CQ4L

AEA 고장(단락 지락)

—

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B 고장,보호방식

고장(단락 지락) BB

단락전류(기본이론)
→기여전류
→단락전류(종류)
단락전류(계산법 종류)
→대칭좌표법
단락용량 경감대책(수변전설비)
→계통연계기
→초전도 한류기

단락전류(계산)
→단락전류 계산(기본)
→1선지락전류 유효접지
→2선단락 3상단락
→3상단락(단락전류 단락용량)
→단락전류 계산(전동기)
→단락전류 계산(분산전원)
→단락전류 계산(한류리액터)
→단락전류 계산(1선지락전류 3상단락전류)

❯고장(단락 지락)

☑️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

☑️단락전류의 억제대책(계임리캐퓨연저)
  • 계통분리,
  • 변압기임피던스컨트롤,
  • 한류리액터,
  • 캐스케이드 보호방식,
  • 한류퓨즈에의한 백업,
  • 계통연계기,
  • 저항의의한 한류방식

☑️단락전류 계산 FLOW(단기임고치맵등계정)
  • 단선결선도 작성
  • 기준용량 결정
  • %Z 결정
  • 고장점 선정
  • 기준용량으로 %Z일치
  • 임피던스 맵 작성
  • 작성된 맵의 등가화
  • 단락전류 및 단락용량 계산
  • 표준차단기 선정

고장(단락 지락) BB

단락전류(기본이론)
→기여전류
→단락전류(종류)
단락전류(계산법 종류)
→대칭좌표법
단락용량 경감대책(수변전설비)
→계통연계기
→초전도 한류기

단락전류(계산)
→단락전류 계산(기본)
→1선지락전류 유효접지
→2선단락 3상단락
→3상단락(단락전류 단락용량)
→단락전류 계산(전동기)
→단락전류 계산(분산전원)
→단락전류 계산(한류리액터)
→단락전류 계산(1선지락전류 3상단락전류)

💯기출문제(단락전류)

○C01 단락전류 계산 시 사용되는 옴법, 단위법, 임피던스법, 퍼센트임피던스법에 대하여 간단히 설명하시오

모범답안(대칭고장계산법 BBC01)

1️⃣대칭고장계산법

대칭단락전류: 3상 전원에서 세 개의 상에 동일한 크기의 전류가 동일한 위상각으로 흐르는 상태를 말합니다. 즉, 3상 전류가 균형을 이루는 경우입니다.

1)옴법(Ohm’s law Method)

  • 옴법은 단락전원으로부터 고장점까지의 기기, 선로 등의 각 부분의 임피던스를 Ω값으로 환산하여 제작
  • 회로 중 변압기가 있으면 기준전압으로 환산해야 하는 불편이 있음
  • 장점: 간단하고 직관적이며, 소규모 시스템에 적용하기 용이함
  • 단점: 복잡한 전력 시스템에서는 회로의 임피던스를 정확하게 파악하기 어렵고, 계산이 복잡
\[I_s=\frac{E}{Z}=\frac{E}{Z_G+Z_T+Z_L}[A]\]

2)단위법(Per Unit Method)

  • %Z값을 한 PerUnit 임피던스로 표시한 것
  • 전압, 전류, 전력 등에 어떤 기준량을 정하고 그 기준전압 또는 기준전류에 몇 배인가를 표시하는 방법
  • 장점: 시스템의 크기나 전압 레벨에 상관없이 일관된 계산이 가능하며, 계산 과정이 간
  • 단점: 기준값을 설정해야 하는 번거로움이 있고, 물리적인 의미를 파악하기 어려움
\[Z_{[PU]}=\frac{\%Z}{100}=\frac{Z[\Omega]}{Z_{base}[\Omega]}\] \[I_s=\frac{기준[kVA]}{\sqrt3V[kV]Z_{[PU]}}[A]\]

3)%임피던스법(Percent Impedance Method)

%임피던스법

기기, 선로 등의 각 임피던스를 기준용량, 기준전압에 대한 임피던스로 환산옴의 법칙을 적용하여 계산
→ 일반적으로 사용

  • 장점: 단위법과 유사하게 계산이 간단하며, 다양한 기기의 임피던스를 비교하기 용이
  • 단점: 기준용량을 설정해야 하며, 물리적인 의미를 파악하기 어려
\[\%Z=\frac{I_nZ}{E}\times 100[\%]\] \[I_s=\frac{E}{Z}=\frac{E}{\frac{\%ZE}{100I_n}}=\frac{100}{\%Z}\times I_n\]

4)임피던스법 (Impedance Method)

  • 기본 원리: 회로의 임피던스를 이용하여 단락전류를 계산하는 방법
  • 장점: 회로의 복잡성을 고려할 수 있으며, 단락전류를 정확하게 예측
  • 단점: 회로의 임피던스를 정확하게 모델링해야 하며, 계산이 복잡

●F2 02 3상교류발전기에서 2상 단락과 3상단락을 수식적으로 비교하고 임피던스 변화에대해 설명하시오

2선 단락과 3상 단락

●Z03 비대칭 전류를 설명하고 비대칭 전류가 포함된 전기회로에서의 차단기 용량 선정에 대하여 설명하시오

모범답안(비대칭전류 BBZ03)

비대칭 전류란?

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

비대칭 전류가 발생하는 이유:

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

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 있어야함
  • 동적 안정도: 비대칭 전류는 차단기 접점에 큰 전자기력을 발생시켜 접점 재접촉이나 아크 재발을 유발 따라서 차단기는 이러한 동적 안정도를 확보
  • 열적 안정도: 비대칭 전류는 차단기 접점에 높은 열을 발생시켜 접점 용융이나 손상을 야기할 수 있습니다. 따라서 차단기는 이러한 열적 안정도를 확보

차단기 용량 선정 시 고려 사항

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

●Z04 단락사고 발생 후 단락전류가 감쇄하는 것을 시간 변화별로 계산하기 위한 방법 중 최근많이 사용되고 있는 IEC단락전류계산 방법에 관하여 다음 4가지 전류의 의미와 계산하는 방법을 설명하고 계산결과를 차단기 정격 선정과 보호협조에 어떻게 적용하는지를 설명하시오.

IK”,IP,IB,IK

모범답안(단락전류의 종류 BBZ04)

3️⃣단락전류의 종류(IEC 60909)

1) IK” 초기과도전류

(Inital Symmetrical Short Circuit Current)
단락 발생 직후 매우 짧은 시간 동안 흐르는 최대 대칭 전류 값

  • 퓨즈, 보호계전기순시탭, MCCB적용
  • 정의 : 차과도 리액턴스에 의해서 제한되는 초기 대칭 단락전류를 의미
  • 계산방법 : 초기 과도전류의 교류 실효치는 다음 식으로 계산
\[I_{K”}=\frac{CV_n}{\sqrt{3}\times Z_K}\]
\[C: Voltage Factor, V_n:공칭전압 \]\[Z_K:고장상태에서의 등가임피던스\]
공칭전압최대단락전류최소단락전류
저전압1,000[V]이하1.051.00
중전압1[kV]초과 35[kV]이하1.101.00
고전압35[kV]초과 230[kV]이하1.101.00
  • 적용 : 초기과도전류는 고, 저압 퓨즈 차단용량을 결정하는데 사용되고, 또한 다른 계산의 기초가 된다.

2) Ip 초기 과도전류의 최대치

(Peak Short Circuit Current)
단락 전류 파형에서 교류 성분만을 고려한 피크 값입니다. IK” 값보다 작지만, 차단기의 열적 강도를 평가하는 데 중요한 역할

  • 부스바 기계적 강도
  • 정의 : 단락전류의 최대치
  • 계산방법 : 초기과도전류의 최대치는 첫 주파수의 파고치를 다음 식으로 계산
\[I_P=\frac{ \sqrt{2}\cdot I_{k”}\times X}{R}\] \[\frac{X}{R}:직류분, \sqrt2\cdot I_K” : 최대치\]
  • 적용 : 초기 과도전류의 최대치는 차단기의 투입 정격을 결정하는 데 사용되고, 또한 단락전류에 의한 기계적인 힘을 계산하는 데 적용

3) Ib

(Symmertrical Breaking Current)(대칭단락전류)
차단기가 실제로 차단해야 하는 전류 값으로, 일반적으로 IK” 또는 IP 값을 기준으로 결정

  • 차단기 차단용량 적용
  • 정의 : 차단기 접점이 개극되는 순간에 흐르는 대칭전류를 의미
  • 계산방법
대칭단락전류의계산교류전위의감쇄원인이되는요인
·동기기의경우Ib=uIK”
·비동기기의 경우 Ib=uqIK”
·여기서 u와q는 교류전류의 감쇄원이 되는 요소		·각 기기의 단락전류에의 기여도
·X/R Ratio
·차단기의 개극시간
·회전기의 특성에 따라 달라지는 계수
  • 적용 : 차단기의 차단 용량을 계산하는 데 적용한다.

4) Ik

(Stead State Short Curcuit Current)

단락 발생 직후 최대값을 가지는 비대칭 단락 전류의 피크 값입니다. 직류 성분과 교류 성분이 합쳐져 가장 큰 값을 나타내며, 차단기의 기계적 강도를 평가하는 데 사용

  • 보호계전기 한시탭 선정시 적용
  • 정의 : 과도 상태가 지난후 정상 상태로 되었을 경우에 흐르는 전류
  • 계산방법
\[I_{K-max}=\lambda_{max}\times I_{rG}\] \[I_{K-min}=\lambda_{min}\times I_{rG}\] \[\lambda: 발전기의 유기전압과 초기 대칭 단락전류 사이의 비율함수\] \[I_{rG}:발전기의 등급\]
  • 적용 : 발전기의 단락비 또는 동기 임피던스를 고려하는 데 참고가 된다

모범답안(단락전류 계산 BBF06)

❗단락전류를 구하는 FLOW Chart

1️⃣단선결선도로 계통파악

  • 수전방식, 배전방식이 표현된 단선결선도 작성

2️⃣기준용량 결정(공급 측 %Z)

  • 전원을 공급하는 측, 즉 한전 측 선로의 임피던스 비율의 크기

3️⃣%Z 결정(기기 선로)

  • 단선결선도에 구체적으로 예시되지 않은 경우 차단기 및 선로의 부속기기들의 %Z들은 무시되고 변압기, 긴 거리의 특고압 및 고압측의 선로 임피던스를 가지고 계산
  • 선로의 경우 옴의 법칙으로 주어질 수 있으므로 %Z로 치환
\[\%Z=\frac{PZ}{10V^2}\]

4️⃣고장점 선정(차단기설치 후단)

  • 차단기의 용량 결정은 단락이 발생하였을 경우 이를 차단, 복구하는 데 그 목적이 있으므로 차단기 선정 지점 후단에 고장점을 선정

5️⃣기준용량으로 %Z 일치

  • %임피던스법을 사용하면 전압이 다른 것에 대해 부분은 고려하지 않아도 되나, 기준 MVA에 부하 %Z를 일치시켜야 함

6️⃣임피던스 맵 작성

  • 전원 측과 발전기가 병렬운전할 경우 맵을 전원측과 합치고 단독운전일 경우에는 분리

7️⃣작성된 맵의 등가화

  • 선정점을 기준으로 직, 병력 합산하여 전체 %Z 수치를 구함

8️⃣단락전류 및 단락용량 계산

  • 전체 %Z를 가지고 단락전류 및 차단용량을 구함
  • 단락전류
\[I_s=\frac{100}{\%Z}\times I_n\] \[=\frac{100}{\%Z}\times \frac{기준용량}{\sqrt3\times 정격전압}[A]\]
  • 단락용량
\[P_s=\frac{100}{\%Z}\times P_n[MVA]\]

9️⃣표준차단기 선정

  • 단락전류에 의해 단락용량을 구한 경우 이 수치에 안전율을 고려한 차단용량을 구한 다음 상위계급의 표준차단기를 선정
\[\sqrt3\times I_s\times k\]

(1.1~ 1.6 : 3상과 단상에 따라 달라짐)

정격전압[kV]단락전류[kA]표준차단기 용량[MVA]
7.212.5160
20250
31.5390
40500
2412.5520
20830
251,000
401,700

차단기 정격 선정 및 보호 협조에의 적용(C)

차단기 정격 선정 및 보호 협조에의 적용

  • 차단기 정격 선정:
    • 차단 용량: IK 값을 기준으로 차단기의 차단 용량을 선정합니다. 차단기는 IK 값 이상의 전류를 안전하게 차단할 수 있어야 합니다.
    • 차단 시간: IP 값을 기준으로 차단 시간을 설정합니다. 차단기는 IP 값 이하의 전류에 대해서는 빠르게 차단하고, IP 값 이상의 전류에 대해서는 안전하게 차단할 수 있도록 설정해야 합니다.
  • 보호 협조:
    • 과전류 계전기 설정: IK, IP, IK” 값을 기준으로 과전류 계전기를 설정하여 단락 사고 발생 시 빠르게 동작하도록 합니다.
    • 지락 계전기 설정: 지락 사고 발생 시 지락 계전기를 설정하여 단락 전류를 감지하고 차단기를 동작시킵니다.

●P05 수변전설비에서 단락전류를 정의하고, 단락용량의 경감대책 5가지 이상을 기술하시오

☑️단락전류의 억제대책(계임리캐퓨연저)

모범답안(단락전류 BBP05)

❓단락이란

  • 단락상태에서 임피던스값은 상당히 낮은값
  • 회로가 설계한 선로로 전기가 흐르지않고 임피던스가 적은 다른경로로 흐르는현상
  • 단락전류: 이로인해 설계전류보다 많은전류가흐르는데 이때의 전류
  • 단락전압: 단락상태에서 정격전류가 흐를수있도록 낮춘 전압
  • %Z: 단락전압을 정격전압으로나눈것을 %로 나타낸값
  • 임피던스(Z): 저항과 리액턴스의 합을의미하는 값

모범답안(단락전류의 억제대책 BBP05)

❗단락전류의 억제대책

https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_계통분리.jpeg

1️⃣계통분리

  • 원리
    • a점 사고 시 재빨리 C점 차단기를 트립하여
    • 계통을 분리한 후 B점 차단기를 차단하여
    • 기여 전류원을 감소시켜 단락전류를 경감하는 원리
  • 특징
    • 차단기의 차단용량을 크게 하지 않아도 된다
    • 설치비가 싸다
    • 계전기에 의한 동작협조, 인터로크 등의 설치로 회로가 복잡하다
    • 모선 연결 차단기의 차단 후 재병렬 투입이 필요하다
  • 문제점
    • 계통 분리가 끝날 때까지 과대한 단락전류가 차단기 및 직렬기기에 흘러 열적, 기계적 파손의 염려가 있다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_변압기임피던스와-코스트비.jpeg

2️⃣변압기의 임피던스 컨트롤

  • 원리
    • 변압기 주문 제작시 협의하여 변압기의 임피던스를 증가시켜 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 변압기 가격이 수변전설비에서 차지하는 비중이 높으므로 경제적인 검토가 필요하다
    • 전압변동이 커진다
    • 부하손이 커진다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/한류리액터.gif

3️⃣한류 리액터

(Limiting Current Reactor)

  • 원리
    • 수전설비 용량 증가 시 차단기를 교체하지 않고 한류 리액터를 설치하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 차단기를 그대로 사용하면서 큰 용량에 대응
    • 설치면적이 증가한다
    • 운전손실 증가 및 전압강하로 램프등의 수명 전동기의 기동에 악영향
  • 대책
    • 특고압 및 고전압회로를 피하고 가급적 저압 분기회로에 설치
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_캐스케이드-보호방식.jpeg

4️⃣캐스케이드 보호방식

  • 원리
    • 분기회로 차단기(B)의 설치점에서 회로의 단락용량이 분기회로의 차단기(B) 차단량을 초과할 때 주회로 차단기(A)에 의해 후비보호를 행하는 방식
    • 단락점에 대하여 CB₁의 개극시간이 동등하거나 짧으면, 단락점의 단락전류는 차단기(B)의 접점에 발생하는 아크 뿐만아니라 A점의 접점에 발생하는 아크로 중첩분리되어 쌍방 협력하여 차단을 행한다
    • 따라서 B에 가해지는 에너지를 절감시키는 것이 캐스케이드 보호방식의 원리
  • B차단기가 캐스케이드 방식으로 보호되기 위한 조건
    • 통과에너지(I²t)가 CB₂ 차단기의 허용값 이하일것 : 열적강도 검토
    • 통과전류 파고치(Ip)가 CB₂차단기의 허용값 이하일 것 : 기계적 강도 검토
    • CB₂의 전차단 특성곡선과 CB₁차단기의 개극시간 교차점이 CB₂의 차단용량 이내일것
    • 부하 측 차단기에 발생하는 아크에너지는 부하측 차단기 허용치 이하일 것
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_한류Fuse에-의한-Back-Up차단방식.jpeg

5️⃣한류Fuse에 의한 Back Up차단방식

  • 전력퓨즈
    • 전력퓨즈는 차단시간이 빠르고 그 외에 한류를 차단할 수 있다
  • 차단기
    • 차단기-차단기의 백업차단방식에서는 직렬기기가 통과되는 단락전류에 견딜수 있느냐의 여부가 문제되는데 이것은 전력퓨즈의 고속 한류 특성을 이용하면, 깨끗이 해결되어 이상적인 백업방식

6️⃣계통연계기🌐

  • 원리
    • 계통연계기는 일종의 가변 임피던스 소자(L과 C소자)로 계통에 직렬로 삽입
    • 평상시는 낮은 임피던스로 전류를 자유로이 통과시키고, 사고 시에는 높은 임피던스로 단락 시 대전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 대용량의 설비에 적용되며, 유럽에서 많이 사용하는 방식
    • 설치비가 비쌈

7️⃣저항에 의한 한류방식🌐

  • 초전도소자 이용
    • 상시Rs=0 이고 사고 시 소자에 자계를 주어 상전도로 이행하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 극저온 소자 이용
    • 극저온 소자의 발열에 의한 저항 증가로 전류를 억제하는 방식

●F06 수전점에서의 단락용량 계산에 대하여 검토항목 및 순서를 나열하고 설명하시오

☑️단락전류 계산 FLOW(단기임고치맵등계정)

모범답안(단락전류를 구하는 BBF06)

❗단락전류를 구하는 FLOW Chart

1️⃣단선결선도로 계통파악

  • 수전방식, 배전방식이 표현된 단선결선도 작성

2️⃣기준용량 결정(공급 측 %Z)

  • 전원을 공급하는 측, 즉 한전 측 선로의 임피던스 비율의 크기

3️⃣%Z 결정(기기 선로)

  • 단선결선도에 구체적으로 예시되지 않은 경우 차단기 및 선로의 부속기기들의 %Z들은 무시되고 변압기, 긴 거리의 특고압 및 고압측의 선로 임피던스를 가지고 계산
  • 선로의 경우 옴의 법칙으로 주어질 수 있으므로 %Z로 치환
\[\%Z=\frac{PZ}{10V^2}\]

4️⃣고장점 선정(차단기설치 후단)

  • 차단기의 용량 결정은 단락이 발생하였을 경우 이를 차단, 복구하는 데 그 목적이 있으므로 차단기 선정 지점 후단에 고장점을 선정

5️⃣기준용량으로 %Z 일치

  • %임피던스법을 사용하면 전압이 다른 것에 대해 부분은 고려하지 않아도 되나, 기준 MVA에 부하 %Z를 일치시켜야 함

6️⃣임피던스 맵 작성

  • 전원 측과 발전기가 병렬운전할 경우 맵을 전원측과 합치고 단독운전일 경우에는 분리

7️⃣작성된 맵의 등가화

  • 선정점을 기준으로 직, 병력 합산하여 전체 %Z 수치를 구함

8️⃣단락전류 및 단락용량 계산

  • 전체 %Z를 가지고 단락전류 및 차단용량을 구함
  • 단락전류
\[I_s=\frac{100}{\%Z}\times I_n\] \[=\frac{100}{\%Z}\times \frac{기준용량}{\sqrt3\times 정격전압}[A]\]
  • 단락용량
\[P_s=\frac{100}{\%Z}\times P_n[MVA]\]

9️⃣표준차단기 선정

  • 단락전류에 의해 단락용량을 구한 경우 이 수치에 안전율을 고려한 차단용량을 구한 다음 상위계급의 표준차단기를 선정
\[\sqrt3\times I_s\times k\]

(1.1~ 1.6 : 3상과 단상에 따라 달라짐)

정격전압[kV]단락전류[kA]표준차단기 용량[MVA]
7.212.5160
20250
31.5390
40500
2412.5520
20830
251,000
401,700

●P07 단락전류의 종류 및 억제대책에 대하여 설명하시오

  • 초기 대칭 단락전류 IK”
  • 최대 단락전류 순시값 Ip
  • 대칭단락전류 Ib
  • 정상상태 단락전류 Ik
모범답안(단락전류의 종류 BBZ04)

3️⃣단락전류의 종류(IEC 60909)

1) IK” 초기과도전류

(Inital Symmetrical Short Circuit Current)
단락 발생 직후 매우 짧은 시간 동안 흐르는 최대 대칭 전류 값

  • 퓨즈, 보호계전기순시탭, MCCB적용
  • 정의 : 차과도 리액턴스에 의해서 제한되는 초기 대칭 단락전류를 의미
  • 계산방법 : 초기 과도전류의 교류 실효치는 다음 식으로 계산
\[I_{K”}=\frac{CV_n}{\sqrt{3}\times Z_K}\]
\[C: Voltage Factor, V_n:공칭전압 \]\[Z_K:고장상태에서의 등가임피던스\]
공칭전압최대단락전류최소단락전류
저전압1,000[V]이하1.051.00
중전압1[kV]초과 35[kV]이하1.101.00
고전압35[kV]초과 230[kV]이하1.101.00
  • 적용 : 초기과도전류는 고, 저압 퓨즈 차단용량을 결정하는데 사용되고, 또한 다른 계산의 기초가 된다.

2) Ip 초기 과도전류의 최대치

(Peak Short Circuit Current)
단락 전류 파형에서 교류 성분만을 고려한 피크 값입니다. IK” 값보다 작지만, 차단기의 열적 강도를 평가하는 데 중요한 역할

  • 부스바 기계적 강도
  • 정의 : 단락전류의 최대치
  • 계산방법 : 초기과도전류의 최대치는 첫 주파수의 파고치를 다음 식으로 계산
\[I_P=\frac{ \sqrt{2}\cdot I_{k”}\times X}{R}\] \[\frac{X}{R}:직류분, \sqrt2\cdot I_K” : 최대치\]
  • 적용 : 초기 과도전류의 최대치는 차단기의 투입 정격을 결정하는 데 사용되고, 또한 단락전류에 의한 기계적인 힘을 계산하는 데 적용

3) Ib

(Symmertrical Breaking Current)(대칭단락전류)
차단기가 실제로 차단해야 하는 전류 값으로, 일반적으로 IK” 또는 IP 값을 기준으로 결정

  • 차단기 차단용량 적용
  • 정의 : 차단기 접점이 개극되는 순간에 흐르는 대칭전류를 의미
  • 계산방법
대칭단락전류의계산교류전위의감쇄원인이되는요인
·동기기의경우Ib=uIK”
·비동기기의 경우 Ib=uqIK”
·여기서 u와q는 교류전류의 감쇄원이 되는 요소		·각 기기의 단락전류에의 기여도
·X/R Ratio
·차단기의 개극시간
·회전기의 특성에 따라 달라지는 계수
  • 적용 : 차단기의 차단 용량을 계산하는 데 적용한다.

4) Ik

(Stead State Short Curcuit Current)

  • 보호계전기 한시탭 선정시 적용
  • 정의 : 과도 상태가 지난후 정상 상태로 되었을 경우에 흐르는 전류
  • 계산방법
\[I_{K-max}=\lambda_{max}\times I_{rG}\] \[I_{K-min}=\lambda_{min}\times I_{rG}\] \[\lambda: 발전기의 유기전압과 초기 대칭 단락전류 사이의 비율함수\] \[I_{rG}:발전기의 등급\]
  • 적용 : 발전기의 단락비 또는 동기 임피던스를 고려하는 데 참고가 된다

☑️단락전류의 억제대책(계임리캐퓨연저)

모범답안(단락전류의 억제대책 BBP05)

❗단락전류의 억제대책

https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_계통분리.jpeg

1️⃣계통분리

  • 원리
    • a점 사고 시 재빨리 C점 차단기를 트립하여
    • 계통을 분리한 후 B점 차단기를 차단하여
    • 기여 전류원을 감소시켜 단락전류를 경감하는 원리
  • 특징
    • 차단기의 차단용량을 크게 하지 않아도 된다
    • 설치비가 싸다
    • 계전기에 의한 동작협조, 인터로크 등의 설치로 회로가 복잡하다
    • 모선 연결 차단기의 차단 후 재병렬 투입이 필요하다
  • 문제점
    • 계통 분리가 끝날 때까지 과대한 단락전류가 차단기 및 직렬기기에 흘러 열적, 기계적 파손의 염려가 있다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_변압기임피던스와-코스트비.jpeg

2️⃣변압기의 임피던스 컨트롤

  • 원리
    • 변압기 주문 제작시 협의하여 변압기의 임피던스를 증가시켜 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 변압기 가격이 수변전설비에서 차지하는 비중이 높으므로 경제적인 검토가 필요하다
    • 전압변동이 커진다
    • 부하손이 커진다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/한류리액터.gif

3️⃣한류 리액터

(Limiting Current Reactor)

  • 원리
    • 수전설비 용량 증가 시 차단기를 교체하지 않고 한류 리액터를 설치하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 차단기를 그대로 사용하면서 큰 용량에 대응
    • 설치면적이 증가한다
    • 운전손실 증가 및 전압강하로 램프등의 수명 전동기의 기동에 악영향
  • 대책
    • 특고압 및 고전압회로를 피하고 가급적 저압 분기회로에 설치
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_캐스케이드-보호방식.jpeg

4️⃣캐스케이드 보호방식

  • 원리
    • 분기회로 차단기(B)의 설치점에서 회로의 단락용량이 분기회로의 차단기(B) 차단량을 초과할 때 주회로 차단기(A)에 의해 후비보호를 행하는 방식
    • 단락점에 대하여 CB₁의 개극시간이 동등하거나 짧으면, 단락점의 단락전류는 차단기(B)의 접점에 발생하는 아크 뿐만아니라 A점의 접점에 발생하는 아크로 중첩분리되어 쌍방 협력하여 차단을 행한다
    • 따라서 B에 가해지는 에너지를 절감시키는 것이 캐스케이드 보호방식의 원리
  • B차단기가 캐스케이드 방식으로 보호되기 위한 조건
    • 통과에너지(I²t)가 CB₂ 차단기의 허용값 이하일것 : 열적강도 검토
    • 통과전류 파고치(Ip)가 CB₂차단기의 허용값 이하일 것 : 기계적 강도 검토
    • CB₂의 전차단 특성곡선과 CB₁차단기의 개극시간 교차점이 CB₂의 차단용량 이내일것
    • 부하 측 차단기에 발생하는 아크에너지는 부하측 차단기 허용치 이하일 것
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_한류Fuse에-의한-Back-Up차단방식.jpeg

5️⃣한류Fuse에 의한 Back Up차단방식

  • 전력퓨즈
    • 전력퓨즈는 차단시간이 빠르고 그 외에 한류를 차단할 수 있다
  • 차단기
    • 차단기-차단기의 백업차단방식에서는 직렬기기가 통과되는 단락전류에 견딜수 있느냐의 여부가 문제되는데 이것은 전력퓨즈의 고속 한류 특성을 이용하면, 깨끗이 해결되어 이상적인 백업방식

6️⃣계통연계기🌐

  • 원리
    • 계통연계기는 일종의 가변 임피던스 소자(L과 C소자)로 계통에 직렬로 삽입
    • 평상시는 낮은 임피던스로 전류를 자유로이 통과시키고, 사고 시에는 높은 임피던스로 단락 시 대전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 대용량의 설비에 적용되며, 유럽에서 많이 사용하는 방식
    • 설치비가 비쌈

7️⃣저항에 의한 한류방식🌐

  • 초전도소자 이용
    • 상시Rs=0 이고 사고 시 소자에 자계를 주어 상전도로 이행하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 극저온 소자 이용
    • 극저온 소자의 발열에 의한 저항 증가로 전류를 억제하는 방식

●P08 전력사용설비의 단락전류 종류 및 단락전류 억제대책에 대하여 설명하시오

모범답안(단락전류의 종류 BBZ04)

3️⃣단락전류의 종류(IEC 60909)

1) IK” 초기과도전류

(Inital Symmetrical Short Circuit Current)
단락 발생 직후 매우 짧은 시간 동안 흐르는 최대 대칭 전류 값

  • 퓨즈, 보호계전기순시탭, MCCB적용
  • 정의 : 차과도 리액턴스에 의해서 제한되는 초기 대칭 단락전류를 의미
  • 계산방법 : 초기 과도전류의 교류 실효치는 다음 식으로 계산
\[I_{K”}=\frac{CV_n}{\sqrt{3}\times Z_K}\]
\[C: Voltage Factor, V_n:공칭전압 \]\[Z_K:고장상태에서의 등가임피던스\]
공칭전압최대단락전류최소단락전류
저전압1,000[V]이하1.051.00
중전압1[kV]초과 35[kV]이하1.101.00
고전압35[kV]초과 230[kV]이하1.101.00
  • 적용 : 초기과도전류는 고, 저압 퓨즈 차단용량을 결정하는데 사용되고, 또한 다른 계산의 기초가 된다.

2) Ip 초기 과도전류의 최대치

(Peak Short Circuit Current)
단락 전류 파형에서 교류 성분만을 고려한 피크 값입니다. IK” 값보다 작지만, 차단기의 열적 강도를 평가하는 데 중요한 역할

  • 부스바 기계적 강도
  • 정의 : 단락전류의 최대치
  • 계산방법 : 초기과도전류의 최대치는 첫 주파수의 파고치를 다음 식으로 계산
\[I_P=\frac{ \sqrt{2}\cdot I_{k”}\times X}{R}\] \[\frac{X}{R}:직류분, \sqrt2\cdot I_K” : 최대치\]
  • 적용 : 초기 과도전류의 최대치는 차단기의 투입 정격을 결정하는 데 사용되고, 또한 단락전류에 의한 기계적인 힘을 계산하는 데 적용

3) Ib

(Symmertrical Breaking Current)(대칭단락전류)
차단기가 실제로 차단해야 하는 전류 값으로, 일반적으로 IK” 또는 IP 값을 기준으로 결정

  • 차단기 차단용량 적용
  • 정의 : 차단기 접점이 개극되는 순간에 흐르는 대칭전류를 의미
  • 계산방법
대칭단락전류의계산교류전위의감쇄원인이되는요인
·동기기의경우Ib=uIK”
·비동기기의 경우 Ib=uqIK”
·여기서 u와q는 교류전류의 감쇄원이 되는 요소		·각 기기의 단락전류에의 기여도
·X/R Ratio
·차단기의 개극시간
·회전기의 특성에 따라 달라지는 계수
  • 적용 : 차단기의 차단 용량을 계산하는 데 적용한다.

4) Ik

(Stead State Short Curcuit Current)

  • 보호계전기 한시탭 선정시 적용
  • 정의 : 과도 상태가 지난후 정상 상태로 되었을 경우에 흐르는 전류
  • 계산방법
\[I_{K-max}=\lambda_{max}\times I_{rG}\] \[I_{K-min}=\lambda_{min}\times I_{rG}\] \[\lambda: 발전기의 유기전압과 초기 대칭 단락전류 사이의 비율함수\] \[I_{rG}:발전기의 등급\]
  • 적용 : 발전기의 단락비 또는 동기 임피던스를 고려하는 데 참고가 된다

☑️단락전류의 억제대책(계임리캐퓨연저)

모범답안(단락전류의 억제대책 BBP05)

❗단락전류의 억제대책

https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_계통분리.jpeg

1️⃣계통분리

  • 원리
    • a점 사고 시 재빨리 C점 차단기를 트립하여
    • 계통을 분리한 후 B점 차단기를 차단하여
    • 기여 전류원을 감소시켜 단락전류를 경감하는 원리
  • 특징
    • 차단기의 차단용량을 크게 하지 않아도 된다
    • 설치비가 싸다
    • 계전기에 의한 동작협조, 인터로크 등의 설치로 회로가 복잡하다
    • 모선 연결 차단기의 차단 후 재병렬 투입이 필요하다
  • 문제점
    • 계통 분리가 끝날 때까지 과대한 단락전류가 차단기 및 직렬기기에 흘러 열적, 기계적 파손의 염려가 있다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_변압기임피던스와-코스트비.jpeg

2️⃣변압기의 임피던스 컨트롤

  • 원리
    • 변압기 주문 제작시 협의하여 변압기의 임피던스를 증가시켜 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 변압기 가격이 수변전설비에서 차지하는 비중이 높으므로 경제적인 검토가 필요하다
    • 전압변동이 커진다
    • 부하손이 커진다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/한류리액터.gif

3️⃣한류 리액터

(Limiting Current Reactor)

  • 원리
    • 수전설비 용량 증가 시 차단기를 교체하지 않고 한류 리액터를 설치하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 차단기를 그대로 사용하면서 큰 용량에 대응
    • 설치면적이 증가한다
    • 운전손실 증가 및 전압강하로 램프등의 수명 전동기의 기동에 악영향
  • 대책
    • 특고압 및 고전압회로를 피하고 가급적 저압 분기회로에 설치
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_캐스케이드-보호방식.jpeg

4️⃣캐스케이드 보호방식

  • 원리
    • 분기회로 차단기(B)의 설치점에서 회로의 단락용량이 분기회로의 차단기(B) 차단량을 초과할 때 주회로 차단기(A)에 의해 후비보호를 행하는 방식
    • 단락점에 대하여 CB₁의 개극시간이 동등하거나 짧으면, 단락점의 단락전류는 차단기(B)의 접점에 발생하는 아크 뿐만아니라 A점의 접점에 발생하는 아크로 중첩분리되어 쌍방 협력하여 차단을 행한다
    • 따라서 B에 가해지는 에너지를 절감시키는 것이 캐스케이드 보호방식의 원리
  • B차단기가 캐스케이드 방식으로 보호되기 위한 조건
    • 통과에너지(I²t)가 CB₂ 차단기의 허용값 이하일것 : 열적강도 검토
    • 통과전류 파고치(Ip)가 CB₂차단기의 허용값 이하일 것 : 기계적 강도 검토
    • CB₂의 전차단 특성곡선과 CB₁차단기의 개극시간 교차점이 CB₂의 차단용량 이내일것
    • 부하 측 차단기에 발생하는 아크에너지는 부하측 차단기 허용치 이하일 것
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_한류Fuse에-의한-Back-Up차단방식.jpeg

5️⃣한류Fuse에 의한 Back Up차단방식

  • 전력퓨즈
    • 전력퓨즈는 차단시간이 빠르고 그 외에 한류를 차단할 수 있다
  • 차단기
    • 차단기-차단기의 백업차단방식에서는 직렬기기가 통과되는 단락전류에 견딜수 있느냐의 여부가 문제되는데 이것은 전력퓨즈의 고속 한류 특성을 이용하면, 깨끗이 해결되어 이상적인 백업방식

6️⃣계통연계기🌐

  • 원리
    • 계통연계기는 일종의 가변 임피던스 소자(L과 C소자)로 계통에 직렬로 삽입
    • 평상시는 낮은 임피던스로 전류를 자유로이 통과시키고, 사고 시에는 높은 임피던스로 단락 시 대전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 대용량의 설비에 적용되며, 유럽에서 많이 사용하는 방식
    • 설치비가 비쌈

7️⃣저항에 의한 한류방식🌐

  • 초전도소자 이용
    • 상시Rs=0 이고 사고 시 소자에 자계를 주어 상전도로 이행하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 극저온 소자 이용
    • 극저온 소자의 발열에 의한 저항 증가로 전류를 억제하는 방식

○P09 전력계통의 단락전류 저감대책으로 적용하는 한류형 퓨즈와 한류저항기에 대하여 설명하시오

☑️단락전류의 억제대책(계임리캐퓨연저)

모범답안(단락전류의 억제대책 BBP05)

❗단락전류의 억제대책

https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_계통분리.jpeg

1️⃣계통분리

  • 원리
    • a점 사고 시 재빨리 C점 차단기를 트립하여
    • 계통을 분리한 후 B점 차단기를 차단하여
    • 기여 전류원을 감소시켜 단락전류를 경감하는 원리
  • 특징
    • 차단기의 차단용량을 크게 하지 않아도 된다
    • 설치비가 싸다
    • 계전기에 의한 동작협조, 인터로크 등의 설치로 회로가 복잡하다
    • 모선 연결 차단기의 차단 후 재병렬 투입이 필요하다
  • 문제점
    • 계통 분리가 끝날 때까지 과대한 단락전류가 차단기 및 직렬기기에 흘러 열적, 기계적 파손의 염려가 있다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_변압기임피던스와-코스트비.jpeg

2️⃣변압기의 임피던스 컨트롤

  • 원리
    • 변압기 주문 제작시 협의하여 변압기의 임피던스를 증가시켜 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 변압기 가격이 수변전설비에서 차지하는 비중이 높으므로 경제적인 검토가 필요하다
    • 전압변동이 커진다
    • 부하손이 커진다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/한류리액터.gif

3️⃣한류 리액터

(Limiting Current Reactor)

  • 원리
    • 수전설비 용량 증가 시 차단기를 교체하지 않고 한류 리액터를 설치하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 차단기를 그대로 사용하면서 큰 용량에 대응
    • 설치면적이 증가한다
    • 운전손실 증가 및 전압강하로 램프등의 수명 전동기의 기동에 악영향
  • 대책
    • 특고압 및 고전압회로를 피하고 가급적 저압 분기회로에 설치
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_캐스케이드-보호방식.jpeg

4️⃣캐스케이드 보호방식

  • 원리
    • 분기회로 차단기(B)의 설치점에서 회로의 단락용량이 분기회로의 차단기(B) 차단량을 초과할 때 주회로 차단기(A)에 의해 후비보호를 행하는 방식
    • 단락점에 대하여 CB₁의 개극시간이 동등하거나 짧으면, 단락점의 단락전류는 차단기(B)의 접점에 발생하는 아크 뿐만아니라 A점의 접점에 발생하는 아크로 중첩분리되어 쌍방 협력하여 차단을 행한다
    • 따라서 B에 가해지는 에너지를 절감시키는 것이 캐스케이드 보호방식의 원리
  • B차단기가 캐스케이드 방식으로 보호되기 위한 조건
    • 통과에너지(I²t)가 CB₂ 차단기의 허용값 이하일것 : 열적강도 검토
    • 통과전류 파고치(Ip)가 CB₂차단기의 허용값 이하일 것 : 기계적 강도 검토
    • CB₂의 전차단 특성곡선과 CB₁차단기의 개극시간 교차점이 CB₂의 차단용량 이내일것
    • 부하 측 차단기에 발생하는 아크에너지는 부하측 차단기 허용치 이하일 것
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_한류Fuse에-의한-Back-Up차단방식.jpeg

5️⃣한류Fuse에 의한 Back Up차단방식

  • 전력퓨즈
    • 전력퓨즈는 차단시간이 빠르고 그 외에 한류를 차단할 수 있다
  • 차단기
    • 차단기-차단기의 백업차단방식에서는 직렬기기가 통과되는 단락전류에 견딜수 있느냐의 여부가 문제되는데 이것은 전력퓨즈의 고속 한류 특성을 이용하면, 깨끗이 해결되어 이상적인 백업방식

6️⃣계통연계기🌐

  • 원리
    • 계통연계기는 일종의 가변 임피던스 소자(L과 C소자)로 계통에 직렬로 삽입
    • 평상시는 낮은 임피던스로 전류를 자유로이 통과시키고, 사고 시에는 높은 임피던스로 단락 시 대전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 대용량의 설비에 적용되며, 유럽에서 많이 사용하는 방식
    • 설치비가 비쌈

7️⃣저항에 의한 한류방식🌐

  • 초전도소자 이용
    • 상시Rs=0 이고 사고 시 소자에 자계를 주어 상전도로 이행하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 극저온 소자 이용
    • 극저온 소자의 발열에 의한 저항 증가로 전류를 억제하는 방식

○I10 단락사고 시 전동기 기여전류와 과도 리액턴스를 설명하시오

모범답안(기여전류와 과도리액턴스 BBI10)

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.

○I11 배전계통에서 고장계산을 하는 이유 5가지를 설명하시오.

모범답안(배선계통에서 고장계산을 하는이유 BBI11)

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

○I12 변압기 등가회로를 그리고 임피던스 전압에 대하여 설명하시오

모범답안(변압기 임피던스전압 BBI12)

변압기 등가회로

단락전류 임피던스

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.

●F1 13 대칭좌표법을 이용하여 3상 회로의 불평형 전압과 전류를 구하고, 1선 지락 시 건전상의 대지전위 상승에 대하여 설명하시오.

1선지락 (1선 지락과 유효접지)

●F2 14 전력계통에서 3상 단락과 2상 단락고장전류 비교

2선 단락과 3상 단락

●S15 초전도 전류제한기 조건과 전류 제한형 초전도 변압기

모범답안(초전도 한류기 BBS15)

초전도 전류제한기 조건

초전도 전류제한기는 전력 시스템에서 과도 전류를 제한하는 장치입니다. 초전도체의 고유한 특성, 즉 임계 전류를 초과하면 저항이 급격히 증가하는 현상을 이용하여 작동합니다. 효과적인 초전도 전류제한기가 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 충족해야 합니다.

  • 빠른 응답 속도: 사고 발생 시 즉각적으로 전류를 제한해야 합니다.
  • 낮은 정상 상태 손실: 정상 작동 시에는 전력 손실이 최소화되어야 합니다.
  • 높은 임계 전류: 높은 전류를 안전하게 처리할 수 있어야 합니다.
  • 빠른 복구 시간: 사고 후 시스템이 빠르게 정상 상태로 복귀할 수 있어야 합니다.
  • 경제성: 제작 및 유지 보수 비용이 합리적이어야 합니다.

전류 제한형 초전도 변압기

전류 제한형 초전도 변압기는 변압기의 기능과 전류 제한 기능을 결합한 장치입니다. 초전도 코일을 사용하여 높은 효율과 전류 제한 기능을 동시에 제공합니다.

  • 작동 원리: 정상 작동 시에는 초전도 코일의 낮은 저항으로 인해 높은 효율을 유지합니다. 사고 발생 시에는 초전도 코일의 임계 전류를 초과하여 저항이 증가하고, 이로 인해 전류가 제한됩니다.
  • 장점: 기존 변압기에 비해 높은 효율, 작은 크기, 가벼운 무게, 우수한 전류 제한 능력을 제공합니다.
  • 적용 분야: 전력 시스템의 안정성 향상, 스마트 그리드, 대용량 전력 전송 등에 적용될 수 있습니다.

추가 정보

  • 초전도 전류 제한기는 저항형, DC 리액터형, 자속 구속형 등 다양한 형태로 개발되고 있습니다.
  • 전류 제한형 초전도 변압기는 전력 시스템의 안정성을 향상시키고 사고 전류로 인한 피해를 줄이는 데 기여할 수 있습니다.
  • 초전도 전류 제한기 및 전류 제한형 초전도 변압기는 극저온 환경이 필요합니다.

더 자세한 정보는 다음 자료를 참고하세요.

변압기 결합형 초전도 한류기의 전력계통 적용특성: https://www.dbpia.co.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE10609809

변압기를 이용한 고온 초전도 한류기의 사고전류제한 특성에 관한 연구: https://www.dbpia.co.kr/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE11986145

초전도 한류기

●I16단락시 역률이 저하되는 이유

모범답안(단락시 역률이 저하되는이유 BBI16)

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.

●C17 단락전류의 종류와 계산방법

모범답안(단락전류의 종류와 계산법 BBC17)

단락전류의 종류

  • 1선 지락: 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)

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 나타

모범답안(대칭고장계산법 BBC01)

1️⃣대칭고장계산법

대칭단락전류: 3상 전원에서 세 개의 상에 동일한 크기의 전류가 동일한 위상각으로 흐르는 상태를 말합니다. 즉, 3상 전류가 균형을 이루는 경우입니다.

1)옴법(Ohm’s law Method)

  • 옴법은 단락전원으로부터 고장점까지의 기기, 선로 등의 각 부분의 임피던스를 Ω값으로 환산하여 제작
  • 회로 중 변압기가 있으면 기준전압으로 환산해야 하는 불편이 있음
  • 장점: 간단하고 직관적이며, 소규모 시스템에 적용하기 용이함
  • 단점: 복잡한 전력 시스템에서는 회로의 임피던스를 정확하게 파악하기 어렵고, 계산이 복잡
\[I_s=\frac{E}{Z}=\frac{E}{Z_G+Z_T+Z_L}[A]\]

2)단위법(Per Unit Method)

  • %Z값을 한 PerUnit 임피던스로 표시한 것
  • 전압, 전류, 전력 등에 어떤 기준량을 정하고 그 기준전압 또는 기준전류에 몇 배인가를 표시하는 방법
  • 장점: 시스템의 크기나 전압 레벨에 상관없이 일관된 계산이 가능하며, 계산 과정이 간
  • 단점: 기준값을 설정해야 하는 번거로움이 있고, 물리적인 의미를 파악하기 어려움
\[Z_{[PU]}=\frac{\%Z}{100}=\frac{Z[\Omega]}{Z_{base}[\Omega]}\] \[I_s=\frac{기준[kVA]}{\sqrt3V[kV]Z_{[PU]}}[A]\]

3)%임피던스법(Percent Impedance Method)

%임피던스법

기기, 선로 등의 각 임피던스를 기준용량, 기준전압에 대한 임피던스로 환산옴의 법칙을 적용하여 계산
→ 일반적으로 사용

  • 장점: 단위법과 유사하게 계산이 간단하며, 다양한 기기의 임피던스를 비교하기 용이
  • 단점: 기준용량을 설정해야 하며, 물리적인 의미를 파악하기 어려
\[\%Z=\frac{I_nZ}{E}\times 100[\%]\] \[I_s=\frac{E}{Z}=\frac{E}{\frac{\%ZE}{100I_n}}=\frac{100}{\%Z}\times I_n\]

4)임피던스법 (Impedance Method)

  • 기본 원리: 회로의 임피던스를 이용하여 단락전류를 계산하는 방법
  • 장점: 회로의 복잡성을 고려할 수 있으며, 단락전류를 정확하게 예측
  • 단점: 회로의 임피던스를 정확하게 모델링해야 하며, 계산이 복잡

(단락전류계산시 고려사항 BBC17)

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 선정
  • 보호계전기 설정: 보호계전기는 단락 발생 시 빠르게 동작하여 설비를 보호해야 하므로, 단락전류의 크기를 정확히 알아야 함
  • 계통 안정도 분석: 단락 발생 시 계통의 안정도를 평가하기 위해 단락전류 계산이 필요

○Y18 불평형 고장계산을 위한 대칭좌표법

모범답안(대칭좌표법 BBY18)

1️⃣대칭좌표법의 개념

3상 불평형 전압 및 전류는 각각 정상분, 역상분, 영상분의 3종류의 대칭성분으로 분해가 가능하며, 이를 이용하여 3상 불평형 해석을 함

대칭좌표법은 불평형 고장해석을 위해서 주로 사용됨

1.정상분₁

  • Positive-sequence network
  • 3상이 평형을 이루는 성분으로, 정상적인 운전 상태에서와 같은 성분
  • 상회전 방향이 a-b-c로 발전기 유기기전력과 상회전 방향이 동일한 성분으로 평형 대칭성분

2.역상분₂

  • Negative-sequence network
  • 정상분에 대해 위상이 반대인 성분으로, 불평형 고장 시에 발생하는 성분
  • 상회전 방향이 a-c-b로 발전기 유기기전력의 상회전 방향과 반대인 성분으로 평형 대칭성분

3.영상분₀

  • Zero-sequence network
  • 모든 상에 동일한 크기와 위상으로 작용하는 성분으로, 주로 지락 고장 시에 발생하는 성분
  • 크기 및 위상이 동일한 성분

1)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.

2)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.

3)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.

4)대칭좌표법의 한계

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

●P19 수변전설비의 설계에서 단락전류가 증가할 때의 문제점과 억제대책을 설명하시오

모범답안(단락전류의 억제대책 BBP05)

❗단락전류의 억제대책

https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_계통분리.jpeg

1️⃣계통분리

  • 원리
    • a점 사고 시 재빨리 C점 차단기를 트립하여
    • 계통을 분리한 후 B점 차단기를 차단하여
    • 기여 전류원을 감소시켜 단락전류를 경감하는 원리
  • 특징
    • 차단기의 차단용량을 크게 하지 않아도 된다
    • 설치비가 싸다
    • 계전기에 의한 동작협조, 인터로크 등의 설치로 회로가 복잡하다
    • 모선 연결 차단기의 차단 후 재병렬 투입이 필요하다
  • 문제점
    • 계통 분리가 끝날 때까지 과대한 단락전류가 차단기 및 직렬기기에 흘러 열적, 기계적 파손의 염려가 있다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_변압기임피던스와-코스트비.jpeg

2️⃣변압기의 임피던스 컨트롤

  • 원리
    • 변압기 주문 제작시 협의하여 변압기의 임피던스를 증가시켜 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 변압기 가격이 수변전설비에서 차지하는 비중이 높으므로 경제적인 검토가 필요하다
    • 전압변동이 커진다
    • 부하손이 커진다
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/한류리액터.gif

3️⃣한류 리액터

(Limiting Current Reactor)

  • 원리
    • 수전설비 용량 증가 시 차단기를 교체하지 않고 한류 리액터를 설치하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 차단기를 그대로 사용하면서 큰 용량에 대응
    • 설치면적이 증가한다
    • 운전손실 증가 및 전압강하로 램프등의 수명 전동기의 기동에 악영향
  • 대책
    • 특고압 및 고전압회로를 피하고 가급적 저압 분기회로에 설치
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_캐스케이드-보호방식.jpeg

4️⃣캐스케이드 보호방식

  • 원리
    • 분기회로 차단기(B)의 설치점에서 회로의 단락용량이 분기회로의 차단기(B) 차단량을 초과할 때 주회로 차단기(A)에 의해 후비보호를 행하는 방식
    • 단락점에 대하여 CB₁의 개극시간이 동등하거나 짧으면, 단락점의 단락전류는 차단기(B)의 접점에 발생하는 아크 뿐만아니라 A점의 접점에 발생하는 아크로 중첩분리되어 쌍방 협력하여 차단을 행한다
    • 따라서 B에 가해지는 에너지를 절감시키는 것이 캐스케이드 보호방식의 원리
  • B차단기가 캐스케이드 방식으로 보호되기 위한 조건
    • 통과에너지(I²t)가 CB₂ 차단기의 허용값 이하일것 : 열적강도 검토
    • 통과전류 파고치(Ip)가 CB₂차단기의 허용값 이하일 것 : 기계적 강도 검토
    • CB₂의 전차단 특성곡선과 CB₁차단기의 개극시간 교차점이 CB₂의 차단용량 이내일것
    • 부하 측 차단기에 발생하는 아크에너지는 부하측 차단기 허용치 이하일 것
https://c-mk.s3.ap-northeast-2.amazonaws.com/2022/11/c_한류Fuse에-의한-Back-Up차단방식.jpeg

5️⃣한류Fuse에 의한 Back Up차단방식

  • 전력퓨즈
    • 전력퓨즈는 차단시간이 빠르고 그 외에 한류를 차단할 수 있다
  • 차단기
    • 차단기-차단기의 백업차단방식에서는 직렬기기가 통과되는 단락전류에 견딜수 있느냐의 여부가 문제되는데 이것은 전력퓨즈의 고속 한류 특성을 이용하면, 깨끗이 해결되어 이상적인 백업방식

6️⃣계통연계기🌐

  • 원리
    • 계통연계기는 일종의 가변 임피던스 소자(L과 C소자)로 계통에 직렬로 삽입
    • 평상시는 낮은 임피던스로 전류를 자유로이 통과시키고, 사고 시에는 높은 임피던스로 단락 시 대전류를 억제하는 방식
  • 특징
    • 대용량의 설비에 적용되며, 유럽에서 많이 사용하는 방식
    • 설치비가 비쌈

7️⃣저항에 의한 한류방식🌐

  • 초전도소자 이용
    • 상시Rs=0 이고 사고 시 소자에 자계를 주어 상전도로 이행하여 단락전류를 억제하는 방식
  • 극저온 소자 이용
    • 극저온 소자의 발열에 의한 저항 증가로 전류를 억제하는 방식

●C20 선로에서 단락전류 계산방법을 대칭 단락전류와 비대칭 단락전류로 구분하여 설명하시오

모범답안(대칭단락전류와 비대칭단락전류 BBC20)

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

종류특징계산 방법
대칭 단락전류3상 전류가 균형%Z 임피던스법, 단락전류 계산 공식
비대칭 단락전류3상 전류가 불균형대칭 성분법

○F21 3상 단락고장 시 고장전류계산 목적과 계산순서를 설명하시오

모범답안(단락전류를 구하는 BBF06)

❗단락전류를 구하는 FLOW Chart

1️⃣단선결선도로 계통파악

  • 수전방식, 배전방식이 표현된 단선결선도 작성

2️⃣기준용량 결정(공급 측 %Z)

  • 전원을 공급하는 측, 즉 한전 측 선로의 임피던스 비율의 크기

3️⃣%Z 결정(기기 선로)

  • 단선결선도에 구체적으로 예시되지 않은 경우 차단기 및 선로의 부속기기들의 %Z들은 무시되고 변압기, 긴 거리의 특고압 및 고압측의 선로 임피던스를 가지고 계산
  • 선로의 경우 옴의 법칙으로 주어질 수 있으므로 %Z로 치환
\[\%Z=\frac{PZ}{10V^2}\]

4️⃣고장점 선정(차단기설치 후단)

  • 차단기의 용량 결정은 단락이 발생하였을 경우 이를 차단, 복구하는 데 그 목적이 있으므로 차단기 선정 지점 후단에 고장점을 선정

5️⃣기준용량으로 %Z 일치

  • %임피던스법을 사용하면 전압이 다른 것에 대해 부분은 고려하지 않아도 되나, 기준 MVA에 부하 %Z를 일치시켜야 함

6️⃣임피던스 맵 작성

  • 전원 측과 발전기가 병렬운전할 경우 맵을 전원측과 합치고 단독운전일 경우에는 분리

7️⃣작성된 맵의 등가화

  • 선정점을 기준으로 직, 병력 합산하여 전체 %Z 수치를 구함

8️⃣단락전류 및 단락용량 계산

  • 전체 %Z를 가지고 단락전류 및 차단용량을 구함
  • 단락전류
\[I_s=\frac{100}{\%Z}\times I_n\] \[=\frac{100}{\%Z}\times \frac{기준용량}{\sqrt3\times 정격전압}[A]\]
  • 단락용량
\[P_s=\frac{100}{\%Z}\times P_n[MVA]\]

9️⃣표준차단기 선정

  • 단락전류에 의해 단락용량을 구한 경우 이 수치에 안전율을 고려한 차단용량을 구한 다음 상위계급의 표준차단기를 선정
\[\sqrt3\times I_s\times k\]

(1.1~ 1.6 : 3상과 단상에 따라 달라짐)

정격전압[kV]단락전류[kA]표준차단기 용량[MVA]
7.212.5160
20250
31.5390
40500
2412.5520
20830
251,000
401,700

고장(단락 지락) BB

단락전류(기본이론)
→기여전류
→단락전류(종류)
단락전류(계산법 종류)
→대칭좌표법
단락용량 경감대책(수변전설비)
→계통연계기
→초전도 한류기

단락전류(계산)
→단락전류 계산(기본)
→1선지락전류 유효접지
→2선단락 3상단락
→3상단락(단락전류 단락용량)
→단락전류 계산(전동기)
→단락전류 계산(분산전원)
→단락전류 계산(한류리액터)
→단락전류 계산(1선지락전류 3상단락전류)

🌐V1005T24 / BB

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