개폐서지

왜 배우는가: 개폐서지는 차단기 투입·개방, 무부하 선로 투입, 콘덴서 뱅크 개폐 등 일상 운전에서 발생해 변압기·차단기 등 기기 절연을 위협하므로 실무 설계와 보호협조의 기본이다. 기술사 시험에서도 서지의 종류와 대책을 묻는 문항이 반복적으로 출제되어 원리와 발생 조건을 체계적으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제128회 3교시 1번, 제108회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

개폐서지는 차단기의 투입·개방 등 개폐 동작으로 선로·기기에 발생하는 과도 진동형 이상전압으로, 커패시터에 저장된 정전에너지와 인덕터에 저장된 자기에너지가 방전하며 나타나는 서지이다.

개폐서지는 개폐장치 동작 시 정전에너지·자기에너지의 방전으로 생기는 과도 진동형 이상전압이다.

핵심 키워드: 개폐서지, 투입서지, 개방서지, 재점호, 콘덴서 뱅크 개폐, 진상전류 차단, 제동작용, 진행파

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 스위치를 켜거나 끌 때 전기회로에 순간적으로 치솟는 높은 전압이 개폐서지다. 회로에는 전기를 머금는 커패시턴스와 자기장에 에너지를 저장하는 인덕턴스가 있어서, 차단 순간 이 에너지가 갈 곳을 잃고 진동하며 전압을 밀어 올린다.

과도 진동은 전압이 한두 번 튀었다가 감쇠하는 짧은 진동 파형을 말한다. 뇌서지와 달리 개폐서지는 수 kHz에서 수백 kHz 범위의 주파수를 가지며 상승 속도가 크다. 크기는 뇌서지보다 낮지만 절연 설계에서 무시할 수 없다.

투입서지는 무부하 송전선에 잔류 전하가 있는 상태에서 차단기를 투입할 때 발생하는 서지다. 선로 개방단에서 진행파가 전반사하면서 최대 2배 가까이 증폭될 수 있다.

개방서지는 차단기를 열 때 발생한다. 특히 진상 소전류(콘덴서 전류)를 차단할 때 재점호가 반복되면 전압이 계속 높아진다. 개방서지는 일반적으로 투입서지보다 크게 나타난다.

재점호는 차단기 접점 간 절연이 회복되기 전에 극간 전압이 다시 절연을 깨는 현상이다. 재점호가 한 번 일어날 때마다 선로 잔류전압이 전원 방향으로 급변해 과도 이상전압이 증가한다.

제동작용은 회로저항, 코로나 등이 진동 에너지를 소모시켜 과전압을 낮추는 작용이다. 실제 계통에서는 이 작용 때문에 이론값보다 낮은 대지전압 배수로 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

초고압 송전망이 확대되면서 선로 길이가 늘고 송전선·케이블의 대지 정전용량이 커졌다. 이에 따라 무부하 선로 투입과 콘덴서 뱅크 개폐에서 생기는 과전압이 중요한 설계 조건이 되었다.

차단기 기술도 발전해 왔다. 초기 유입차단기는 차단 과정에서 재점호를 자주 일으켰고, 진공차단기와 가스차단기로 바뀌면서 절연 회복 특성이 좋아졌다. 그러나 진공차단기는 전류 쵸핑(chopping) 현상으로 큰 개폐서지를 만들 수 있어 새로운 대책이 필요해졌다.

절연 설계 측면에서는 개폐서지를 뇌서지와 함께 이상전압 중 하나로 보고 절연협조를 수행한다. 개폐서지 전압은 피뢰기 제한전압과 기기 절연강도를 비교하는 기준이 되므로, 발생 원인과 크기를 정확히 이해해야 올바른 절연 설계가 가능하다.

개폐서지는 계통 운전이 바뀔 때마다 발생하므로 설계 단계에서 시뮬레이션으로 예측하고 현장 측정으로 검증하는 것이 일반적이다. 실측 연구에서는 500kV 양수발전소 개폐 과도 과전압이 최대 630.6±46.5kV, 최소 파두시간 76±7.6ns, 최대 급준도 1130±140.8kV/μs로 보고되어 개폐서지가 매우 빠른 상승 특성을 가진다는 것을 보여 준다.

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4. 구성요소·원리·절차

개폐서지는 차단기의 투입·개방 동작으로 선로·기기에 저장된 에너지가 재배분되면서 생기는 과도진동이다. 발생 원인을 정전에너지(커패시터 C)와 자기에너지(인덕터 L)로 나누어 이해하면 대책이 명확해진다.

투입서지는 무부하 송전선에 잔류전하가 있는 상태에서 차단기를 투입할 때 생긴다. 개방단에서 전압파가 전반사하여 최대 2배까지 증폭된다. 실제 크기는 2배 이하이므로 문제는 작다.

개방서지는 진상 소전류를 차단할 때 생긴다. 차단 순간 선로단은 전원 최대값 V_m으로 충전되어 잔류한다. 반주기 후 차단기 극간에는 2V_m이 걸린다. 이때 절연회복이 부족하면 재점호가 일어나고, 과도 진동으로 전압이 크게 상승한다. 재점호가 연속되면 5V_m, 7V_m로 커진다. 회로저항과 코로나의 제동작용으로 실제 크기는 이론값보다 낮게 나타난다.

개방서지의 크기는 재점호 횟수에 따라 결정되므로 재점호 억제가 핵심 대책이다.

절차(개방서지 발생 과정)

• 진상 소전류(충전전류) 차단, 전류 영점에서 차단기 개방
• 선로단 잔류전압이 V_m으로 유지됨(전압과 전류 위상차 90°)
• 반주기 후 극간전압 2V_m 인가, 절연회복 불충분
• 재점호 발생, 선로 잔류전압이 전원전압으로 복귀하려는 과도 진동
• 재점호로 과전압 서지 발생, 재점호 반복 시 5V_m, 7V_m 증가

억제 원리는 차단기의 극간 절연회복 속도를 높여 재점호를 막는 것이다. 개폐저항기 삽입, 동기투입·동기차단(Controlled Switching), 서지흡수기 설치가 대표적이다.

5. 관련 법령·기준·표준

개폐서지 자체를 직접 규정한 국내 법령 조문은 없다. 실무 기준은 절연협조와 기기 내전압 시험의 형태로 적용된다. 대표적 기준은 다음과 같다.

위 표의 배수(Vm, 대지전압 배수)는 과도 해석에서 얻는 상대적 크기다. 설계 시에는 계통 조건별 해석값을 사용한다.

개정 연혁: 전기설비 기준은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)으로 통합되었다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다.

• 개폐서지는 전력계통 과전압의 한 종류이며, 뇌서지와 달리 기기 절연협조에서 개폐 조건별로 검토한다.
• 콘덴서 뱅크와 분로리액터에 대한 차단기 선정은 재점호 억제 성능을 기준으로 한다.

6. 유형과 비교

개폐서지는 발생 원인에 따라 투입서지와 개방서지로 나뉘고, 개방서지는 다시 소전류 차단 계열과 재점호 계열로 나눠 본다. 발생 조건과 크기가 달라 대책도 달라지므로 먼저 유형을 구분해 두어야 한다.