이상전압

왜 배우는가: 이상전압은 전력설비의 절연 설계와 피뢰기·차단기 선정의 출발점이라 실무에서 가장 기본이 되는 판단 기준이다. 내부 원인과 외부 원인을 구분해 열거하는 문제가 기술사 시험에서 반복적으로 출제되므로 원인별 분류 틀을 먼저 익혀야 한다.

출제 이력: 제121회 4교시 2번, 제92회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이상전압은 계통의 최고 사용전압을 초과하는 과도 또는 지속 전압으로, 원인에 따라 내부 이상전압과 외부 이상전압으로 나뉘며 기기의 절연을 결정한다.

• 이상전압(Overvoltage)
• 내부 이상전압(Internal Overvoltage)
• 외부 이상전압(External Overvoltage)
• 개폐서지(Switching Surge)
• 뇌서지(Lightning Surge)
• 지속성 이상전압
• 절연협조

2. 개념 풀이

이상전압은 전력계통에 정상 운전 때보다 높은 전압이 걸리는 현상이다. 쉽게 말하면 회로를 열거나 닫을 때, 또는 번개가 칠 때 순간적으로 또는 오래 높은 전압이 생기는 것이다.

정식으로는 계통의 최고 사용전압을 넘는 전압을 이상전압이라 한다. 발생 원인이 계통 내부 조작·고장에 있으면 내부 이상전압, 계통 밖의 뇌나 타 선로와의 혼촉·유도에 있으면 외부 이상전압으로 구분한다.

내부 이상전압은 다시 지속 시간과 크기에 따라 나눈다. 짧은 순간에 소멸하는 과도 과전압을 개폐서지와 고장 과도 이상전압으로 보고, 시간이 길게 이어지는 전압을 지속성 이상전압으로 본다. 외부 이상전압의 대표는 뇌서지다. 뇌서지는 뇌운의 방전으로 생기는 충격파 형태이며, 선로를 따라 진행파가 되어 기기 절연을 위협한다.

뇌서지는 직격뢰와 유도뢰로 다시 나뉜다. 직격뢰는 뇌운이 선로에 직접 방전해서 생기고, 유도뢰는 선로 근처에 방전할 때 정전·전자기 유도로 생긴다. 이 중 피뢰기가 보호해야 할 주 대상은 뇌서지다.

개폐서지는 개폐장치의 투입·개방 시 커패시터에 저장된 정전에너지와 인덕터에 저장된 자기에너지가 방전하며 나타나는 과도 진동 형태의 서지다. 크기는 뇌서지보다 낮지만 상승속도가 매우 빠르다.

이상전압의 크기는 절연 설계의 기준이 된다. 그래서 절연협조에서 기기별 절연강도를 이상전압 크기보다 높게 정하고, 피뢰기로 그 상한을 낮춘다.

3. 등장 배경과 필요성

송전 전압이 높아지고 계통이 복잡해지면서 이상전압의 영향이 커졌다. 초고압 선로는 선로 길이가 길어 정전용량과 인덕턴스가 크고, 차단기와 콘덴서·리액터 같은 개폐 기기가 많아져 과도 현상이 자주 생긴다.

과거에는 절연을 크게 잡는 방식으로 이상전압에 대응했다. 그러나 절연을 무작정 높이면 설비 비용과 부피가 함께 커진다. 그래서 이상전압의 원인과 크기를 정확히 파악하고, 피뢰기 같은 보호장치로 상한을 억제하여 절연을 합리적으로 정하는 방향으로 발전했다.

또한 계통 사고가 일어나면 절연 파괴로 정전이 확대된다. 이상전압을 원인별로 분석하면 설비 고장과 정전을 줄이는 대책을 세울 수 있으므로 설계와 운영 모두에 필요하다.

한편 신재생에너지 확대로 인버터 기반 전원이 늘면서 계통 사고 시 과전압이 나타나는 새로운 형태도 주목받고 있다. 이는 기존 원인 분류에 새로 추가해서 설명할 수 있는 최근 쟁점이다.

4. 구성요소·원리·절차

이상전압은 발생 원인에 따라 내부 요인과 외부 요인으로 나뉘고, 지속시간과 크기에 따라 뇌서지, 개폐서지, 지속성 이상전압으로 구분한다. 절연 설계는 이 세 가지 각각의 크기와 파형을 기준으로 이루어진다.

표 설명: 뇌서지는 크기가 가장 크지만 지속시간이 짧다. 개폐서지는 크기보다 상승속도가 커서 기기 절연에 위협이 된다. 지속성 이상전압은 크기가 낮아도 시간이 길어 절연 협조의 기준이 된다.

핵심 원리는 다음과 같다. 선로와 기기는 인덕턴스와 커패시턴스를 가진 진동 회로이므로 개폐 시 저장된 자기에너지와 정전에너지가 교환되며 과도진동 전압이 생긴다. 이 과도진동이 선로를 따라 진행파로 전파되면서 기기 단자에 도달한다.

개폐서지 발생 절차

• 차단기 개방 또는 투입으로 회로 상태가 급변한다.
• 선로의 정전용량과 인덕턴스에 저장된 에너지가 방전한다.
• 과도진동이 발생하고 진행파가 선로를 따라 이동한다.
• 개로점 또는 말단에서 반사가 일어나 전압이 중첩된다.
• 피뢰기가 동작하여 과전압을 대지로 방전하고 잔류전압을 제한한다.

지속성 이상전압 발생 절차

• 무부하 장거리 송전선로에서 충전전류가 리액턴스 강하를 상쇄한다.
• 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 페란티 효과가 나타난다.
• 발전기 부하 차단 시 조속기 응답 지연으로 과속도와 과전압이 생긴다.
• 소호리액터 접지계통에서 직렬공진이 일어나 1선 단선 시 건전상 전압이 상승한다.

페란티 효과의 수전단 전압 상승은 선로의 분포 정전용량과 인덕턴스로 설명한다. 간략식은 다음과 같다.

$V_R = \frac{V_S}{\cos(\beta l)}$

여기서 V_S는 송전단 전압(V), V_R은 수전단 전압(V), \beta는 위상정수(rad/km), l은 선로 길이(km)이다. 무부하일 때 \beta l이 커질수록 V_R이 V_S보다 커진다. 길이 수백 km 이상의 초고압선에서 그 상승이 뚜렷하다.

이 절의 구성은 발생 원인과 피해 기기가 짝을 이루도록 정리한 것이다. 답안에서는 원인, 파형, 대책의 순서로 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

이상전압 절연 설계는 전기설비 기술기준과 한국전기설비규정(KEC)의 절연 관련 조항을 따르고, 피뢰기와 절연협조는 KEPCO 설계기준과 IEC 기준을 함께 참조한다. 기준 조항 번호는 여기서 확정하지 않고 기준 이름만 쓴다.

표 설명: 뇌임펄스 파형은 관련 시험 기준이 정한 표준파로 시험한다. 개폐임펄스는 파두와 파미가 뇌임펄스보다 훨씬 길다. 시험 전압은 계통의 절연 협조 결과에 따라 정한다.

차단기 정격 내전압은 상용주파 내전압, 뇌임펄스 내전압, 개폐 임펄스 내전압의 세 종류로 나뉜다. 이 값은 차단기가 상과 대지, 상과 상 사이에서 견뎌야 하는 절연 강도를 나타낸다. 정격 투입전류는 정격 차단전류의 2.5배로 정한다.

정격 투입전류는 정격 차단전류의 2.5배

한국전기설비규정(KEC)은 2021년 1월 1일부터 시행되어 기존 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다.

6. 유형과 비교

이상전압은 발생 원인과 지속시간에 따라 크게 뇌서지, 개폐서지, 지속성 이상전압으로 나눈다. 세 유형은 크기, 지속시간, 주파수 성분이 달라서 억제 대책도 다르다. 아래 표는 기출 2개 회차에서 함께 묻는 원인별 특성을 정리한 것이다.