저감절연·단절연

왜 배우는가: 저감절연과 단절연은 전력기기의 절연레벨과 비용을 결정하는 설계 개념이다. 중성점 접지방식과 피뢰기 정격이 함께 정해지므로 계통 설계 문제와 변압기·케이블 사양 문제에 반복해서 연결된다.

출제 이력: 제128회 1교시 7번, 제123회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

저감절연(Reduced Insulation)은 계통의 이상전압을 낮게 제한해 전력기기의 절연레벨을 낮추는 절연방식이다. 단절연(Graded Insulation)은 변압기 권선의 중성점 쪽 절연을 단계적으로 낮추는 방식이다. 두 방식 모두 유효접지 계통에서 적용하며, 이상전압을 낮게 억제해 절연레벨을 낮추는 설계 방식이다

핵심 키워드

• 저감절연
• 단절연
• 유효접지계통
• 절연레벨
• 피뢰기 정격전압
• 이상전압 억제
• 중성점 접지
• 절연협조

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기가 새지 않도록 씌우는 절연의 두께를 계통 조건에 맞게 줄여 비용을 아끼는 것이다. 절연을 얇게 하면 재료와 시공비가 줄고 기기가 작아진다. 대신 절연이 견뎌야 하는 전압이 낮아지므로, 이상전압이 낮게 제한된다는 전제가 필요하다.

정식 정의는 다음과 같다. 저감절연은 중성점을 유효접지하여 1선 지락 시 건전상의 대지전위 상승을 낮게 제한하고, 그 결과 피뢰기 정격전압과 기기 절연레벨을 낮추는 절연방식이다. 단절연은 같은 원리를 변압기 권선에 적용하여, 중성점에 가까운 부분의 절연을 선로단에 비해 낮게 설계하는 방식이다.

유효접지 는 1선 지락 시 건전상의 전위 상승을 기준값 이하로 억제하도록 중성점을 접지한 상태다. 국내 154kV 이상 계통이 대표적이다. 절연레벨 은 기기가 견뎌야 하는 뇌임펄스와 상용주파 내전압의 기준이다. 저감절연은 이 절연레벨을 낮추는 것이 목표다.

단절연 은 권선의 절연을 단계적으로 줄이는 방식으로, 직접 접지된 중성점 가까이의 절연을 낮출 수 있다는 점이 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

고전압 장거리 송전선로에서는 1선 지락 시 건전상 전위가 크게 오르고, 아크 지락과 개폐서지로 이상전압이 높아진다. 이 때문에 비접지 계통의 절연은 높은 전압에 맞춰 설계되어야 했고, 기기 비용과 크기가 커졌다.

중성점을 유효접지하면 1선 지락 시 건전상 대지전위 상승이 억제되고 이상전압 수준이 낮아진다. 이 결과 피뢰기의 정격전압을 낮출 수 있고, 피뢰기가 제한하는 전압도 낮아진다. 피뢰기 보호 수준이 낮아지면 기기 절연레벨을 낮추는 설계가 가능해진다.

따라서 저감절연과 단절연은 접지방식과 피뢰기 보호를 전제로 한 결과물이다. 접지방식을 바꾸면 절연 설계가 달라지므로, 두 개념은 중성점 접지방식과 절연협조를 함께 이해해야 정확히 답할 수 있다. 또한 1선 지락전류가 커지면 보호계전기 동작이 확실해져 고장 제거가 빨라지는 이점도 생긴다.

4. 구성요소·원리·절차

저감절연과 단절연은 절연을 한 가지 등급으로 두지 않고 대지 전위 분포에 맞춰 나누는 설계 방식이다. 기준은 단자 전압이 아니라 해당 부분이 대지에 대해 받는 전압이다.

위 세 방식은 한 기기 안에서 함께 쓰일 수 있다. 저감절연은 기기 전체의 절연 등급을 낮추는 것이고, 단절연은 기기 내부의 위치에 따라 절연을 달리하는 것이다. 표의 기준은 모두 대지 전압을 기준으로 한다.

케이블에서도 같은 개념이 적용된다. 절연층 두께는 계통 전압 등급에 맞춰 정하며, 유효접지 계통에서는 상간 전압이 아니라 대지 전압을 기준으로 두께를 정한다.

원리는 두 단계다. 첫째, 중성점을 유효접지하면 1선 지락 때 건전상의 대지 전위 상승이 억제되고 개폐서지도 낮아진다. 둘째, 이상전압이 낮으면 피뢰기 정격전압을 낮출 수 있고, 피뢰기의 보호 레벨이 내려가므로 기기의 절연 레벨도 낮출 수 있다. 이것이 저감절연의 근거다.

중성점 유효접지로 이상전압이 낮아지면 기기 절연 레벨을 낮출 수 있다

단절연은 중성점에서 대지 전위가 0에 가까워지는 점을 이용한다. 중성점에서 멀어질수록 대지 전위가 커지므로 절연 두께도 그에 맞춰 키운다. 중성점 쪽 절연을 줄이면 재료와 권선 크기가 줄어 절연비용이 낮아진다.

상의 대지 전압은 다음과 같이 구한다. $E_p=\frac{V_m}{\sqrt{3}}$ 여기서 E_p는 상의 대지 전압(V), V_m은 최대 선간전압(V)이다. 유효접지 계수 0.8을 적용하면 건전상 전압 상승은 다음과 같다. $0.8\times\sqrt{3}\approx1.39$ 1선 지락 시 건전상 전압 상승은 유효접지 조건에서 약 1.3배 이하가 된다.

비유효접지 계통(비접지·고저항 접지)에서는 건전상 전압 상승이 커서 전절연을 쓰는 것이 일반적이다. 따라서 저감·단절연은 접지 방식이 정해진 계통에서만 적용 조건이 성립한다.

절연 설계 절차는 다음 순서다.

• 중성점 접지방식과 최대 사용전압을 정한다.
• 1선 지락 및 개폐서지에 의한 이상전압 레벨을 구한다.
• 이상전압 레벨에 맞춰 피뢰기 정격전압과 보호 레벨을 정한다.
• 권선 또는 케이블의 위치별 대지 전위를 계산한다.
• 전절연 부분과 저감·단절연 부분을 나누어 절연 두께를 정한다.
• 절연내력시험 전압으로 절연 성능을 검증한다.

절차 1~3은 계통 측 조건이고, 4~5는 기기 측 설계다. 두 단계를 나누어 설명하면 답안의 논리 순서가 분명해진다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 전기 설계 기준은 한국전기설비규정(KEC)이다. 2021-01-01부터 적용되며, 구 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 절연 설계는 KEC의 절연내력 조항과 접지 조항을 따르고, 피뢰기는 피뢰설비 조항을 따른다. 변압기 혼촉에 대비해서는 제2종 접지공사를 시설한다.

국제 기준으로는 IEC 60076 계열이 변압기의 시험 방법을 다룬다. 국내 설계 값은 KEC를 기준으로 한다.

주요 기준 값은 아래 표와 같다.

표의 절연내력시험 값은 절연 두께를 정하는 검증 기준이다. 저감·단절연 설계는 이 시험 전압을 만족하는 범위에서 계산한다. 시험 배율은 전압이 낮을수록 크고, 최저 시험 전압이 함께 붙는다.