개폐서지

왜 배우는가: 차단기 개폐 동작은 송배전 설비 절연을 위협하는 과전압을 만들기 때문에 실무에서 서지 억제 설계가 필수다. 개폐서지는 뇌서지보다 파고는 낮지만 지속시간이 길어 기기 절연에 영향을 주며, 차단기 트립·콘덴서 개폐 문항으로 여러 회차에 반복 출제되었다.

출제 이력: 제123회 3교시 6번, 제122회 2교시 3번, 제115회 3교시 4번, 제112회 1교시 11번, 제108회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

개폐서지는 차단기·단로기의 투입·개방 시 회로의 L과 C에 저장된 에너지가 방전하며 생기는 과도 진동형 이상전압이다.

핵심 키워드

• 개폐서지
• 투입서지
• 개방서지
• 재점호
• 진상소전류 차단
• 저감 대책
• 서지 억제기(SPD)
• 절연협조

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기 회로를 켜거나 끌 때 전압이 순간적으로 튀어오르는 현상이다. 사람의 손으로 스위치를 누르는 것과 같은 짧은 순간에 전기 에너지가 한꺼번에 이동하기 때문이다.

정식 정의는 다음과 같다. 개폐서지는 개폐장치가 선로를 투입하거나 개방할 때 커패시터(C) 에 저장된 정전에너지와 인덕터(L) 에 저장된 자기에너지가 방전하는 동안 나타나는 과도 진동형 서지다. 과도 진동은 수 마이크로초에서 수 밀리초 정도 지속된다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

투입서지는 차단기를 닫을 때 생기는 서지다. 무부하 선로에 잔류 전하가 있으면 진상전류를 차단하는 것과 비슷한 상태가 되어 서지가 발생한다. 선로 끝이 열려 있으면 전압파가 전반사하여 최대 약 2배로 증폭될 수 있다.

개방서지는 차단기를 열 때 생기는 서지다. 진상소전류(콘덴서 뱅크 등)를 차단할 때 특히 크다. 차단기 극간의 절연 회복이 늦어 재점호가 일어나면 과도 이상전압이 연속적으로 커진다.

재점호는 전류 영점 이후 극간 절연이 회복되기 전에 아크가 다시 붙는 현상이다. 개폐서지 크기를 결정하는 가장 중요한 원인이다.

3. 등장 배경과 필요성

차단기 기술이 고속화되고 고압·초고압 선로가 늘면서 개폐 동작 빈도와 개폐 대상 기기가 많아졌다. 콘덴서 뱅크, 리액터, 무부하 변압기의 개폐가 대표적이다. 이때 발생하는 서지는 뇌서지만큼 파고가 크지 않지만 지속 시간이 길다. 그래서 기기 절연에 누적 영향을 주고, 절연 설계 여유를 줄이는 원인이 된다.

뇌서지는 피뢰기로 대부분 억제되지만, 개폐서지는 피뢰기 동작 전압 이하에서 반복해서 발생할 수 있다. 따라서 차단기 자체의 재점호 억제, 투입저항, 동기투입 같은 발생원 억제 대책이 필요하다. 저압 측에서는 SPD를 설치해 기기 단자 전압을 낮춘다.

또한 개폐서지는 설비 운전 조건에 따라 달라진다. 무부하 선로, 진상 콘덴서 투입, 유도성 소전류 차단이 특히 위험하다. 이 점을 알아야 원인별 대책을 설계할 수 있다.