변압기 이행전압

왜 배우는가: 변압기 이행전압은 154kV 계통과 22.9kV 배전 계통이 고압 변압기로 연결되는 곳에서 고압측 지락이나 개폐 사고가 저압측 기기에 전압을 옮겨 오는 현상이다. 기기 절연 설계와 보호 협조를 정할 때 필수로 계산하는 값이라 실무에서 중요하고, 용어형 문제와 계산형 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제129회 3교시 2번, 제101회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이행전압은 변압기 1차측 고압 계통의 전압이 전자적 결합을 통해 2차측 또는 3차측에 나타나는 전압을 말한다.

키워드

• 이행전압(Transferred Voltage)
• 정전결합(Capacitive Coupling)
• 전자결합(Electromagnetic Coupling)
• 고저압 혼촉
• 1선 지락
• 절연 협조
• 비접지 계통
• 저압측 기기 절연 파괴

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 고압 쪽에서 생긴 전압이 변압기 권선을 건너 저압 쪽 전선에 그대로 나타나는 현상이다. 변압기 권선 사이에는 절연을 위한 정전용량이 있고, 철심과 권선 사이에도 용량이 있다. 이 정전용량을 통해 고압 측 전위가 저압 측으로 넘어온다.

정식으로는 고압측 권선과 저압측 권선 사이의 정전결합과 전자결합에 의해, 한쪽 계통에서 발생한 과전압 또는 지락 시 전위가 다른 쪽 계통에 나타나는 현상을 이행전압이라 한다. 전자결합은 권선 간 상호 인덕턴스를 통해 전압을 옮기고, 정전결합은 권선 사이 정전용량을 통해 전류를 흘려 전압을 옮긴다.

이행전압이 문제가 되는 이유는 저압측 기기의 절연 설계 기준보다 큰 전압이 유기될 수 있기 때문이다. 고압 계통의 1선 지락 시 건전상의 대지전압이 상승하고, 이 상승분이 정전결합으로 저압측에 넘어온다. 저압측 중성점이 접지되어 있지 않으면 전압이 대지에 대해 떠 있게 되어 값이 더 커질 수 있다.

정전결합은 권선 사이 정전용량을 통해 전위가 전달되는 결합이다. 고주파 성분이나 서지에서 특히 크게 나타난다. 전자결합은 자속을 통해 전압이 유도되는 결합이며, 주파수가 낮은 정상상태 전압에서 주로 문제가 된다. 두 결합의 합이 이행전압이다.

3. 등장 배경과 필요성

우리나라 배전 계통은 154kV 또는 345kV 계통에서 강압된 후 22.9kV 중성점 직접 접지식 계통으로 공급된다. 154/22.9kV 배전용 변압기는 고압 계통과 배전 계통을 직접 잇는다. 고압측에서 발생한 사고 전압이 변압기를 건너 배전 계통으로 넘어오는 구조다.

초기 배전 계통은 저압 기기 절연이 충분하다고 보았으나, 계통 규모가 커지고 지락 사고 빈도가 늘면서 이행전압에 의한 기기 손상 사례가 보고되었다. 이 때문에 이행전압을 정량적으로 평가하고, 저압측 피뢰기 설치나 2차측 중성점 접지를 설계 기준에 반영하게 되었다.

그 결과 이행전압은 절연 협조 설계의 입력값이 되었다. 기기 절연 수준(BIL)을 정할 때 고압측 서지뿐 아니라 이행전압에 의한 과전압도 함께 고려한다. 저압측 기기가 견뎌야 할 전압을 정하는 근거가 되므로, 설계 단계에서 빠뜨리면 운전 중 절연 파괴로 이어진다.

고압측 1선 지락 시 건전상 대지전압 상승이 이행전압의 원인이라는 점을 답안에 먼저 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기 이행전압은 1차(고압)와 2차(저압) 권선 사이의 정전용량을 통해 고압측 서지가 저압측으로 넘어오는 현상이다. 한 권선에 걸린 전압이 다른 권선에 정전결합으로 나타나므로, 구성요소 중 권선 간 절연과 중성점 접지 방식이 이행전압의 크기를 결정한다. 이행전압은 1차 권선과 2차 권선 사이, 그리고 2차 권선과 대지 사이에 나타난다.

권선 간 정전용량은 권선 구조와 절연 방식에 따라 정해진다. 1차와 2차 사이에 접지된 금속 차폐를 두면 결합 경로가 줄어든다. 절연 변압기는 1차와 2차 사이에 특수 절연을 써서 이 결합을 줄이고, 이행전압의 영향을 억제하는 용도로 쓰인다.

이행전압의 발생 원리는 다음과 같다. 고압 선로에 낙뢰나 개폐서지가 들어오면 1차 권선에 높은 전압이 걸린다. 1차와 2차 사이의 정전용량을 거쳐 전하가 흐르면서 2차측 권선에 전압이 유기된다. 이 전압은 변압기의 권수비로 결정되는 정상 전압과 달리 정전결합으로 생기므로 권수비와 무관하게 나타날 수 있다. 중성점이 접지되어 있지 않으면 2차측 전압이 대지에 대해 떠 있어 이행전압이 더 크게 나타난다.

이행전압은 권수비와 무관하게 권선 간 정전결합으로 생기는 서지 전압이다

이행전압 억제 절차는 다음 순서로 이루어진다.

• 고압측 피뢰기를 변압기 단자 가까이 설치하여 유입 서지의 크기를 제한한다.
• 1차와 2차 사이에 접지된 차폐 또는 절연 변압기를 적용하여 정전결합 경로를 줄인다.
• 2차측 중성점이나 한 상을 접지하여 2차 대지 전압을 낮춘다.
• 변압기 외함과 저압측 기기를 접지하여 이행된 전압을 대지로 배출한다.
• 저압측에 서지 보호기(SPD)를 설치하여 잔류 서지를 한 번 더 제한한다.

이행전압의 크기는 간단히 다음 식으로 개략 평가한다. 여기서 C_{12}는 1차와 2차 권선 사이 정전용량(F), C_{2g}는 2차 권선과 대지 사이 정전용량(F), V_1은 1차측 서지 전압(V)이다.

$V_2 \approx V_1 \cdot \frac{C_{12}}{C_{12}+C_{2g}}$

이 식은 정전용량 분압으로 본 개략식이다. 결합 용량 C_{12}가 커질수록, 대지 용량 C_{2g}가 작을수록 V_2가 커진다. 따라서 차폐로 C_{12}를 줄이거나 접지로 대지 전위를 고정하는 것이 대책의 핵심이다.

5. 관련 법령·기준·표준

이행전압은 개별 법 조문보다 설계·시험 기준에서 다룬다. 고압 선로의 피뢰기 정격과 변압기 절연 수준은 다음 기준을 따른다. 법령상 직접적인 기준값은 없고, 선로 공칭전압과 절연 계급에 따라 정한다.

국내 22.9 kV 배전 계통은 중성점 접지 방식과 피뢰기 정격을 설계 기준에 따라 선정한다. 154 kV 계통의 변압기는 피뢰기를 1차 단자에 설치하고, 2차측 22.9 kV 계통의 이행 서지는 접지 방식으로 억제한다. 절연계급은 정격 전압과 서지 제한 전압을 함께 고려해 정한다.

피뢰기 제한전압은 변압기 절연강도보다 낮게 선정

개정 연혁으로는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 이행전압 억제 설계는 이 체계 안에서 접지·피뢰기 조항으로 관리된다.