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피뢰기의 선정기준
가. 전압
일반적으로 피뢰기의 최대연속운전전압(Arrester Maximum Operating Voltage)은 계통의 최대연속운전전압(System Maximum Operating Voltage)과 같거나 커야 되며, 피뢰기의 양단간에 인가되는 일시과전압(TOV, Temporary Overvoltage)을 고려하여 피뢰기의 동작책무전압정격(Arrester Duty Cycle Voltage Rating)이 결정되어야 한다. 여기서 피뢰기 동작책무전압은 IEC Std 60099-5에서 규정하고 있는 정격전압과 동일한 개념이다.
?Arrester MCOV ≥ System MCOV
?TOV Capability ≥ System TOV(Temporary Overvoltage)
나. 보호기기의 절연강도 선정
절연강도는 BIL(Basic Lightning Impulse Insulation Level) 과 BSL(Basic Switching Impulse Insulation Level)의 관점에서 표시되며, IEEE Std 1313으로부터 얻을 수 있다.
다. 절연협조
절연협조는 보호기기의 절연강도를 피뢰기의 각 보호레벨(Protective Level)의 크기로 나눈 값으로 표시되며, 일반적으로 변압기의 절연강도는 뇌임펄스에 대해서 내용년한 이내에서 BIL을 하회하지 않고 또한 반복인가전압이 BIL의 80% 이하이면 전압인가에 따른 노화는 없다. 또, 개폐임펄스에 대한 절연강도는 BIL의 83%를 하회하지 않고 반복인가에 따른 노화는 거의 없다고 한다.
따라서 피뢰기의 보호레벨은 뇌임펄스에 대해서는 여유도는 BIL의 80% 이하로, 개폐임펄스에 대해서는 15%의 여유도를 고려하여 BIL의 85%×85% = 70% 이하로 하는 것을 기본으로 하며, 아래의 수식으로 표시될 수 있다.
피뢰기의 뇌임펄스보호레벨(LPL, Lightning Impulse Protective Level)은 8/50㎲의 뇌임펄스전류파형에 의한 뇌임펄스 섬락전압(Lightning Impulse Sparkover Voltage) 또는 피뢰기 방전전압(Arrester Discharge Voltage)의 크기로 나타내고 개폐임펄스보호레벨(SPL, Switching Impulse Protective Level)은 실제 피크전류크기가 500, 1000, 2000(A)이고 45㎲~60㎲의 파형을 갖는 전류에 의한 개폐임펄스섬락전압(Switching Impulse Sparkover Voltage) 또는 피뢰기 방전전압의 크기로 표시되며 이들의 크기는 피뢰기 제작사로부터 얻을 수 있다.
다. 변압기 중성점 피뢰기 적용기준
IEC 60099-5
(1) 전절연 변압기 중성점의 피뢰기
최소한 상과 대지 사이에 설치되는 피뢰기 정격전압의 60% 전압이 되는 피뢰기를 선정한다.
(2) 단절연 변압기 중성점의 피뢰기
계통의 단락전류를 제한하기 위하여 변압기의 중성점이 비접지되는 경우, 변압기는 계통조건에 따라 선정된 피뢰기에 의하여 보호되어야 하며 상과 대지 사이에 설치되는 피뢰기에 적용되는 것과 동일한 방법으로 피뢰기를 선정해야 한다.
(3) IEEE std C62.22-1997
전력용변압기의 중성점에 적용되는 피뢰기의 정격전압을 선정하는 경우 중성점에서의 과전압은 고장시의 계통영상전압과 동일하므로 대칭좌표법을 이용하여 전압을 산정해야 한다. 만일 전력용변압기가 퓨즈에 의하여 보호되거나 또는 단상개폐장치에 의하여 개폐되는 경우 다른 두 상은 개방되었으나, 나머지 한 상이 개방되지 않은 상태에 노출될 수 있으므로 계통의 상전압과 동일하게 전압이 결정될 수 있다.
(4) 한전 설계 기준(ESB140)
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공칭전압(kV) |
계통최고전압(kV) |
중성점피뢰기 정격전압(kV) |
중성점일시 과전압 계수 |
중성점 BIL |
|
154 |
170 |
72 |
0.4684 |
350 |
|
345 |
362 |
108 |
0.4684 |
450 |
|
500 |
550 |
직접접지 |
- |
550 |
|
765 |
800 |
144 |
0.3 |
350 |
라. 변압기 중성점 피뢰기의 적용
1) 접지계수 0.4684E 적용
(1) 피뢰기 전압
UCN 3&4에 적용된 피뢰기 선정방식과 동일하게 적용한다. 1선 지락시 각 계통의 전력용변압기의 중성점 최대 전위상승을 0.4684E로 적용 하여 다음과 같이 피뢰기의 정격전압을 선정한다.
?220kV 계통의 중성점 상승
En=0.4684 × 242 / = 65.44kV
?500kV 계통의 중성점 전위상승
En=0.4684 × 550 / = 148.7kV
따라서, 상기 계산 결과에 따른 중성점 최대전위상승을 고려하여, ANSI C62.11-1999의 Table 1로부터 220kV 계통의 중성점 피뢰기의 동작책무정격전압(Duty Cycle Voltage Rating)과 최대연속운전전압정격(MOCV, Maximum Continuous Operating Voltage Rating)을 각각 72kV와 57kV로 선정하고, 500kV 계통의 중성점 피뢰기는 각각 168kV와 131kV로 선정한다.
(2) 전력용변압기의 중성점 절연강도
전력용변압기 중성점의 BIL은 IEEE Std 1313.1- 1996의 Table 1에 따라 다음과 같이 정한다.
?220kV의 72kV 정격 피뢰기 적용의 경우 : 350kV BIL
?500kV의 168kV 정격 피뢰기 적용의 경우 : 650kV BIL
2) 중성점 전위상승 0.58E 적용
(1) 피뢰기 전압
IEEE C62.22-1997에 따라 유효접지계수 80%를 적용할 경우 1선 지락시 건전상의 대지전위상승은 선간전압의 80%에 해당되며, 1선 지락시 중성점 전위상승을 0.58E로 하여 피뢰기의 정격전압을 선정하면,
?220kV 계통의 중성점 최대전위 상승 En=81.03kV
?500kV 계통의 중성점 최대전위 상승 En=184.17kV
따라서, 상기와 같은 방법으로 220kV 계통의 중성점 피뢰기의 동작책무정격전압과 최대연속운전전압정격을 각각 90kV와 70kV로 선정하고, 또한 500kV 계통의 중성점 피뢰기는 각각 192kV와 152kV로 선정한다.
(2) 전력용변압기의 중성점 절연강도
220kV 및 500kV 각 계통의 전력용변압기의 중성점의 BIL은 각각 450kV와 750kV로 선정된다.
3) 중성점 대지전위상승 0.68E 적용
(1) 피뢰기 전압
1999년 3월의 한전 전력연구원의 보고서(안)는 EMTP 분석결과에 따라 1선 지락시 중성점 전위상승을 0.68E로 제시하고 있으며, 이를 기준으로 220kV 및 500kV 각 계통의 전력용변압기 중성점 전위상승은 각각 95.01와 215.93kV가 되며, 이 경우 220kV 계통의 중성점 피뢰기의 동작책무정격전압과 최대연속운전전압정격을 각각 108kV와 84kV로 선정하고, 또한 500kV 계통의 중성점 피뢰기는 각각 228kV와 180kV로 선정한다.
(2) 전력용변압기의 중성점 절연강도
220kV 및 500kV 각 계통의 전력용변압기의 중성점의 BIL은 각각 450kV와 825kV로 선정된다.
각 접지 계수별 피뢰기 선정 기준
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적용 |
피뢰기 정격전압(kV) |
변압기 중성점 BIL(kV) |
|
220kV |
500kV |
220kV |
500kV |
|
직접접지 |
미적용 |
미적용 |
150 |
150 |
|
일시과전압 계수 0.4684 적용 |
72 |
168 |
350 |
500 |
|
일시과전압 계수 0.58 적용 |
90 |
192 |
450 |
750 |
|
일시과전압 계수 0.68 적용 |
108 |
228 |
450 |
825 |
IEEE C62.22-1997에서 규정하고 있는 유효접지계수 80%를 고려한 중성점 일시 과전압 상승계수 0.58E를 권고하고 있어 본 프로젝트가 국제적인 사업임을 감안할 때 전력용변압기의 중성점 피뢰기의 정격은 IEEE C62.22-1997에 따른 과전압 상승계수 0.58E를 적용하여 선정하는 것이 타당하다고 판단된다.
결론
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계통전압(kV) |
중성점
BIL(kV) |
피뢰기 정격 |
|
공칭전압 |
최고전압 |
정격전압(kV) |
LPL(kV) |
SPL(kV) |
|
220 |
245 |
450 |
90 |
360kV(이하) |
315KV(이하) |
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500 |
550 |
750 |
192 |
600kV(이하) |
525kV(이하) |
위의 계산 방법으로 400kV 의 변압기 중성점 전압을 계산하면
400kV 계통최고전압 420KV (IEC 60076-3 - Power Transforemers Table 4)
0.58x420/root3 = 140.6kV --> 650BIL(IEC 60076-3 - Power Transforemers Table 3)
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계통전압(kV) |
중성점
BIL(kV) |
피뢰기 정격 |
|
공칭전압 |
최고전압 |
정격전압(kV) |
LPL(kV) |
SPL(kV) |
|
400 |
420 |
650 |
145 |
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