배전변압기의 번개 보호 조치 분석

배전변압기의 낙뢰 보호 조치 분석

낙뢰 서지의 침입을 방지하고 배전변압기의 안전한 운전을 확보하기 위해 본 논문은 배전변압기의 낙뢰 내구력을 효과적으로 향상시킬 수 있는 적용 가능한 낙뢰 보호 조치를 제시한다.

1. 배전변압기의 낙뢰 보호 조치

1.1 배전변압기의 고압(HV) 측에 서지차단기를 설치한다.
SDJ7–79 전력설비 과전압 보호 설계 기술 규범에 따르면: “배전변압기의 고압(HV) 측은 일반적으로 서지차단기로 보호되어야 한다. 서지차단기의 접지선, 저압(LV) 권선의 중성점, 변압기 탱크는 모두 연결되어 접지되어야 한다.” 이 구성을 중국 전력 당국이 발행한 DL/T620–1997 교류 전기설비의 과전압 보호 및 절연 조정에서도 추천하고 있다.

그러나 광범위한 연구와 현장 경험에 따르면 고압(HV) 측 서지차단기만으로도 낙뢰 서지 아래에서 변압기 고장이 발생하는 경우가 여전하다. 일반적인 지역에서는 연간 고장률이 약 1%이며, 낙뢰가 많은 지역에서는 약 5%에 달하며, 매우 심각한 천둥 지역(예: 연간 100일 이상 천둥이 나는 지역)에서는 연간 고장률이 50%에 이를 수 있다. 주요 원인은 낙뢰 서지가 고압 권선으로 침입할 때 발생하는 정방향 및 역방향 일시적 과전압이다.

• 역변환 과전압:
  낙뢰 서지(3–10 kV)가 고압(HV) 측으로 침입하면 서지차단기가 방전되며, 이로 인해 큰 충격 전류가 접지 저항을 통해 흐르게 되어 전압 강하가 발생한다. 이 전압은 저압(LV) 중성점의 전위를 높인다. 만약 저압 선이 길다면, 이는 지면에 대한 파동 임피던스처럼 작용하게 된다. 그 결과, 큰 충격 전류가 저압 권선을 통과하게 된다. 세 상의 저압 전류가 크기와 방향이 같기 때문에 강한 제로 순서 자기 유속을 생성하며, 이를 통해 변압기 회전비를 통해 고압 권선에 매우 높은 일시적 과전압이 유도된다. 고압 권선이 중성이 접지되지 않은 별형으로 연결되어 있으므로, HV 측에서는 순환 충격 전류가 존재하지 않아 유속을 상쇄하지 못한다. 따라서 전체 저압 충격 전류는 자화 전류로 작용하여 고압 중성점에서 높은 유도 전압을 생성한다—여기서 절연이 가장 취약하다. 또한, 회전 사이 및 층 사이의 전압 경사는 크게 증가하여 다른 곳에서 절연 파괴 위험이 생긴다. 이러한 현상—고압 측 서지로 시작하여 저압 전자기 결합을 통해 과전압을 유도하는 것은 역변환이라고 부른다.
• 정방향 변환 과전압:
  저압(LV) 선을 통해 낙뢰 서지가 들어오면 충격 전류가 저압 권선을 통과하여 고압(HV) 권선에 높은 전압을 변압기 회전비를 통해 유도한다. 이로 인해 고압 중성점의 전위가 크게 상승하고, 층 사이 및 회전 사이의 전압 경사가 증가한다. 이러한 과정—저압 측 서지가 고압 측에 과전압을 유도하는 것은 정방향 변환이라고 불린다. 실험 결과, 10 kV의 저압 서지와 5 Ω의 접지 저항이 있는 경우, 고압 권선의 층 사이 전압 경사는 변압기의 전파 충격 내구력보다 100% 이상 높아져 절연 파괴가 불가피하다.

1.2 저압(LV) 측에 일반 밸브형 또는 금속 산화물 서지차단기를 설치한다.
이 구성에서는 고압(HV) 및 저압(LV) 서지차단기의 접지선, 저압 중성점, 변압기 탱크가 모두 연결되어 접지된다(주로 “네 점 접지” 또는 “세 가지 하나의 접지”로 알려져 있다).

현장 데이터와 실험 연구는 절연 상태가 양호한 변압기라도 고압 측 서지차단기만으로는 정방향 또는 역방향 변환 과전압으로부터의 손상을 막을 수 없다는 것을 확인하였다. 고압 서지차단기는 이러한 내부적으로 발생하는 일시적 과전압에 대해 보호하지 않는다. 발생하는 층 사이 및 회전 사이의 전압 경사는 회전수에 비례하며, 권선의 구조에 따라 결정된다—권선의 시작, 중간 또는 끝에서 고장이 발생할 수 있으며, 단말 끝이 가장 취약하다. 저압 측 서지차단기를 추가하면 정방향 및 역방향 변환 과전압을 효과적으로 제한할 수 있다.

1.3 고압(HV) 측과 저압(LV) 측의 분리된 접지.
이 방법에서는 고압 서지차단기가 독립적으로 접지되고, 저압 중성점과 변압기 탱크는 별도로 연결되어 접지된다(저압 서지차단기가 없는 경우).

연구 결과, 이 방법은 지중 감쇠를 활용하여 역변환 과전압을 대부분 제거할 수 있다. 정방향 변환의 경우, 계산에 따르면 저압 접지 저항을 10 Ω에서 2.5 Ω로 줄이면 고압 측 과전압을 약 40% 감소시킬 수 있다. 저압 접지 시스템을 적절히 처리하면 정방향 변환 과전압을 효과적으로 완화할 수 있다. 이 해결책은 간단하고 비용 효율적이며, 저압 접지 저항이 낮아야 하므로 실용적 가치가 크다.

위의 내용 외에도 다른 조치로는 변압기 코어에 균형 권선을 설치하여 변환 과전압을 억제하거나, 변압기 내부에 금속 산화물 변압기(MOV)를 삽입하는 것이 있다.

2. 낙뢰 보호 조치의 적용

위의 분석에 따르면 각 보호 방법은 고유한 특성을 가지고 있다. 지역은 지역별 천둥 강도(연간 천둥 일수로 측정)를 기반으로 적절한 전략을 선택해야 한다:

• 저조도 지역(예: 평야):연간 고장률이 낮기 때문에 HV측 방전관만으로도 충분합니다.
• 중간 조도 지역:HV 및 LV 측 모두에 방전관을 설치하십시오.
• 고조도 지역:단일 조치는 종종 불충분합니다. 종합적인 접근법을 권장합니다: 독립 접지가 있는 HV 방전관, 결합된 LV 방전관, LV 중성점, 그리고 별도의 접지 시스템에 연결된 탱크.
• 심각한 번개 지역(특히 종합적인 조치에도 불구하고 연간 고장률이 높은 경우):기술적이고 경제적인 평가 후, 코어 장착 균형 와인딩(즉, 새로운 유형의 번개 저항 변압기) 또는 내부 설치 금속 산화물 서지 방전관과 같은 고급 솔루션을 고려하십시오.

3. 결론

배전 변압기에 대한 번개 보호 방법은 다양하며, 지역별로 현장 조건이 크게 다릅니다. 지역 조건에 따라 보호 계획을 선택하고 운영 관리를 강화함으로써 전력 회사는 배전 변압기의 번개 저항성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.