여파

정의
여파는 일시적인 파동으로, 전송선로를 일정한 속도로 전파되며 교란을 생성합니다. 이 유형의 파동은 매우 짧은 시간(몇 마이크로초 정도) 동안 존재하지만, 전송선로에 상당한 교란을 일으킬 수 있습니다. 일시적인 파동은 주로 스위칭, 고장, 낙뢰와 같은 작업으로 인해 전송선로에서 발생합니다.
여파의 중요성
여파는 전력 시스템 내의 다양한 지점에서의 전압과 전류를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 절연체, 보호 장치, 종단 장비의 절연, 그리고 전력 시스템 전체의 절연 조정 설계에도 필수적입니다.
여파의 사양
수학적으로 여파는 여러 가지 방법으로 표현될 수 있으며, 가장 일반적으로 무한 직사각형 파 또는 계단형 파 형태로 나타납니다. 여파는 아래 그림에서 설명된 네 가지 특정 속성을 가지고 있습니다.

• 여파의 특성
  최대값: 이는 파동의 최대 진폭을 나타내며, 전압 파동의 경우 킬로볼트(kV), 전류 파동의 경우 킬로암페어(kA)로 측정됩니다.

• 전면: 이는 최대값 앞부분을 가리킵니다. 전면의 지속 시간은 파동의 시작부터 최대값에 도달할 때까지의 시간 간격으로, 일반적으로 밀리초(ms) 또는 마이크로초(μs)로 표현됩니다.

• 후면: 후면은 최대값 이후의 부분을 포함합니다. 이는 파동의 시작부터 파동의 진폭이 최대값의 50%로 감소할 때까지의 경과 시간으로 정의됩니다.
  극성: 이는 최대값 전압의 극성과 그 수치 값을 나타냅니다. 예를 들어, 최대값 전압이 500 kV, 전면 지속 시간이 1 μs, 후면 지속 시간이 25 μs인 양의 파동은 +500/1.0/25.0으로 표기됩니다.

서지
서지는 전도체를 따라 전하가 움직일 때 발생하는 특정 유형의 여파입니다. 서지는 전압이 매우 빠르고 급격하게 증가하는(급격한 전면) 후, 좀 더 천천히 감소하는(서지 후면) 특징을 가지고 있습니다. 이러한 서지가 케이블 박스, 변압기, 스위치 기어와 같은 종단 장비에 도달하면, 장비가 충분히 보호되지 않은 경우 손상을 초래할 수 있습니다.
전송선로의 여파
전송선로는 분포 매개변수 회로로서, 전압 및 전류 파동의 전파를 지원합니다. 분포 매개변수 회로에서 전자기장은 유한한 속도로 전파됩니다. 스위칭과 같은 작업이나 낙뢰와 같은 사건은 회로의 모든 지점을 동시에 영향을 미치지 않습니다. 대신, 이러한 영향은 여파와 서지의 형태로 회로를 통해 퍼집니다.

스위치를 닫아 전송선로를 갑자기 전압 소스에 연결할 때, 선로 전체가 즉시 에너지화되는 것은 아닙니다. 즉, 전압이 선로의 먼 끝에서 즉시 나타나는 것은 아닙니다. 이 현상은 손실 없는 선로에서 분포 상수, 즉 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)의 존재로 인해 발생합니다.

분포 매개변수 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)를 가진 긴 전송선로를 고려해보겠습니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 이 긴 선로는 개념적으로 작은 구간으로 나눌 수 있습니다. 여기서 S는 스위칭 작업 중 서지를 시작하거나 종료하는 데 사용되는 스위치를 나타냅니다. 스위치가 닫힐 때, 인덕턴스 L1은 초기에 개방 회로처럼 작용하며, 커패시턴스 C1은 단락 회로처럼 작용합니다. 그 순간, 다음 구간의 전압은 변화할 수 없습니다. 왜냐하면 커패시턴스 C1의 전압이 초기에는 0이기 때문입니다.

따라서, 커패시턴스 C1이 어느 정도 충전될 때까지 커패시턴스 C2를 인덕턴스 L2를 통해 충전하는 것은 불가능하며, 이 충전 과정은 시간이 필요합니다. 같은 원리는 전송선로의 세 번째, 네 번째, 그리고 그 이후의 구간에도 적용됩니다. 결과적으로, 각 구간의 전압은 점차 증가합니다. 이 점진적인 전압 증가는 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전파되는 전압 파동으로 시각화할 수 있습니다. 이를 가능케 하는 전류 파동은 주변 공간에서 자기장을 생성합니다. 이러한 파동들이 전기 네트워크 내의 접합부와 종단부에 도달하면, 반사와 굴절이 발생합니다. 많은 선로와 접합부가 있는 네트워크에서는 하나의 입사파가 여러 개의 여파를 시작할 수 있습니다. 파동이 분할되고 여러 번 반사됨에 따라 파동의 수는 크게 증가하지만, 결과적으로 발생하는 파동들의 총 에너지는 원래의 입사파의 에너지를 초과할 수 없으며, 이것은 전기 시스템에서 에너지 보존 법칙을 준수합니다.