전력 시스템의 고장 유형

전력 시스템 고장: 정의 및 분류

전력 시스템에서 고장은 전류가 의도한 경로에서 벗어나는 이상 또는 결함을 의미합니다. 고장이 발생하면 주로 도체 간의 절연 강도가 감소하여 비정상적인 작동 조건을 생성합니다. 이 절연 저하로 인해 전력 시스템 구성 요소에 심각한 손상이 발생하고, 정상적인 전력 공급이 중단되며, 안전 위험이 발생할 수 있습니다.

전력 시스템 고장은 주로 두 가지 주요 유형으로 분류됩니다:

• 오픈 서킷 고장: 이 유형의 고장은 전기 회로에서 단절이나 불연속성이 발생하여 전류의 정상적인 흐름을 방지할 때 발생합니다. 이는 손상된 도체, 느슨한 연결, 또는 전기 구성 요소의 실패로 인해 발생할 수 있습니다.

• 숏 서킷 고장: 쇼트 서킷 고장에서는 두 개 이상의 도체 사이에 의도하지 않은 저저항 경로가 생겨 대량의 전류가 흐릅니다. 이는 절연 파괴, 도체 간 물리적 접촉, 또는 장비 오작동으로 인해 발생할 수 있습니다.

이러한 전력 시스템 고장의 다양한 하위 유형과 현상은 아래 이미지에서 설명되어 있습니다.

전력 시스템 고장의 원인 및 분류

전력 시스템 고장은 많은 자연적 교란으로 인해 발생할 수 있습니다. 번개, 고속 바람, 지진 등의 사건은 모두 고장을 유발할 수 있습니다. 번개는 강력한 전기 방전으로 절연을 손상시키고 정상적인 전류 흐름을 방해할 수 있습니다. 고속 바람은 전선을 끊거나 도체가 다른 물체와 접촉하게 만들 수 있으며, 지진은 인프라를 이동시켜 도체가 부러지고 전기 구성 요소가 손상될 수 있습니다.

고장은 또한 다양한 사고로 인해 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 나무가 전선 위로 떨어지거나, 차량이 지지 구조물과 충돌하거나, 비행기가 전기 인프라에 충돌하는 경우 등이 이러한 사고로 인해 전력 시스템의 중단이 발생할 수 있습니다. 이러한 사고는 직접적으로 도체, 절연체, 또는 전기 네트워크의 다른 중요한 부분을 손상시키고 고장을 유발할 수 있습니다.

1. 오픈 서킷 고장

오픈 서킷 고장은 한 개 또는 두 개의 도체가 실패할 때 주로 발생합니다. 이 유형의 고장은 전기 회로와 직렬로 발생하므로, 시리즈 고장이라고도 합니다. 오픈 서킷 고장은 전력 시스템의 신뢰성에 큰 영향을 미치며, 종종 전력 공급 중단과 연결된 장비의 손상을 초래합니다.

오픈 서킷 고장은 다음과 같이 더 세분화할 수 있습니다:

• 오픈 도체 고장: 이는 전기 회로에서 하나의 도체가 끊어지거나 연결이 끊어져 해당 경로를 통해 전류가 흐르는 것을 방해할 때 발생합니다.

• 두 도체 오픈 고장: 이 경우, 시스템에서 두 개의 도체가 실패하여 전기 흐름에 더 심각한 중단을 초래합니다. 이 유형의 고장은 불균형 상태를 유발하고, 시스템의 나머지 구성 요소에 추가적인 스트레스를 가할 수 있습니다.

• 세 도체 오픈 고장: 가장 드물고 가장 심각한 형태의 오픈 서킷 고장으로, 세페이즈 시스템에서 모든 세 개의 도체가 실패합니다. 이는 완전한 전력 전송 손실을 초래하며, 전기 그리드와 연결된 부하에 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다.

다양한 오픈 서킷 고장의 구성은 아래 그림에서 설명되어 있어, 이러한 고장이 전력 시스템 내에서 어떻게 나타나는지를 시각적으로 보여줍니다.

2. 쇼트 서킷 고장

쇼트 서킷 고장은 전력 선로, 전력 변압기, 또는 다른 회로 구성 요소 내에서 서로 다른 상의 도체가 접촉할 때 발생합니다. 이 의도하지 않은 연결은 전기 시스템의 한 개 또는 두 개의 상을 통해 대량의 전류가 흐르게 합니다. 쇼트 서킷 고장은 대칭 고장과 비대칭 고장으로 더 나누어집니다.

대칭 고장

대칭 고장은 전기 시스템의 모든 세 상을 포함하는 고장을 말합니다. 특히, 이러한 고장은 고장 이후에도 균형 상태를 유지합니다. 대칭 고장은 주로 발전기의 단자에서 발생하며, 도체 간 고장 시 형성되는 전기 아크의 저항이나 접지 시스템의 낮은 접지 저항 등의 다양한 요인으로 인해 발생할 수 있습니다.

대칭 고장은 두 가지 특정 유형으로 나뉩니다: 상-상-상 고장과 세상-대지 고장.

a. 상-상-상 고장

상-상-상(L-L-L) 고장은 균형 잡힌 특성을 가지고 있습니다. 고장이 발생한 후에도 전기 시스템은 대칭성을 유지합니다. L-L-L 고장은 비교적 드문 고장 유형이지만, 가장 심각한 유형의 쇼트 서킷 고장 중 하나입니다. 이들은 시스템 내에서 가장 큰 고장 전류를 생성하며, 회로 차단기의 등급 요구 사항 결정에 중요한 역할을 합니다. 회로 차단기가 이러한 매우 높은 크기의 전류를 안전하고 효과적으로 차단할 수 있는 능력은 L-L-L 고장의 특성에 의해 직접적으로 영향을 받으며, 이를 통해 전력 시스템 설계와 보호에 중요한 고려사항이 됩니다.

b. L–L–L–G (세상-대지 고장)

세상-대지(L–L–L–G) 고장은 전기 시스템의 모든 세 상을 포함합니다. 이 고장 시나리오에서는 모든 세 상과 시스템의 대지 사이에 연결이 이루어집니다. 일부 다른 고장 유형에 비해 덜 흔하지만, L–L–L–G 고장은 전력 시스템 분석에서 중요한 역할을 합니다. 통계적으로, 이러한 고장이 발생할 확률은 약 2%에서 3%입니다. 이러한 비교적 낮은 확률에도 불구하고, L–L–L–G 고장이 발생하면 상당한 고장 전류를 생성하고 전력 시스템에 광범위한 중단을 초래하므로, 강력한 보호 조치와 체계적인 설계 및 운영이 필요합니다.

비대칭 고장

비대칭 고장은 전력 시스템에서 세 상의 전류 크기와 위상이 서로 크게 다르게 되는 상태를 말합니다. 이 유형의 고장은 일반적으로 한 개 또는 두 개의 상을 포함하며, 상-대지(L-G), 상-상(L-L), 또는 두 상-대지(L-L-G) 고장이 포함됩니다. 이러한 고장으로 인해 전기 시스템은 불균형 상태가 되어 다양한 운용 문제와 장비 손상 가능성이 발생할 수 있습니다.

비대칭 고장은 주로 세 가지 유형으로 나뉩니다:

• 단일 상-대지(L–G) 고장

• 상-상 고장(L–L)

• 두 상-대지(L–L–G) 고장

모든 유형의 전력 시스템 고장 중, 비대칭 고장이 가장 흔히 발생합니다.

1. 단일 상-대지(L–G) 고장

단일 상-대지 고장은 하나의 도체가 대지 또는 중성 도체와 접촉할 때 발생합니다. 이 유형의 고장은 매우 흔하며, 전력 시스템에서 발생하는 모든 고장의 70-80%를 차지합니다. 높은 발생 빈도로 인해, 전력 시스템 운영자와 엔지니어들은 시스템 안정성과 신뢰성에 대한 잠재적인 영향을 줄이기 위해 효과적인 보호 조치를 구현해야 합니다.

3. 두 상-대지(L-L-G) 고장

두 상-대지 고장에서는 두 개의 도체가 동시에 서로와 대지와 접촉합니다. 이 고장 시나리오는 복잡한 전기 경로를 생성하여 전력 시스템의 정상적인 작동을 방해합니다. 단일 상-대지 고장보다 덜 흔하지만, 두 상-대지 고장은 여전히 시스템 안정성과 장비 무결성에 상당한 위험을 초래합니다. 통계적으로, 두 상-대지 고장이 발생할 확률은 모든 전력 시스템 고장의 약 10%입니다. 이러한 비교적 낮지만 무시할 수 없는 확률은, 전력 시스템 내에서 포괄적인 보호 및 완화 전략을 구현하여 이러한 고장으로 인한 잠재적인 손상과 운용 중단을 방지하는 것이 중요하다는 것을 강조합니다.