진행파 반사·투과

왜 배우는가: 진행파 반사·투과는 송전선로에서 낙뢰·개폐서지가 선로 접속점이나 변압기 단자에 도달할 때 전압이 얼마나 커지는지를 정량적으로 정하는 기본 원리다. 실무에서는 피뢰기 설치 위치, 케이블과 가공선의 접속부 절연 설계, 서지 보호 계획에 직접 쓰인다. 시험에서는 반사계수·투과계수 유도, 개방·접지 종단의 파고값, 피뢰기 근접 설치 이유처럼 여러 교시에 걸쳐 반복해 출제된다.

출제 이력: 제137회 3교시 2번, 제136회 4교시 4번, 제115회 2교시 2번, 제112회 4교시 5번, 제98회 4교시 5번, 제96회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 진행파의 반사·투과는 특성 임피던스가 다른 두 선로의 변이점에서 입사파가 일부는 반사되고 일부는 투과되는 현상이다.

핵심 키워드

• 진행파(Traveling Wave)
• 특성 임피던스(Characteristic Impedance, Z)
• 반사계수(Reflection Coefficient, β)
• 투과계수(Transmission Coefficient, ɼ)
• 변이점(Junction Point)
• 파동 임피던스 정합
• 서지 임피던스
• 이상전압 파고값

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전기 신호가 전선을 따라 달리다가 전선의 성질이 바뀌는 지점을 만나면 신호의 일부가 되돌아오고 나머지가 앞으로 넘어가는 현상이다. 물에서 파도가 좁은 수로를 만나 일부는 되돌아오고 일부는 통과하는 것과 같다.

정식 정의는 다음과 같다. 선로 위에서 전압과 전류는 항상 전진하는 파(입사파)와 후진하는 파(반사파)의 합으로 나타낼 수 있다. 두 선로의 특성 임피던스가 다르면 변이점에서 경계조건(전압 연속, 전류 연속)을 만족시키기 위해 반사파가 생긴다. 진행파(Traveling Wave) 는 선로를 따라 시간에 따라 이동하는 전압·전류 파동이고, 특성 임피던스(Characteristic Impedance, Z) 는 한 방향 진행파에서 전압과 전류의 비다.

반사계수(Reflection Coefficient, β) 는 반사파 전압과 입사파 전압의 비다. 투과계수(Transmission Coefficient, ɼ) 는 투과파 전압과 입사파 전압의 비다. 전류에 대해서는 전류 반사계수와 전류 투과계수를 따로 정의한다. 반사계수는 부호로 반사파의 방향과 극성을 알려 준다. 값이 양이면 같은 극성으로 되돌아오고, 음이면 반대 극성으로 되돌아온다.

변이점에서 반사와 투과가 일어나는 이유는 임피던스 불연속이다. 임피던스가 같으면 반사가 없고 신호는 그대로 넘어간다. 임피던스 차이가 클수록 반사가 크다. 이 원리는 전력 분야에서 케이블과 가공선의 접속부, 변압기 단자, 종단 개방·접지 조건에서 전압 상승으로 나타난다.

Bewley Lattice Diagram 은 이 과정을 시간에 따라 반복 계산하는 도해법이다. 반사와 투과가 여러 번 일어나면 시간에 따라 전압이 단계적으로 쌓이는 모습을 보인다.

3. 등장 배경과 필요성

송전 계통은 가공선, 지중케이블, 변압기, 차단기가 연결된 구조다. 낙뢰나 개폐 동작이 발생하면 서지 전압이 선로를 따라 진행한다. 그런데 이 서지는 설비마다 임피던스가 다르므로, 접속점마다 반사와 투과가 일어난다. 이 때문에 접속점에서 전압이 입사파 크기의 몇 배까지 오르는지 미리 계산해야 한다.