의하여 발열량이 방전열량과 평행을 이루면 피뢰기는 일정 전압에서 안정하다
- 발열량이 방열량보다 커지면 산화아연소자의 온도는 증가, 소자의 저항이 감소한다. 따라서 누설전류가 증가하게 되는데 이 누설전류의 증가로 피뢰기가 과열되고 파괴에 이르는 현상을 말한다
- 전압인가->누설전류발생->발열>방열->누설증가->저항감소->열폭주

산화아연소자의 발열곡선
- 발열곡선 (P) : 발열량 P는 온도에 비례하고 지수함수적으로 증가
- 방열곡선 (Q) : 온도에 대비하여 비례적 증가
- Delbong=Q (S점) : 안정
- P>Q (U점 초과) : 고장전류에 의한 열적 트리거로 소자온도 증가->소자저항 감소->누설전류 증가
- P<Q (U점 이하) :
대책 : 열화상카메라 검사

피뢰기의 정격 및 절연협조

1)정격전압 선정

비접지계(Δ-Δ결선)

\[E_r=선로의 공칭전압\times \frac{1.4}{1.1}\]

접지계(Y-Y결선)

\[E_r=\alpha\beta V_m\]

Er : 정격전압, α : 접지계수,
β : 여유도, Vm : 최고허용전압

2)방전전류 검토

10[kA]
발,변전소, 154[kA] 이상의 전력계통, 66[kAV] 계통의 변전소에 3,000[kVA] 초과 장소, 장거리 송전선 등

5[kV]
66[kA] 계통의 변전소에 3,000[kVA] 이하 장소

2.5[kA]
배전선로, 일반 수용가

3)피보호기의 절연강도 검토

내용연수 이내에서 대지절연 충격전압에 대한 파괴전압을 기준충격 절연강도 BIL를 하회하지 않을것
내용연수 이내에서 대지절연 개쳬서지에 대한 파괴전압은 기준충격 절연강도BIL의 85%를 하회하지 않을 것

4)지속성 이상전압 검토

지속성 이상전압은 지락 고장, 페란티 효과, 자기마찰에 의한 발생
피뢰기 설치점에서 최고 허용전압은 1선 지락사고 시 건선상의 상승대지전압에서 약간의 여유를 두는 것이 좋다

피뢰기의 설치 및 결정

기기와 피뢰기가 같은 곳에 있으면 기기에 걸리는 전압은 피뢰기에 걸리는 전압과 동일하지만 거리가 너무 멀면 기기에 걸리는 전압은 피뢰기에서 억제하는 전압(Vp)보다 크게 된다.
일반적으로 345[kV]에서는 85[m]이내,154[kV]급에서는 65[m]이내, 66[kV]에서는 45[m]이내,22[kV]급 및 22.9[kV]에서는 20[m]이내가 적당하다

\[V_t=V_a+\frac{2l}{v}\times S[kV]\]

Vt: 변압기에 걸리는 뇌서지 전압
Va: 피뢰기의 제한전압
S: 파두준도 (차폐선로: 500[kV/μs], 일반선로: 200[kV/μs])
l: 변압기와 피뢰기의 이격거리[m]
v: 진행파 속도
(가공선: 300[m/μs], 케이블: 150[m/μs])

피뢰기의 접지선 굵기 선정

\[S=\frac{\sqrt{t}\times I_s}{282}[mm^2]\]

t : 고장계속시간, S : 접지선 굵기,
Is : 낙뢰전류 또는 고장전류[A],
282 : 도체 또는 절연재질에 따라 다른 값을 가짐

기타

1)피뢰기 설치위치(=설치장소)

발 변전소 또는 이에 준하는 장소의 가공전로의 인입구, 인출구
배전용 변압기의 고압 측 및 특별고압 측 가공선로
특고압으로 수전받는 수용가 인입구 가공선로
지중선로와 가공전선로가 접속되는 곳

2)피뢰기의 시설

피보호기의 제1대상은 변압기
접지선은 가능한 한 짧게 한다
피뢰기와 피보호기의 접지선은 연접

3)피뢰기의 정격전압

전압 [kV]	중성점 접지방식	변전소 [kV]	배전선로 [kV]
345	유효접지	288
154	유효접지	144
66	비접지	72
22	비접지	24
22.9	다중접지	21	18

4)피뢰기 제한전압과 방전전류관계

\[V_a=\frac{2Z_2}{Z_1+Z_2}V_i-\frac{Z_1Z_2}{Z_1+Z_2}I_a\]

\[i_a=\frac{2Z_2V_i-Z_1V_a-Z_2V_a}{Z_1Z_2}\]