AEA 고장*

1)옴법 (Ohm’s Law Method)

• 기본 원리: 옴의 법칙(V = I × R)을 직접 적용하여 단락전류를 계산하는 방법입니다.
• 장점: 간단하고 직관적이며, 소규모 시스템에 적용하기 용이합니다.
• 단점: 복잡한 전력 시스템에서는 회로의 임피던스를 정확하게 파악하기 어렵고, 계산이 복잡해질 수 있습니다.

2. 단위법 (Per Unit Method)

• 기본 원리: 모든 전기량을 기준값(base value)에 대한 비율로 나타내어 계산하는 방법입니다.
• 장점: 시스템의 크기나 전압 레벨에 상관없이 일관된 계산이 가능하며, 계산 과정이 간단해집니다.
• 단점: 기준값을 설정해야 하는 번거로움이 있고, 물리적인 의미를 파악하기 어려울 수 있습니다.

3. 임피던스법 (Impedance Method)

• 기본 원리: 회로의 임피던스를 이용하여 단락전류를 계산하는 방법입니다.
• 장점: 회로의 복잡성을 고려할 수 있으며, 단락전류를 정확하게 예측할 수 있습니다.
• 단점: 회로의 임피던스를 정확하게 모델링해야 하며, 계산이 복잡해질 수 있습니다.

4. 퍼센트 임피던스법 (Percent Impedance Method)

• 기본 원리: 기기의 임피던스를 기준용량에 대한 백분율로 표시하여 계산하는 방법입니다.
• 장점: 단위법과 유사하게 계산이 간단하며, 다양한 기기의 임피던스를 비교하기 용이합니다.
• 단점: 기준용량을 설정해야 하며, 물리적인 의미를 파악하기 어려울 수 있습니다.

비대칭 전류란?

비대칭 전류는 교류 전원에서 발생하는 단락 전류와 같이, 전류의 크기나 위상이 시간에 따라 변화하는 전류를 의미합니다. 특히 단락 전류는 초기에는 직류 성분이 포함되어 주기적인 교류 성분과 합쳐져 파형이 비대칭적으로 나타납니다. 이러한 비대칭 전류는 시스템에 큰 영향을 미치며, 차단기 선정 시 고려해야 할 중요한 요소입니다.

비대칭 전류가 발생하는 이유:

• 직류 성분: 단락 발생 시, 인덕턴스에 의해 자기장이 형성되고 이 자기장이 붕괴하면서 유도되는 직류 성분이 발생합니다.
• 비대칭 파형: 직류 성분과 교류 성분이 합쳐져 전류 파형이 비대칭적으로 나타납니다.

비대칭 전류가 차단기 용량 선정에 미치는 영향

• 최대 차단 전류: 비대칭 전류는 최대값이 대칭 전류의 최대값보다 크기 때문에, 차단기는 이러한 최대 비대칭 전류를 차단할 수 있어야 합니다.
• 동적 안정도: 비대칭 전류는 차단기 접점에 큰 전자기력을 발생시켜 접점 재접촉이나 아크 재발을 유발할 수 있습니다. 따라서 차단기는 이러한 동적 안정도를 확보해야 합니다.
• 열적 안정도: 비대칭 전류는 차단기 접점에 높은 열을 발생시켜 접점 용융이나 손상을 야기할 수 있습니다. 따라서 차단기는 이러한 열적 안정도를 확보해야 합니다.

차단기 용량 선정 시 고려 사항

• 최대 비대칭 전류: 단락 발생 시 흐를 수 있는 최대 비대칭 전류를 정확히 계산하여 차단기의 차단 용량을 결정해야 합니다.
• 차단기의 종류: 진공 차단기, SF6 차단기 등 다양한 종류의 차단기가 있으며, 각 차단기의 특성에 맞게 용량을 선정해야 합니다.
• 시스템 조건: 전원 전압, 단락 임피던스, 시스템 용량 등 다양한 시스템 조건을 고려하여 차단기를 선정해야 합니다.
• 안전율: 예상치 못한 상황에 대비하여 적절한 안전율을 적용해야 합니다.

단락사고란?

단락사고는 전력계통에서 두 개 이상의 도체가 비정상적으로 접촉하여 저항이 매우 낮은 상태가 되는 현상을 말합니다. 이는 짧은 시간에 매우 큰 전류가 흐르게 되어 설비 손상, 화재 등 심각한 문제를 야기할 수 있습니다.

전동기 기여전류란?

단락사고가 발생하면 전력계통에 연결된 전동기는 부하의 관성에 의해 계속 회전하면서 마치 발전기처럼 작동하게 됩니다. 이때 전동기는 사고점으로 전류를 공급하는데, 이를 기여전류라고 합니다. 즉, 전동기는 단락사고 발생 시 오히려 사고 전류를 증가시키는 역할을 하게 됩니다.

• 기여전류의 특징:
  • 크기: 일반적으로 전동기 정격전류의 6~8배 정도로 매우 큽니다.
  • 지속시간: 약 3~4 사이클 정도로 짧습니다.
  • 영향: 단락사고 시 차단기를 선정하고 보호계전기를 설정하는 데 중요한 요소입니다.

과도 리액턴스란?

전동기의 과도 리액턴스는 단락사고 발생 직후 순간적으로 발생하는 리액턴스를 말합니다. 전동기의 권선에 흐르는 전류가 급격하게 변화하면서 자기장이 변화하고, 이로 인해 유도되는 전압이 발생하여 마치 코일과 같은 역할을 하게 됩니다. 이러한 현상을 과도 리액턴스라고 합니다.

• 과도 리액턴스의 특징:
  • 크기: 정상 상태의 리액턴스보다 훨씬 큽니다.
  • 지속시간: 매우 짧은 시간 동안만 유지됩니다.
  • 영향: 과도 리액턴스는 기여전류의 크기를 결정하는 중요한 요소입니다. 과도 리액턴스가 클수록 기여전류는 작아집니다.

왜 전동기 기여전류를 고려해야 할까요?

• 차단기 선정: 단락사고 시 흐르는 전류를 차단하기 위해서는 차단기의 차단용량을 충분히 확보해야 합니다. 따라서 전동기 기여전류를 고려하여 차단기를 선정해야 합니다.
• 보호계전기 설정: 보호계전기는 단락사고 발생 시 빠르게 차단기를 동작시켜 설비를 보호하는 역할을 합니다. 전동기 기여전류를 고려하여 보호계전기를 설정하지 않으면 오동작이나 미동작이 발생할 수 있습니다.

결론

단락사고 시 전동기는 기여전류를 발생시켜 사고 전류를 증가시키는 역할을 합니다. 과도 리액턴스는 기여전류의 크기를 결정하는 중요한 요소이며, 전동기 기여전류는 차단기 선정 및 보호계전기 설정에 있어서 반드시 고려해야 할 요소입니다.

1️⃣단락전류(Is) 계산목적

☑️단릭전류계산목적(개보시씨 케계유)

• 개폐기류(차단기등)의 차단용량 산출
• (보호)계전기의 형식 및 정정 계산
• 보호계전기의 한시탭
• CT선정, 보호계전기의 순시탭
• 케이블 배선 등의 굵기 결정
• 계통 안정성에 미치는 영향
• 유효접지 검토
• 기기의 (열적)기계적강도
• 타 회로에 미치는 단락 시의 전압강하

변압기 등가회로 및 임피던스 전압 설명

변압기 등가회로

변압기는 복잡한 구조를 가지고 있지만, 분석을 간편하게 하기 위해 등가회로로 표현합니다. 등가회로는 실제 변압기의 특성을 간략화하여 전기적인 성질을 나타내는 회로입니다.

변압기 등가회로 구성 요소:

• 1차 권선 저항(R1): 1차 권선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 저항 손실을 나타냅니다.
• 1차 권선 누설 리액턴스(X1): 1차 권선의 자기장이 다른 부분을 유도하여 발생하는 리액턴스입니다.
• 2차 권선 저항(R2): 2차 권선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 저항 손실을 나타냅니다.
• 2차 권선 누설 리액턴스(X2): 2차 권선의 자기장이 다른 부분을 유도하여 발생하는 리액턴스입니다.
• 마그네틱 코어 저항(Rm): 자기회로의 자기저항을 나타내며, 여자전류와 관련이 있습니다.
• 마그네틱 코어 누설 리액턴스(Xm): 자기회로의 누설 자속에 의한 리액턴스입니다.

등가회로 종류:

• 정확한 등가회로: 모든 요소를 포함한 가장 정확한 등가회로이지만, 분석이 복잡합니다.
• 근사 등가회로: 실제 분석에 주로 사용되는 등가회로로, 필요에 따라 일부 요소를 생략하거나 단순화할 수 있습니다.

임피던스 전압

임피던스 전압은 변압기의 단락 시험을 통해 얻어지는 값으로, 변압기의 임피던스를 나타내는 지표입니다. 2차측을 단락시키고 1차측에 정격 전류가 흐르도록 할 때, 1차측에 인가되는 전압을 임피던스 전압이라고 합니다.

임피던스 전압의 의미:

• 변압기의 단락 특성: 임피던스 전압이 낮을수록 단락 시 흐르는 전류가 커지므로, 변압기의 단락 강도가 약해집니다.
• 전압 변동률: 임피던스 전압은 변압기의 전압 변동률과 밀접한 관련이 있습니다. 임피던스 전압이 낮을수록 부하 변동에 따른 전압 변동이 커집니다.
• 보호 계전기 설정: 임피던스 전압은 보호 계전기 설정 시 중요한 고려 요소입니다.

임피던스 전압의 계산:

• 단락 시험: 2차측을 단락시키고 1차측에 정격 전류를 흘려 임피던스 전압을 직접 측정합니다.
• 등가회로 이용: 등가회로를 이용하여 계산할 수 있습니다.

임피던스 전압의 중요성:

• 변압기 선정: 변압기의 용량, 종류, 설치 환경 등을 고려하여 적절한 임피던스 전압을 가진 변압기를 선정해야 합니다.
• 계통 연계: 변압기의 임피던스 전압은 계통에 연결될 때 다른 기기와의 조화를 위해 중요한 요소입니다.
• 보호 계전기 설정: 보호 계전기는 임피던스 전압을 기반으로 설정되어야 합니다.

결론

변압기 등가회로는 변압기의 특성을 이해하고 분석하는 데 필수적인 도구입니다. 임피던스 전압은 변압기의 단락 특성, 전압 변동률 등을 나타내는 중요한 지표이며, 변압기 선정 및 보호 계전기 설정에 활용됩니다.

더 궁금한 점이 있다면 언제든지 질문해주세요.

• 예시 질문:
  • 변압기 등가회로에서 각 요소가 의미하는 것은 무엇인가요?
  • 임피던스 전압이 낮으면 어떤 문제가 발생할 수 있나요?
  • 변압기의 단락 시험은 어떻게 진행되나요?

참고 자료:

• 전기기기 관련 교재
• 전력공학 관련 서적
• 관련 논문

Disclaimer: 위 내용은 일반적인 설명이며, 실제 변압기 설계 및 운영에는 더욱 복잡한 요소들이 고려되어야 합니다. 정확한 분석을 위해서는 전문가의 도움을 받는 것이 좋습니다.

임피던스감소, 유도성부하의영향, 비선형부하의영향

• 비선형 부하의 영향: 비선형 부하는 고조파를 발생시켜 전력 품질을 저하시키고, 역률을 감소시키는 원인이 됩니다. 단락 시 비선형 부하의 영향이 더욱 커져 역률 저하를 가속화시킬 수 있습니다.
• 임피던스 감소: 단락이 발생하면 회로의 임피던스가 급격히 감소합니다. 임피던스는 전류의 흐름을 방해하는 성분으로, 임피던스가 감소하면 전류가 크게 증가하게 됩니다. 이때 유도성 부하의 영향으로 무효 전력 성분이 증가하여 역률이 저하됩니다.
• 유도성 부하의 영향: 대부분의 전기 기기는 유도성 부하를 가지고 있습니다. 단락 시 유도성 부하의 리액턴스 성분이 증가하여 무효 전력이 크게 증가하고, 결과적으로 역률이 저하됩니다.

단락전류의 종류

단락전류는 발생하는 위치와 상의 수에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

• 1선 지락 단락: 한 개의 상이 지락되었을 때 발생하는 단락
• 2선 단락: 두 개의 상이 단락되었을 때 발생하는 단락
• 3상 단락: 세 개의 상이 동시에 단락되었을 때 발생하는 단락

비대칭 단락

위의 세 가지 종류의 단락은 모두 비대칭 단락에 속합니다. 비대칭 단락은 3상 전류의 크기나 위상이 서로 다른 상태를 말하며, 직류 성분이 포함되어 파형이 비대칭적으로 나타납니다.

단락전류 계산 방법

단락전류를 계산하는 방법은 다양하지만, 일반적으로 다음과 같은 방법들이 사용됩니다.

1. %Z 임피던스법

• 원리: 각 전력 기기의 임피던스를 백분율 값으로 표현하고, 이를 이용하여 단락점에서 본 총 임피던스를 계산합니다.
• 장점: 계산이 간편하고, 시스템의 임피던스를 쉽게 파악할 수 있습니다.
• 단점: 정확도가 다소 떨어질 수 있으며, 복잡한 시스템에는 적용하기 어려울 수 있습니다.

2. 대칭 성분법

• 원리: 비대칭 전류를 정상 성분, 역상 성분, 영상 성분의 세 가지 성분으로 분해하여 계산합니다. 각 성분에 대한 임피던스를 구하고, 이를 이용하여 단락전류를 계산합니다.
• 장점: 정확도가 높으며, 복잡한 시스템에도 적용할 수 있습니다.
• 단점: 계산 과정이 복잡하고, 전력 계통 해석 프로그램을 사용해야 하는 경우가 많습니다.

3. 단락전류 계산 프로그램

• 원리: 전력 계통 해석 프로그램을 이용하여 시스템의 모델을 구축하고, 단락 조건을 설정하여 단락전류를 계산합니다.
• 장점: 복잡한 시스템에 대한 정확한 해석이 가능하며, 다양한 단락 조건에 대한 분석이 가능합니다.
• 단점: 프로그램 사용법을 숙지해야 하며, 프로그램의 정확성에 대한 검증이 필요합니다.

단락전류 계산 시 고려 사항

• 시스템 구성: 발전기, 변압기, 배전선 등 시스템 구성 요소의 종류와 연결 방식
• 기기의 임피던스: 각 기기의 임피던스 값
• 단락점: 단락이 발생하는 위치
• 단락 종류: 1선 지락 단락, 2선 단락, 3상 단락 등
• 시스템의 운전 조건: 부하 조건, 전압 등

단락전류 계산의 중요성

• 차단기 선정: 차단기는 단락전류를 차단할 수 있도록 충분한 용량을 가져야 합니다.
• 보호계전기 설정: 보호계전기는 단락 발생 시 빠르게 동작하여 설비를 보호해야 하므로, 단락전류의 크기를 정확히 알아야 합니다.
• 계통 안정도 분석: 단락 발생 시 계통의 안정도를 평가하기 위해 단락전류 계산이 필요합니다.

대칭좌표법이란?

전력 시스템에서 발생하는 불평형 고장은 각 상의 전압과 전류가 서로 다르기 때문에 분석이 복잡합니다. 대칭좌표법은 이러한 불평형 고장을 해석하기 위해 고안된 방법으로, 불평형인 전압이나 전류를 정상분, 역상분, 영상분의 세 가지 대칭 성분으로 나누어 분석하는 방법입니다. 각 성분은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

• 정상분: 3상이 평형을 이루는 성분으로, 정상적인 운전 상태에서와 같은 성분입니다.
• 역상분: 정상분에 대해 위상이 반대인 성분으로, 불평형 고장 시에 발생하는 성분입니다.
• 영상분: 모든 상에 동일한 크기와 위상으로 작용하는 성분으로, 주로 지락 고장 시에 발생하는 성분입니다.

대칭좌표법의 장점

• 복잡한 불평형 고장을 단순화: 불평형 고장을 세 가지 대칭 성분으로 나누어 분석함으로써 문제를 단순화할 수 있습니다.
• 각 성분별 해석: 각 성분별로 회로를 해석하여 고장의 원인과 결과를 파악할 수 있습니다.
• 보호 계전기 설정: 보호 계전기의 설정 값을 정확하게 결정하는 데 활용할 수 있습니다.

대칭좌표법의 활용

• 단락 고장 분석: 단상 지락 고장, 2상 지락 고장 등 다양한 단락 고장을 분석하여 고장 전류, 전압 등을 계산할 수 있습니다.
• 계전기 동작 특성 분석: 보호 계전기의 동작 특성을 분석하여 오동작이나 미동작을 방지할 수 있습니다.
• 계통 안정도 해석: 계통의 안정도를 평가하고, 고장 발생 시 계통의 동작을 예측할 수 있습니다.

대칭좌표법의 계산 과정

1. 불평형 전압, 전류를 대칭 성분으로 분해: α, β 변환을 이용하여 불평형 전압, 전류를 정상분, 역상분, 영상분으로 분해합니다.
2. 각 성분별 회로 해석: 각 성분별로 회로를 해석하여 전류, 전압을 계산합니다.
3. 각 성분별 결과를 합성: 계산된 각 성분별 결과를 합성하여 실제 고장 상태에서의 전압, 전류를 구합니다.

대칭좌표법의 한계

• 선형 시스템에 적용: 비선형 요소가 많은 시스템에는 직접 적용하기 어렵습니다.
• 정확한 모델링 필요: 시스템을 정확하게 모델링해야 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

1. 대칭 단락전류

• 정의: 3상 전원에서 세 개의 상에 동일한 크기의 전류가 동일한 위상각으로 흐르는 상태를 말합니다. 즉, 3상 전류가 균형을 이루는 경우입니다.
• 계산 방법:
  • %Z 임피던스법: 각 기기의 %Z 임피던스를 기준용량에 맞춰 환산하고, 이를 이용하여 단락점에서 본 총 임피던스를 계산합니다.
  • 단락전류 계산 공식:
    • 단상 단락전류: Is = E / Zs
    • 3상 단락전류: Is = √3 * E / Zs
    • (Is: 단락전류, E: 상전압, Zs: 단락점에서 본 총 임피던스)
• 특징:
  • 계산이 비교적 간단하고, 대칭 조건 하에서 시스템의 동작을 분석하는 데 유용합니다.
  • 실제 시스템에서는 비대칭 조건이 더 많이 발생하기 때문에, 대칭 단락전류만으로는 정확한 분석이 어렵습니다.

2. 비대칭 단락전류

• 정의: 3상 전원에서 세 개의 상에 흐르는 전류의 크기나 위상각이 서로 다른 상태를 말합니다.
• 종류:
  • 1선 지락 단락: 한 개의 상이 지락되었을 때 발생하는 단락
  • 2선 단락: 두 개의 상이 단락되었을 때 발생하는 단락
  • 3상 단락: 세 개의 상이 동시에 단락되었을 때 발생하는 단락 (대칭 단락의 특수한 경우)
• 계산 방법:
  • 대칭 성분법: 비대칭 전류를 정상 성분(positive sequence), 역상 성분(negative sequence), 영상 성분(zero sequence)의 세 가지 성분으로 분해하여 계산합니다. 각 성분에 대한 임피던스를 구하고, 이를 이용하여 단락전류를 계산합니다.
• 특징:
  • 실제 시스템에서 발생하는 단락의 대부분은 비대칭 단락이므로, 정확한 분석을 위해서는 비대칭 단락전류를 계산해야 합니다.
  • 계산 과정이 복잡하며, 전력 계통 해석 프로그램을 사용하는 경우가 많습니다.

결론

단락전류 계산은 전력 시스템 설계 및 운영에 있어 매우 중요한 과정입니다. 대칭 단락전류는 간단한 계산으로 시스템의 기본적인 특성을 파악하는 데 유용하지만, 실제 시스템에서는 비대칭 단락이 더 많이 발생하므로 정확한 분석을 위해서는 비대칭 단락전류를 계산해야 합니다.

요약