목차(피뢰기)
피뢰기
❓피뢰기
- 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 구비
- 피뢰기의 종류에는 저항형, 밸브형, 방출형 등으로 대별되며 전기설비기준에 중요기기의 경우에는 이상충격파로부터 기기 보호를 위해 피뢰기를 설치
1️⃣구조 및 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
2️⃣종류
1)갭저항형
- 특성요소(탄화규소입자)와 직렬갭으로 구성된 단위소자를 필요한 개수만큼 쪼개어서 애자속에 밀봉한 구조의 피뢰기
2)갭리스형
기존의 직렬갭을 사용하지 않고, 특성요소만으로 구성된 피뢰기
- 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
3️⃣피뢰기의 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
4️⃣구비조건 및 용어 설명
1)피뢰기 구비조건
(충속제방상내)
- 충격 방전개시전압이 낮을것
- 속류 차단능력이 뛰어날것
- 제한전압이 낮을것
- 방전내량이 클것
- 상용주파 방전개시전압이 높을것
- 내구성 및 경제성이 있을것
2)정격전압
- 피뢰기가 견딜 수 있는 상용 주파수의 최대 전압
- 피뢰기에 낙뢰 등으로 인해 이상 전압이 발생했을 때, 피뢰기가 이를 안전하게 방전시키고, 방전 후에는 다시 절연 상태로 돌아와 속류를 차단할 수 있는 최대의 전압 값
\[V_n=\alpha\times\beta\times \frac{V_m }{\sqrt{3}}\]\[Vn:피뢰기의 정격전압\]\[Vm:회로의 최고전압(선간전압)\]\[\alpha :접지계수, \beta : 여유율\]
| 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 |
3)제한전압
- 방전전류가 흐르고 있을 때 피뢰기의 단자전압
- 피뢰기가 방전 후 피뢰기 단자에 남게 되는 최고 전압
- 즉, 낙뢰가 발생했을 때 피뢰기가 과도한 전압을 제한하여 보호 대상물에 가해지는 전압을 낮추는 효과를 나타냅니다.
- 보호 대상물이 낙뢰 전압에 의해 손상되는 것을 방지하는 역할을 합니다. 제한전압이 낮을수록 보호 효과가 우수합니다.
- 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.
4)상용주파 방전개시전압
- 방전 전류가 흐르기 시작할 때의 전압(실효값)
- 상용 주파수의 전압으로 인하여 방전 전류가 흐르기 시작할 때의 전압을 실효값으로 나타낸 것을 의미합니다. 즉, 정상적인 운전 상태에서 피뢰기가 오동작할 가능성을 나타내는 지표
- 상용 주파수의 전압 변동에 의해 피뢰기가 오동작하지 않도록 하는 것이 중요
- 피뢰기 정격전압의 1.5배 이상
5)충격파 방전 개시전압
- 피뢰기 단자 간에 충격파의 최대전압 인가 시 방전을 개시하는전압
- 갭리스형 피뢰기에서는 제한전압과 같음
- 22.9kV선로에서는 보통 65kV정도
- 변압기가 견딜수 있는 최저전압인 기준충격절연강도보다 낮아야 함
피뢰기의 단자에 충격파 전압을 인가하였을 때 방전을 개시하는 전압의 순시값
6)공칭방전전류
- 방전전류 : 갭의 방전에 따라 피뢰기를 통해서 대지로 흐르는 충격전류
- 피뢰기 정격전압은 사고 시에도 건전상의 상용주파 최대 대지전압보다 높아야함
- 피뢰기 정격전압 이상의 교류이상전압이 선로에 발생하면 피뢰기는 속류차단이 되지 않아 과열로 인하여 파괴됨
- 교류이상 전압보다 상회하는 정격전압의 피뢰기를 선정
| 공칭방류전류 | 설치장소 | 적용조건 |
|---|---|---|
| 10[kA] | 변전소 | 154[kV]이상 전력계통,66[kV]이상 변전소, 장거리 송전선 |
| 5[kA] | 변전소 | 66[kV]이하 계통, 3000[kVA]이하 뱅크 취부 |
| 2.5[kA] | 선로,변전소 | 배전선로, 일반수용가(22.9[kV]수전) |
7)속류
- 방전전류에 이어서 전원으로부터 공급되는 사용주파수의 전류가 직렬갭을 통해서 대지로 흐르는 전류
| 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 |
5️⃣피뢰기의 설치 및 결정
1)설치
- 피로기의 설치장소와 피보호기가 떨어져 있으면 침입서지의 반사작용에 의하여 피보호기의 단자전압은 피뢰기 방전개시전압보다 높아져서 보호효과가 떨어짐
- 피뢰기의 설치위치는 가능한 한 피보호기기 가가이 설치
- 피뢰기의 최대 유효이격거리
| 선로전압[kV] | 유효이격거리[m] |
|---|---|
| 345 | 85 |
| 154 | 65 |
| 66 | 45 |
| 22 | 20 |
| 22.9 | 20 |
2)위치
- 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
\[V_t=V_a+\frac{2l}{v}\times S[kV]\]
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])
3)피뢰기의 시설
- 피보호기의 제1대상은 변압기
- 접지선은 가능한 한 짧게 한다
- 피뢰기와 피보호기의 접지선은 연접
6️⃣특성
1)동작특성
- 상용주파수의 계통전압에 서지가 겹쳐 뇌임펄스 방전개시전압에 도달하면 피뢰기가 방전된다
- 동시에 방전전류가 흐르고 제한전압이 발생한다
- 서지전압이 소멸후 피뢰기 도통 상태에서 속류가 흐르며, 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)충격비
\[충격비=\frac{충격방전개시전압(파고값)}{상용주파방전개시전압(최대값)}\]
5)제한전압비
\[제한전압비=\frac{피뢰기의제한전압(파고값)}{피뢰기의 정격전압(실효값)}\]
6)방전내량(내구성 개념)
- 공칭방전전류를 의미
- 피뢰기 방전시, 파괴되지 않는 한도
- 일반적으로 파고값으로 표시
- 피뢰기에 흐르는 방전 전류는 선로 및 발변전소의 차폐유무와 그 지방의 IKL(연간뇌우일수)를 참고하여 결정
7)보호레벨
- 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
7️⃣열폭주현상
- 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
8️⃣피뢰기의 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 개폐서지에 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
9️⃣피뢰기의 접속용 도체 굵기
- 기기보호용 피뢰기 대부분은 변전실에 설치되며 접지선은 다음 기준으로 굵기가 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
🔟피뢰기 제한전압과 방전전류관계
\[V_a=\frac{2Z_2}{Z_1+Z_2}V_i-\frac{Z_1Z_2}{Z_1+Z_2}i_a\] \[i_a=\frac{2Z_2V_i-Z_1V_a-Z_2V_a}{Z_1Z_2}\]
목차(피뢰기)
피뢰기
💯기출문제
●A29.피뢰기에 대하여 다음사항을 설명하시오
설치목적
구조 및 구성
정격선정
설치위치
GapLess피뢰기
○A30.비선형 저항체를 특성요소로 사용한 피뢰기의 산화아연 소자의 특성을 쓰시오
산화아연소자에 일정 전압을 인가하면 누설전류가 흐르는데, 이 누설전류에 의하여 발열량이 방전열량과 평행을 이루면 피뢰기는 일정전압에서 안정하다
발열량이 방열량보다 커지면 산화아연 소자의 온도는 증가 소자의 저항이 감소한다. 따라서 누설전류가 증가 하게 되는데 이 누설전류의 증가로 피뢰기가 과영되고 파괴에 이르는 현상을 말한다
전압인가→누설전류발생→발열→방열→누설증가→저항감소→열폭주
○A31.피뢰기의 공칭 방전전류의 정의에 대하여 설명하시오
- 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
●A32.절연협조 측면에서 중요한 역활을 하는 피뢰기에 대하여 기술하기오 ❯29
기본성능
피뢰기의 위치 선정
피뢰기 정격 결정시 고려사항
제한 전압 및 정격 전압
방전내량
갭리스피뢰기의특징
○A33.피뢰기의 충격비와 제한전압을 간단히 설명하시오
충격비
\[충격비=\frac{충격방전개시전압(파고값)}{상용주파방전개시전압(최대값)}\]
제한전압
- 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.
제한전압비
\[제한전압비=\frac{피뢰기의제한전압(파고값)}{피뢰기의 정격전압(실효값)}\]
○34.가공전선로에 서지가 침입할 경우 피뢰기 설치 위치에 따라 피뢰기 제한전압과 방전전류관계에 대하여 설명하시오
제한전압
- 방전전류가 흐르고 있을 때 피뢰기의 단자전압의 파고값
- 피뢰기가 방전 후 피뢰기 단자에 남게 되는 최고 전압
- 즉, 낙뢰가 발생했을 때 피뢰기가 과도한 전압을 제한하여 보호 대상물에 가해지는 전압을 낮추는 효과를 나타냅니다.
- 보호 대상물이 낙뢰 전압에 의해 손상되는 것을 방지하는 역할을 합니다. 제한전압이 낮을수록 보호 효과가 우수합니다.
- 발·변전소의 기기의 뇌임펄스 내전압(BIL)보다 충분히 낮아야 한다.
- 피뢰기의 제한전압은 피보호 기기의 뇌임펄스 내전압(BIL)의 80(%)이내로 선정하는 것으로 하고 있다.
방전전류
- 갭의 방전에 따라 피뢰기를 통해서 대지로 흐르는 충격전류
○A35.피뢰기의 종류 및 동작특성에 대하여 설명하시오
갭저항형
- 특성요소(탄화규소입자)와 직렬갭으로 구성된 단위소자를 필요한 개수만큼 쪼개어서 애자속에 밀봉한 구조의 피뢰기
갭리스형
기존의 직렬갭을 사용하지 않고, 특성요소만으로 구성된 피뢰기
- 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
○A36피뢰기의 정격전압에 대하여 설명하시오
○B37피뢰기의 정격전압 결정 시 고려할 기술적 사항
○A38피뢰기의 충격전압비와 제한전압
○A39.피뢰기의 열폭주 현상
○A40피뢰기 공치방전전류 설명, 설치장소 적용조건
○A41피뢰기의 정격 전압 및 공칭방전전류
○A42피뢰기가 가져야할 특성을 설명하시오
○A43피뢰기를 변압기에 가까히 설치해야 하는 이유에 대한여 설명하시오
○A44산화아연형 피뢰기의 열폭주 현상에 대하여 설명하시오
○45피뢰기의 정격 선정 시 고려사항과 서지흡수기의 정격에 대하여 설명하시오
●46피뢰기에 대하여 다음 사항을 설명하시오
피뢰기의 구비조건
피뢰기의 동작특성
피뢰기의 설치장소
피뢰기와 피보호기기의 최대 유효거리
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