전자유도장해

왜 배우는가: 전자유도장해는 송전선의 1선 지락 사고 때 흐르는 기유도전류가 병행한 통신선에 유도전압을 만들어 통신 장해를 일으키므로, 송전 계통 설계와 통신 설비 보호를 함께 다루는 핵심 주제다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 거의 매번 나오는 단골 개념이다.

출제 이력: 제135회 2교시 6번, 제123회 3교시 3번, 제92회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전자유도장해는 송전선의 지락 등으로 흐르는 기유도전류가 만드는 자속이 병행한 통신선과 쇄교하여 통신선에 불필요한 유도전압을 발생시키는 현상이다.

• 전자유도: 시간적으로 변하는 자기장이 회로와 쇄교하여 기전력을 유기하는 현상
• 기유도전류: 유도원이 되는 전류, 주로 1선 지락 시 대지로 흐르는 전류
• 대지귀로전류: 지락점에서 대지를 거쳐 발전소·변전소로 돌아가는 전류
• 병행 길이: 송전선과 통신선이 나란히 가설된 거리로, 유도전압 크기를 좌우
• 이격거리: 두 선로 사이의 간격으로, 자기 결합의 세기를 결정
• 차폐선(가공지선): 자속을 상쇄하여 통신선 유도전압을 줄이는 도체
• 유도전압 제한치: 통신선 유도 위험전압의 기준값(대지전위 상승 시 650V 이하가 기준)

2. 개념 풀이

전력선 옆에 통신선이 나란히 깔려 있으면 두 선 사이에 보이지 않는 결합이 생긴다. 전력선에 큰 전류가 흐를 때 그 주위에 자기장이 생기고, 통신선이 이 자기장 안에 놓이면 통신선에 전압이 생긴다. 이것이 전자유도장해다.

정식으로 정의하면 전자유도는 시간적으로 변화하는 자기장이 임의의 코일에 쇄교할 때 패러데이 법칙에 따라 코일에 유기 기전력이 발생하는 현상이다. 송전선에서는 1선 지락 사고 등으로 기유도전류가 흐르면, 이 전류가 만든 자속이 통신선과 쇄교하여 통신선에 유기전압을 만든다.

핵심 용어는 다음과 같다. 기유도전류는 유도원이 되는 전류이며, 대지귀로전류는 지락 지점에서 대지를 통해 전원 측으로 되돌아가는 전류다. 이 대지귀로전류가 전자유도의 원인 전류가 된다. 쇄교는 자속이 회로를 관통하는 상태이며, 쇄교 정도가 클수록 유도전압이 커진다.

전자유도장해는 정전유도장해와 구별해야 한다. 정전유도는 전력선의 전압이 정전 용량을 통해 통신선에 전압을 주는 현상으로 전압 크기에 영향을 받는다. 반면 전자유도는 전류, 특히 지락 시의 대지전류에 의해 생기므로 사고 시에 크게 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

송전 계통은 전력을 효율적으로 보내기 위해 고전압·대용량으로 발전했다. 그런데 송전선과 통신선은 같은 철탑이나 같은 전력 구역을 공유하는 경우가 많다. 전력 설비와 통신 설비가 가까이 놓이면서 유도 문제가 현실적인 설계 과제가 되었다.

특히 1선 지락 사고는 송전 계통 고장 중 발생 빈도가 가장 높다. 지락 전류가 대지로 흐르면 그 전류가 병행한 통신선에 큰 유도전압을 준다. 사고 자체는 짧아도 통신선 설비가 손상되거나 통신 기능이 마비될 수 있다.

따라서 설계 단계에서 유도전압을 미리 계산하고, 기준값을 넘으면 대책을 세워야 한다. 차단기 용량이나 보호계전기 정정에 고장 전류를 쓰는 것과 같은 이유로, 유도전압의 사전 예측이 필요하다. 전력유도 검토 대상도 이격거리와 병행 길이로 정해진다.

• 검토 대상 예: 전기통신시설이 가공송전선과 5km 이내의 이격거리로 500m 이상 병행하는 경우 500m 이상 병행
• 특고압배전선과 케이블 통신선은 100m 이내 이격, 500m 이상 병행이 기준 100m 이내 이격(단, 가공지선이 설치된 경우에는 1km 이상 병행)

가공지선은 전자차폐 효과로 유도전압을 낮춘다. 다만 자계를 완전히 상쇄하지 못하므로 완전 차폐는 어렵다.

4. 구성요소·원리·절차

전자유도장해는 1선 지락 전류가 흐를 때 송전선 주변 대지귀로 전류가 만드는 자속이 병행한 통신선과 쇄교하면서 생긴다. 발생 원리는 패러데이 법칙이다. 통신선에 유기되는 전압은 기유도 전류의 크기, 이격거리, 병행 길이, 대지 저항률, 차폐 조건에 따라 달라진다.

전자유도장해는 기유도전류의 자속이 통신선과 쇄교하여 유기전압을 만드는 현상이다

구성요소는 다음과 같다.

표의 각 항목은 유도 크기를 결정하는 인자와 대응한다. 기유도전류가 클수록, 병행 길이가 길수록, 이격거리가 짧을수록 유도전압이 커진다. 차폐 설비는 유도원과 피유도체 사이의 결합을 줄이는 역할을 한다.

원리는 다음 순서로 전개된다.

• 송전선 1선 지락으로 지락전류가 흐르고, 그 일부가 대지로 흘러 대지귀로 전류가 된다.
• 대지귀로 전류가 만든 자속이 병행한 통신선 루프와 쇄교한다.
• 시간에 따라 변하는 자속이 패러데이 법칙에 따라 통신선에 유기전압을 만든다.
• 유기전압은 통신선 종단 장치의 잡음이나 손상을 일으킨다.

이 과정을 흐름도로 나타내면 다음과 같다.

유도 크기를 정량적으로 보는 기본 관계는 다음과 같다. 통신선 단위 길이당 유도전압은 상호 인덕턴스 M과 기유도전류 I_g의 곱에 비례하고, 병행 길이 L을 곱해 전체 값을 얻는다.

$E_m = j\omega M \cdot I_g \cdot L \cdot K$

E_m은 유도전압(V), \omega는 각주파수(rad/s), M은 상호 인덕턴스(H/m), I_g는 기유도전류(A), L은 병행 길이(km), K는 분류계수와 차폐계수 등 적용계수다. 실제 산출은 기술기준의 별표 계산식을 따른다.

5. 관련 법령·기준·표준

전자유도장해의 산출과 검토는 「전력유도전압의 구체적 산출방법에 대한 기술기준」(고시)을 따른다. 이 고시는 유도자와 피유도자의 조사, 검토 대상, 유도전압 계산식, 전철시설 유도 잡음의 기준을 정한다.

검토대상 시설은 다음 기준으로 정한다. 기준 거리와 병행 길이는 모두 고시 원문을 따른다.

표 아래 설명을 덧붙인다. 위 표는 검토 대상을 고르는 기준이며, 대상이 되면 별표 계산식으로 유도전압을 구한다. 대상 밖의 시설도 상호 요청에 따라 자료를 검토할 수 있다.

대지전위 상승에 의한 이상시 위험전압은 제한치를 650V 로 두고 계산식을 따른다. 전철시설 유도 잡음 중 0.5mV 초과 2.5mV 미만의 잡음전압은 1분 동안 잡음전압과 그 지속시간(초)을 곱한 전압의 총 합계가 30mV·s 를 넘으면 방지조치 대상이 된다. 전철시설로부터 발생하는 유도 잡음전압이 2.5mV 이상이면 즉시 방지조치 대상이다.

6. 유형과 비교

전자유도장해는 발생 경로와 대책의 성격에 따라 몇 가지 유형으로 나누어 비교해야 답안이 정리된다. 먼저 장해를 일으키는 결합 방식을 정전유도와 전자유도로 나누고, 다음으로 전자유도 전압이 생기는 상황을 정상시와 이상시로 구분한다.