차단기 회복전압

왜 배우는가: 차단기 회복전압은 차단기가 고장전류를 실제로 차단할 수 있는지를 결정하는 조건이라서 실무 설계와 기기 선정에서 빠지지 않는다. 시험에서는 1교시 용어 문제와 3교시 유형 문제로 반복해서 출제되어, 개념의 정의와 분류를 정확히 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제110회 1교시 11번, 제92회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

과도회복전압(TRV)은 차단기가 전류를 차단한 직후 극간에 나타나는 과도적인 진동 전압으로, 차단 성공 여부를 좌우하는 차단기 성능 요소이다.

• 과도회복전압(TRV): 전류 차단 직후 차단기 극간에 나타나는 과도 전압
• 회복전압: 과도 진동이 소멸한 뒤 극간에 나타나는 상용주파 실효값 전압
• 재점호: 회복 과정에서 절연이 회복되지 못해 극간 방전이 다시 일어나는 현상
• 상승률(RRRV): 과도회복전압이 올라가는 기울기(Rate of Rise of Recovery Voltage)
• 파고치(Uc): 과도회복전압의 최대 크기
• 정격 차단전류: 차단기가 정격 조건에서 차단할 수 있는 최대 전류
• 계통 조건: 중성점 접지 방식, 부하 종류, 선로 연결 형태

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 차단기가 고장전류를 끊는 순간, 끊긴 쪽과 전원 쪽 사이에 전압이 튀어 오르는데 이 전압이 TRV다. 전류는 영점(zero)에서 꺼지는데, 이때 접점 사이 절연이 빨리 회복되지 못하면 전압이 절연을 뚫고 다시 방전한다. 이것이 재점호다.

정식으로 정의하면 과도회복전압은 차단기 극간에 나타나는 과도 진동 전압이며, 상용주파 회복전압은 과도 진동이 끝난 뒤 남는 상용주파 전압이다. 두 전압은 시간 영역이 다르므로 구분해서 써야 한다.

• 재점호(Restrike): 회복 중 극간 절연 파괴로 전류가 다시 흐르는 현상
• 회복전압(Recovery Voltage): 상용주파 실효값으로, 과도 진동 소멸 후 나타남
• 아크 전압: 아크 구간에서 접점 양단에 나타나는 전압

차단기의 차단 능력은 전류 크기만으로 정해지지 않는다. 같은 전류라도 회복되는 전압의 상승률과 파고치가 크면 차단에 실패할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

송배전 계통이 커지면서 고장전류의 크기가 커졌고, 차단기는 큰 전류를 빠르게 끊어야 했다. 계통에 선로 정전용량과 인덕턴스가 많아지면서 전류 영점 직후 회복 전압의 상승이 가팔라졌고, 이는 차단 실패 위험을 키웠다.

고전압 차단기는 아크를 소호하는 매질에 따라 유입식, 공기 블라스트식, 진공식, SF6식 등으로 발전해 왔다. 기술 변화는 있었지만 어떤 방식이든 차단 직후 절연 회복 속도와 회복전압 상승률 사이의 관계를 만족해야 한다는 원리는 같다.

이 때문에 차단기 시험에서는 계통이 만드는 TRV 파형을 기준으로 한 포락선(Envelope)을 정하고, 차단기가 그 포락선보다 가혹한 조건에서도 차단할 수 있는지를 확인한다. 현행 IEC 62271-100 체계가 이 시험 기준의 바탕이다.

• 계통 규모 증가로 고장전류와 회복전압 상승률이 함께 커짐
• 매질별 차단기 개발로 절연 회복 특성이 기기마다 다름
• 표준화된 TRV 포락선으로 기기 간 성능을 공정하게 비교함

정격전압 100kV 이하는 2-파라미터, 100kV 초과는 4-파라미터 포락선을 적용 (IEC 62271-100)

차단기 성능은 이 포락선과 계통 TRV를 비교해 결정된다. 기준 수치는 3절 이후에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

차단기 회복전압은 차단기 극간에 전류 차단 직후 나타나는 전압이다. 차단기가 전류를 끊는 순간부터 극간 전압이 전원 전압으로 돌아가는 과정을 구성요소와 절차로 나누어 본다.

과도회복전압(TRV)은 전류 영점 직후 극간에 나타나는 과도 진동 전압이다. 계통의 인덕턴스와 정전용량에 의해 고주파 진동이 생기고, 이후 계통 주파수 성분의 재기전압(Restriking Voltage)과 회복전압(Recovery Voltage)으로 이어진다. 두 용어는 정의 시점이 다르다. 재기전압은 아크가 소호되는 순간의 과도 전압이고, 회복전압은 과도 진동이 감쇠한 뒤 나타나는 상용 주파수 실효값 전압이다.

차단 성공 여부는 전류 영점 직후 절연회복속도와 회복전압 상승률의 경쟁으로 정해진다.

원리는 다음과 같다. 전류 영점에서 아크 채널의 절연 강도가 회복전압의 상승을 견디면 차단이 성공한다. 상승률이 절연 회복을 앞지르면 재점호가 일어난다. 그래서 재점호(Reignition) 방지가 차단기 설계의 핵심이다.

차단 절차는 다음과 같다.

• 보호계전기가 트립 지령을 내고 차단기 접점이 열린다.
• 접점 사이에 아크가 생기고 전류가 흐른다.
• 전류 영점에서 아크가 소호된다.
• 극간에 재기전압(과도 진동 전압)이 나타난다.
• 과도 진동이 감쇠하면 상용 주파수 회복전압이 남는다.
• 절연 회복이 충분하면 차단이 완료되고, 부족하면 재점호로 다시 전류가 흐른다.

차단 전류의 종류에 따라 TRV 파형이 달라진다. 단락 사고 직후 전원측 전압이 이상 진동하는 모양은 아래 구성도와 같이 전원측·부하측 임피던스로 나누어 이해한다.

계통 구성 측면에서 TRV 는 차단기 양측 계통의 특성에 따라 달라진다. 중성점 접지방식, 부하 종류(용량성·유도성·저항성), 접속 형태(케이블·가공선)가 주된 요인이다. 단락 사고 유형(단상·2상·3상, 접지·비접지)도 영향을 준다.

5. 관련 법령·기준·표준

차단기 회복전압은 KS 와 IEC 규격으로 시험 기준이 정해진다. 국내 설계·시험은 국제 규격 IEC 62271-100 을 따른다. 한국 적용 기준은 전력계통 설계 기준과 전기설비 기술기준에 따른다.

TRV 의 기준 포락선은 정격전압에 따라 두 형태로 나뉜다. 정격전압 100kV 이하는 2-파라미터 포락선을, 100kV 를 초과하면 4-파라미터 포락선을 쓴다. 2-파라미터 포락선은 파고치 Uc와 도달시간 t3로 정의한다. 4-파라미터 포락선은 첫 번째 파고 U1·시간 t1, 파고치 Uc·시간 t2로 정의한다.

표의 값은 IEC 62271-100 의 170kV 차단기 T100 규약치다. 시험 조건은 정격차단전류 또는 그 이하의 전류에서 적용한다.

단락 사고에서 짧은 선로 고장 TRV 는 상승률이 차단 전류의 기울기에 비례한다. 선로의 서지 임피던스 Z 로 표시하며, 표준값은 450Ω이다. 이 값은 선로 단위길이당 인덕턴스와 정전용량으로 정해진다.

개정 연혁으로는 IEC 기준이 2-파라미터에서 4-파라미터 포락선을 병행하는 방향으로 정리되었다. 국내 KS 규격도 IEC 기준을 반영하는 방향이다.

6. 유형과 비교

차단기 회복전압은 발생 원인과 파형 모양에 따라 나뉜다. 가장 기본이 되는 분류는 단락 위치(근거 측 고장과 선로 측 고장)와 차단 대상 전류의 크기다. 아래 표는 두 분류를 함께 정리한 것이다.