A Study on the Optimal Position of Lightning Arrester on Joint Operation of Neutral Wire and Overhead Grounding Wire through Lightning Surge Analysis in Combined Distribution System

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혼합배전계통에서 뇌과전압 해석을 통한 중성선과 가공지선 혼용 운전시 적정 피뢰기 위치에 관한 연구

정석산, 장화윤, 안천용, 이종범 원광대학교

A Study on the Optimal Position of Lightning Arrester

on Joint Operation of Neutral Wire and Overhead Grounding Wire through Lightning Surge Analysis in Combined Distribution System

Seok-San Jeong, Hwa-Youn Jang, Chun-Yong An, Jong-Beom Lee Wonkwang University

선명 선종 및 공칭 단면적

외경[mm] 전기저항

[Ω/km]

알루미늄 강

상도체 ACSR 160㎟ 18.2 7.8 0.182

중성선 ACSR 95㎟ 13.5 4.5 0.301

가공지선 ACSR 32㎟ 7.8 2.6 0.899

공 칭 단 면 적 (㎟)

도체 (㎜)

내 부 반 도 전청 (㎜)

절 연 층 (㎜)

외 부 반 도 전층 (㎜)

중성선

시스 (㎜)

외경 (㎜)

전 기 저항

(Ω/km)

소 선 경 (㎜)

소 선 수

총 단 면적 (㎟)

외경 (㎜)

60 9.3 0.6 6.6 0.7 1.2 18 20 30 3.0 36 0 . 3 0 5 325 21.7 0.6 6.6 0.7 2.6 38 201 53 4.0 61 ^0.057

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Abstract - This paper studies the validity about a joint operation of neutral wire and overhead grounding wire in combined distribution systems. The overhead grounding wire and neutral wire are currently installed separately and grounded by common. However there is no any ineffectiveness or electrical problem in case of the proposed system, such system can be operated at real distribution system.

Therefore this paper describes the suitability of a joint operation through lightning surge analysis on combined distribution systems and analyzes the optimal position of lightning arrester on joint operation of neutral wire and overhead grounding wire. Lightning surge analysis is carried out by EMTP/ATPDraw to obtain the overvoltage of overhead line and underground cable in various conditions such as location and current types of lightning stroke.

Over voltage gained by the analysis show that the insulation strength of the joint operation case is not stable compare with the current operation case.

1. 서 론

도심지는 막대한 인구 집중 현상에 따라 전력수요가 급증하고 있지만 이러한 전력을 전송하는 선로는 과거와 같은 가공선로로는 이미 불가능 한 상황에 있다. 그러나 모든 지역을 지중화하여 운용한다는 것도 지역 적, 재정적 요인으로 일부 구간만을 지중화하는 이른바 혼합배전계통으 로 운용하고 있다[1]. 국내 배전계통은 3상 4선식 다중접지계통이다. 따 라서 가공선로의 경우는 가공지선, 상도체, 중성선을 한 전주에 모두 가 설하고 적당한 위치에서 중성선과 가공지선을 접지하며, 지중선로인 케 이블은 도체 외부에 있는 각 상의 중성선이 맨홀에 있는 접속재에서 인 출되어 다중으로 접지되는 방식을 채택하고 있다[2],[3].

그러나 현재의 가공배전계통에서 운용되는 가공지선과 중성선은 실제 로는 하나로 접지되어 있음에도 불구하고 접지만 공통이지 실제적으로 는 별도로 시설하여 운용되고 있다. 따라서 가공지선과 중성선은 전기적 으로 다중 병렬회로를 구성하고 있지만 회로구성은 가공지선과 중성선 의 역할이 구분되지 않아 보는 시각에 따라서는 중성선이 중복 시설된 것으로 간주될 수 있다. 이데 따라 현재의 중성선의 역할을 겸하도록 하 는는 것에 대한 전기적인 가능성이 제시되고 있다[4][5]. 그러나 이러한 제안과 시도는 우선 국내 배전계통 기술기준에 비추어 절연설계 등 전 기적인 측면에서 문제점이 없는지를 검토하고 평가를 내려야만 그 효용 성 및 실효성 여부를 판단할 수 있다. 지금까지 이에 대한 연구는 국내 연구소를 중심으로 일시적인 연구와 절연여부를 판단하는 연구 또한 있 었다. 이를 바탕으로 중성선과 가공지선을 혼용하여 사용하였을 때 뇌서 지 해석 등 과도현상을 해석하여 보다 심층적인 전기적 특성을 분석하 고 타당성 여부를 평가하고자 한다[6][7].

따라서 본 논문에서는 기존의 가공선로로만 운용되는 가공배전계통은 물론 지중선로와 함께 연계되어 운용되고 있는 혼합배전계통에서 가공 지선과 중성선이 혼용되기 전과 후의 경우에 뇌서지 침입시의 과도현상 해석을 상세하게 수행하고 현행선로와 혼용선로의 특성을 파악하여 적 정 피뢰기 위치를 산정하여 혼용선로의 부족한 절연특성을 보완하고자 한다. 이 검토 결과를 바탕으로 혼용에 대한 보다 심층적인 효용성 여부 를 평가하고자 한다. 본 논문에서 해석은 EMTP/ATPDraw를 사용하였 다[8],[9].

2. 본 론

2.1 현행 배전선로의 구조

국내에서 현재 사용되는 배전계통에서 가공선로는 그림 1 (a)과 같이

상부로부터 가공지선(GW) ACSR 32㎟, 상도체 ACSR 160㎟, 중성선(N) ACSR 95㎟가 전주에 가설되어 있다. 또한 지중선로는 그림 1(b), (c)와 같이 CN/CV 케이블 325㎟를 사용하고 있으며, 맨홀 내부에 있는 접속 재에서 중성선을 접지하고 있다. 그림 1(c)는 케이블의 단면도이다.

한편 표 1은 현재 사용 중인 가공선로의 선로 특성이며 표 2는 지중 선로의 특성을 보여주고 있다.

<그림 1> 현행 배전선로의 구조

<표 1> 강심 알루미늄 연선 선로 특성

<표 2> 강심 알루미늄 연선 선로 특성

2.2 혼용 배전선로의 구조

그림 2 는 혼용배전선로의 구조를 보이고 있다. 가공지선과 중성선이 하나로 사용되고 있는 혼용(GW+N) 선로가 있으므로 기존의 중성선은 제거되어 있다.

2011년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2011. 7. 20 - 22

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뇌격전류 및 파형 2/70㎲, RAMP파

뇌도 임피던스 400Ω

뇌격전류 파고치 15kA, 20kA

가공지선 접지간격 매 100m 마다 접지 피뢰기 설치

가공선로 매 100m, 200m, 300m, 400m, 500m 간격으로 설치, 지중선 로와 연결되는 입상주에 피뢰기 설치

<그림 2> 혼용 가공배전선로의 구조

2.3 해석 모델의 선정

현행 가공배전계통에서 가공선로는 중성선과 가공지선 접지를 매 200m마다 시행하고 있고, 접지저항은 50Ω 이하의 값을 유지하도록 되 어 있으며, 가공지선이 없는 경우는 100Ω 이하의 접지 저항값을 유지하 는 것이 원칙이다. 또한 지중선로와 가공선로가 혼합된 혼합배전계통의 경우로서 선로모델은 가공선로는 총 긍장이 2km이고, 전주 사이의 표준 경간은 50m이며, 지중선로는 총 800m이고, 100m 마다 접속재가 있는 것으로 모의 하였다. 그리고 뇌격점으로부터 가공선로나 지중케이블의 거리가 멀어짐에 따른 발생 과전압이 가공 및 지중선로의 BIL을 초과하 고 있는지에 대해 검토하였다.

2.3.1 해석조건

해석을 위해 필요한 조건은 보다 가혹한 경우의 뇌서지 해석에서 사 용되는 뇌격전류의 파형과 크기를 고려하여 표 3과 같이 정하였다. 그리 고 가공지선과 중성선의 혼용운전시 부족한 절연능력을 적정 피뢰기 간 격으로 보완하는 연구를 위해 피뢰기 간격을 100m 간격으로 나누어서 모의를 실시하였다.

<표 3> 뇌서지 해석 조건

<그림 4> 현행선로 및 혼용선로의 뇌과전압 비교(피뢰기 간격 100m) 그림 4는 현행선로와 혼용선로에 15kA의 뇌격이 침입했을 때의 과전 압의 차이를 나타낸 것이다. 피뢰기 간격은 100m로서 가장 좁은 거리에 서 측정한 값이며 피뢰기 간격이 커질수록 과전압크기는 계속 증가함을 알 수 있었다. 이 결과를 보자면 피뢰기 간격 100m에서 15kA의 뇌격전 류가 침입했을 경우는 현행선로, 혼용선로 모두 지중배전계통의 BIL 값 인 150kV 범위 내에 존재함을 알 수 있다. 표 4, 5는 피뢰기 간격에 따

른 과전압의 차이를 나타낸다.

<표 4> 피뢰기 간격에 따른 과전압(현행선로)

피뢰기 간격

각 측정점에서 최대전압 [kV]

0 m 50m 100m 150m 200m 250m 300m 350m 400m 450m 500m

200m 133 128 85 73 60 53 48 45 43 41 38 300m 157 142 95 82 63 53 48 45 44 43 39 400m 171 158 108 85 66 54 49 46 43 41 38 500m 183 167 125 93 68 54 49 46 45 44 41

<표 5> 피뢰기 간격에 따른 과전압(혼용선로)

피뢰기

간격

각 측정점에서 최대전압 [kV]

0m 50m 100m 150m 200m 250m 300m 350m 400m 450m 500m 200m 162 138 111 88 68 65 57 53 46 48 46 300m 171 146 135 126 106 71 54 55 54 49 47 400m 182 163 157 142 122 98 79 66 51 59 57 500m 197 177 164 152 136 98 96 94 78 65 60

위의 결과값들을 비교해볼 때 피뢰기 간격이 300m 이하일 경우에는 지중선로 인입점에서부터 2번째 구간, 50m 지점에서는 BIL값이 모두 150kV이하 값으로서 보호 가능한 범위에 있다고 판단된다. 그리고 표 4, 5 의 결과값 들로 유추해 볼 때 혼용선로의 실계통 운용을 고려할 시 에 현행선로보다 피뢰기 간격을 100m씩 좁힌다면 현행선로와 혼용선로 의 절연특성이 비슷하다고 판단되기에 향후 혼용선로의 실계통 운용 시 혼용선로의 피뢰기 간격을 조절하는 것이 필요하다고 사료된다.

3. 결 론

본 논문에서는 중성선과 가공지선을 혼용하는 혼용배전선로의 전기적 타당성과 실효성을 검토하기 위하여 혼합배전계통에서의 현행선로와 혼 용선로에 동일한 뇌격이 침입하였을 경우 지중케이블의 과전압을 해석 하여 평가하였다. 특히 과도해석에서는 뇌격 전류의 크기, 피뢰기 설치 간격 등을 고려하여 상세 분석을 함으로서 최소한 절연내력 측면에서의 실효성 여부를 평가하였으며 그 결과를 보면 다음과 같다.

(1) 뇌격 침입 시 혼용선로가 현행선로에서 보다 과전압이 높게 나타났 으며, 피뢰기 간격이 클수록 현행선로보다 높은 과전압이 발생하였다.

(2) 가공지선에 15kA 뇌격 침입 시 피뢰기 간격이 300m 이하일 경우 에는 지중선로 인입 점에서의 두 번째 구간인 50m 지점부터는 두 경우 모두 과전압이 BIL 150kV 범위 내에 존재하므로 현행선로는 물론이고 혼용선로 또한 뇌격침입으로부터 보호가 가능하다고 판단된다.