피뢰기

제공

❓피뢰기는

  • 뇌 또는 회로의 개폐 등으로 인하여 발생하는 과전압의 파고치가 어느 값을 초과할 경우 방전을 함으로써 과전압을 제한하여 전기시설을 보호
  • 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
1️⃣정격전압
  • 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
2️⃣제한전압
  • 피뢰기 단자 간에 나타나는 전압
  • 피뢰기의 동작 중 계속해서 걸리는 피뢰기의 단자전압의 파고값
  • 즉, 충격전류 방전으로 저하되고 피뢰기 단자간에 남는 전압으로 피뢰기 방전 중 충격전압이 제한되어 피뢰기 양단자간에 잔류하는 충격전압
  • 발·변전소의 기기의 뇌임펄스 내전압(BIL)보다 충분히 낮아야 한다.
  • 피뢰기의 제한전압은 피보호 기기의 뇌임펄스 내전압(BIL)의 80(%)이내로 선정하는 것으로 하고 있다.
3️⃣충격파 방전 개시전압
  • 피뢰기의 단자에 충격파 전압을 인가하였을 때 방전을 개시하는 전압의 순시값
4️⃣상용주파 방전개시전압
  • 상용주파수의 교류전압을 인가하였을 경우 방전을 개시하는 전압의 실효값이며, 보통 피뢰기의 정격전압의 1.5배 이상으로 잡는다.
5️⃣충격비
\[충격비=\frac{충격방전개시전압(파고값)}{상용주파방전개시전압(최대값)}\]
6️⃣제한전압비
\[제한전압비=\frac{피뢰기의제한전압(파고값)}{피뢰기의 정격전압(실효값)}\]
7️⃣방전내량(내구성 개념)
  • 피뢰기를 통해서 대지로 흐르는 전류 : 방전전류(파고값)
  • 방전전류의 허용 최대 한도 방전내량

❗구성요소

1️⃣특성요소
  • SiC(탄화규소입자)또는 ZnO를 각종 결합체와 혼합하여 고온속성하면 비저항특성을 지닌다
  • 큰 전압은 저저항값, 낮은 전압은 고저항값으로 속류를 차단한다
2️⃣직렬갭(주갭)
  • 정상전압은 절연 상태를 유지하고 이상 과전압은 대지로 방전시키는 역할을 한다
  • 즉, 이상과전압은 흡수 및 속류를 차단하는 장치
3️⃣소호코일
  • 아크 소멸이 목적
4️⃣측로갭
  • 전압분담 목적
5️⃣분로저항
  • 외부 자기질에 흐르는 누설전류를 적게 하고, 속류를 차단하는 목적

❗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

❗구비조건 및 용어 설명

1️⃣구비조건
  • 충격방전 개시전압이 낮을 것
  • 상용주파 방전개시 전압이 높을 것
  • (방전내량이 크면서 )제한전압이 낮을 것
  • 속류차단 능력이 클 것
2️⃣용어
  • 방전전류
    • 갭의 방전에 따라 피뢰기를 통해서 대지로 흐르는 충격전류
공칭 방전전류 [kA]피뢰기 정격전압 [kV]비 고
20576발전소/ 변전소
10288, 144, 21발전소/ 변전소
521발전소/ 변전소
2.518배전선로/ 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

1️⃣갭저항형
  • 특성요소(탄화규소입자)와 직렬갭으로 구성된 단위소자를 필요한 개수만큼 쪼개어서 애자속에 밀봉한 구조의 피뢰기
2️⃣갭리스형
  • 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

1️⃣동작특성
  • 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.
2️⃣피뢰기의 방전특성
3️⃣방전내량
  • 피뢰기가 방전했을 때 대전류에 의해 열화, 파괴 등을 초래하는데 이 한도를 방전내량이라 한다
4️⃣보호레벨
  • 피뢰기가 어느 정도의 전열기기까지 보호할 수 있느냐, 과전압을 어느 정도까지 억제할수 있느냐의 정도로, 방전특성과 제한전압특성으로 결정된다.
  • 방전특성서지전압 등이 피뢰기에 인가된 방전을 개시하는 전압을 말하며, 방전전압 파고 값은 정격전압의 1.6~3.6배 범위(충격파 방전개시전압)
  • 제한전압특성피뢰기에 방전전류가 흐를 경우의 피뢰기 단자전압이며 서지방전 중 이 값 이하로 제한하는 전압이다
5️⃣열폭주현상
  • 정의
    • 산화아연소자(ZnO)에 일정 전압을 인가하면 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
    • P=Q (S점) : 안정
    • P>Q (U점 초과) : 고장전류에 의한 열적 트리거로 소자온도 증가→소자저항 감소→누설전류 증가
    • P<Q (U점 이하)
  • 대책 : 열화상카메라 검사

ZnO 피뢰기의 열폭주

❗피뢰기의 정격 및 절연협조

1️⃣정격전압 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

2️⃣방전전류 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
3️⃣피보호기의 절연강도 검토
  • 내용연수 이내에서 대지절연 충격전압에 대한 파괴전압을 기준충격 절연강도 BIL를 하회하지 않을것
  • 내용연수 이내에서 대지절연 개폐서지에 대한 파괴전압은 기준충격 절연강도BIL의 85%를 하회하지 않을 것
4️⃣지속성 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

1️⃣피뢰기 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
2️⃣피뢰기의 시설
  • 피보호기의 제1대상은 변압기
  • 접지선은 가능한 한 짧게 한다
  • 피뢰기와 피보호기의 접지선은 연접
3️⃣피뢰기의 정격전압
전압[kV]중성점 접지방식변전소[kV]배전선로[kV]
345유효접지288
154유효접지144
66비접지72
22비접지24
22.9다중접지2118
4️⃣피뢰기 제한전압과 방전전류관계
\[V_a=\frac{2Z_2}{Z_1+Z_2}V_i-\frac{Z_1Z_2}{Z_1+Z_2}i_a\] \[i_a=\frac{2Z_2V_i-Z_1V_a-Z_2V_a}{Z_1Z_2}\]
사용기기 선정(피뢰기S)
사용기기 선정(피뢰기S)

피뢰기
피뢰기 정격선정 시 고려사항
피뢰기 저항 계산
폴리머 피뢰기
피뢰기의 단로장치
서지흡수기
SPD
서지 보호소자 특성


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