절연협조

왜 배우는가: 절연협조는 전력계통의 과전압 조건에서 기기 절연이 보호장치 뒤에서 안전하게 유지되도록 설계하는 기본 원리다. 변전설비와 수변전 설계의 절연 등급, 피뢰기 선정, 기기 기준충격절연강도 결정의 근거가 되므로 실무와 시험 모두에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제123회 2교시 4번, 제103회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

절연협조는 계통에서 발생하는 과전압을 보호장치로 제한하고, 그 제한전압보다 기기의 절연강도를 높게 정해 기기 절연을 보호하는 설계 원리이다.

핵심 키워드

• 절연협조(Insulation Coordination)
• 기준충격절연강도(BIL, Basic Impulse Insulation Level)
• 제한전압(Protective Level)
• 피뢰기(Lightning Arrester)
• 뇌서지(Lightning Surge)
• 개폐서지(Switching Surge)
• 보호여유(Margin)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 번개나 개폐로 생긴 높은 전압이 들어와도 기기가 견디도록, 보호장치가 전압을 먼저 낮추고 기기는 그보다 높은 절연을 갖게 맞추는 일이다. 절연 강도를 무작정 높이면 기기가 비싸지고 절연 크기가 커지므로, 보호장치와 기기 절연을 짝으로 정해 경제성과 안전성을 함께 잡는다.

정식 정의로는 계통 내 각 기기, 기구, 애자 등의 절연내력과 보호기기의 특성을 상호 관련지어, 과전압을 허용 수준 이하로 억제하고 경제적인 절연 설계를 이루는 것을 절연협조라 한다.

핵심 용어를 나누어 보면 다음과 같다.

기준충격절연강도(BIL) 는 표준 충격파(뇌임펄스 파형) 시험에서 기기가 견디는 파고값(kV crest)이다. 기기 절연의 등급을 나타내는 대표 값이다. 표준 충격파는 뇌충격 전압파로 시험하는 것이 일반적이다.

제한전압(Protective Level) 은 피뢰기 등 보호장치가 방전 중 기기 단자에 남기는 최대 잔류 전압이다. 이 값이 BIL보다 낮아야 기기가 보호된다.

보호여유(Margin) 는 BIL과 제한전압 사이의 여유 비율이다. 이 여유가 있어야 보호장치 동작 편차나 접속 길이에 따른 전압 상승을 흡수할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 고전압화되면서 뇌격과 차단기 개폐에 의한 서지 전압의 크기와 빈도가 커졌다. 과거에는 절연 여유를 크게 잡아 기기를 설계했으나, 이 방식은 설비 비용과 크기를 키운다. 그래서 보호장치를 설치하고 그 제한전압에 맞추어 기기 절연을 정하는 절연협조 개념이 발전하였다.

또 계통이 송전과 배전으로 복잡하게 연결되면서 서지가 한 기기에서 다른 기기로 전파된다. 따라서 개별 기기만 보는 것으로는 부족하고, 계통 전체의 전압 분포와 보호장치 위치를 함께 검토해야 한다. 이 필요성 때문에 절연협조가 설계 기준으로 자리 잡았다.

절연협조가 필요한 이유를 정리하면 다음과 같다.

• 뇌서지와 개폐서지로부터 변압기, 차단기, 모선 등 고가 기기를 보호한다.
• 과도한 절연 과설계를 막아 설비 비용과 크기를 줄인다.
• 보호장치와 기기 등급을 일관된 기준으로 맞춰 사고 시 피해 범위를 줄인다.

4. 구성요소·원리·절차

절연협조는 계통의 기기 절연강도와 보호기기의 제한전압을 맞추어, 이상전압이 들어와도 가장 약한 기기가 먼저 손상되지 않도록 하는 설계 체계다. 구성요소는 이상전압 발생원, 보호기기, 보호대상 기기의 절연강도 세 가지로 나눠 본다. 이상전압은 뇌서지와 개폐서지로 나뉘고, 보호기기는 피뢰기(lightning arrester, 서지 보호장치)가 대표적이다. 피뢰기는 과전압이 걸리면 대지로 방전하여 전압을 제한하고, 정상전압에서는 절연 상태를 유지한다.

위 표는 세 요소의 관계를 보여준다. 보호기기의 제한전압이 기기의 BIL보다 낮아야 기기가 보호된다. 기기의 절연강도는 여유를 두고 정해야 한다.

절연협조의 원리는 절연강도와 제한전압 사이에 보호여유(margin) 를 두는 것이다. 이 여유가 작으면 보호기기가 동작하기 전에 기기가 절연파괴된다. 여유가 크면 기기 절연 비용이 늘어난다. 따라서 여유를 적절히 정하는 것이 설계의 핵심이다.

절연협조의 절차는 다음과 같다.

• 계통 전압과 최대 운전전압을 정한다.
• 뇌서지와 개폐서지의 크기를 추정한다.
• 피뢰기의 정격전압과 제한전압을 선정한다.
• 제한전압에 보호여유를 더해 기기의 요구 BIL을 정한다.
• 기기의 정격 BIL이 요구 BIL 이상인지 확인한다.
• 보호거리와 피뢰기 설치 위치를 검토하여 결과를 확정한다.

이 과정에서 보호기기 제한전압이 기기 BIL보다 낮아야 기기가 보호된다. 절차 중 3~5단계에서 제한전압과 BIL의 대소 관계가 맞는지 반드시 확인해야 한다.

다음은 절연협조 구성도다. 이상전압이 들어올 때 보호기기가 먼저 동작하는 경로를 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

절연협조와 BIL은 전기설비기술기준과 한국전기설비규정(KEC)의 절연 및 과전압 보호 규정에 따른다. 한국전기설비규정은 2021-01-01부터 적용되며 옛 판단기준을 대체했다. 기기 절연의 기준이 되는 값은 제조사 시험규격과 KS·IEC 시험방법으로 확인된다. 본문에서 쓰는 수치는 널리 알려진 값이다.

BIL은 충격파 전압의 파고값으로 나타낸다. 표준 충격파는 뇌충격파이며, 기기 정격전압에 따라 BIL 값이 정해진다. 아래 표는 전압 등급별 대표 BIL을 보인다.

위 표의 BIL 값은 154kV급 BIL 750kV와 같이 설비 등급별로 달라진다. 실제 설계에서는 계통 조건과 시험규격에 따라 더 높은 BIL을 정할 수 있다. 표의 값은 설계 시작점으로 쓴다.

피뢰기의 정격과 제한전압도 기준 수치다. 피뢰기 정격전압은 계통 최고전압과 중성점 접지방식에 따라 정한다. 유효접지 계통에서는 피뢰기 정격전압을 계통 최고전압을 기준으로 관련 기준이 정한 값 이상으로 본다. 이 값은 일반적인 설계 기준이다.

보호여유는 기기 BIL과 피뢰기 제한전압의 비로 평가한다. 일반적으로 보호여유는 관련 기준이 정한 값 이상을 기준으로 둔다. 이 비율이 작으면 기기 보호에 위험이 생긴다.

이 절의 수치는 설계 시작점이다. 실제 적용은 해당 전기설비기준과 제조사 규격에 따라 확정한다.

6. 유형과 비교

절연협조의 대상이 되는 보호 장치와 절연 계층을 구분하면 설계 판단이 쉬워진다. 아래 표는 절연 계층 측면에서 기기 절연, 피뢰기, 간극 방식의 역할을 비교한 것이다.