서지 방전기의 기능
낙뢰로 인한 과전압이 공중 전력선을 따라 변전소나 다른 건물로 전달될 때, 이는 플래시오버를 일으키거나 전기 장비의 절연을 관통할 수 있습니다. 따라서 보호 장치인 서지 방전기를 장비의 전원 입구에 병렬로 연결하면 (도표 1 참조), 과전압이 설정된 작동 수준에 도달하면 즉시 활성화됩니다.
서지 방전기는 잉여 에너지를 방전하여 전압 상승을 제한하고, 장비의 절연을 보호합니다. 전압이 정상으로 돌아가면 서지 방전기는 신속하게 원래 상태로 회복되어 시스템이 계속해서 정상적인 전력 공급을 유지할 수 있도록 합니다.
서지 방전기의 보호 기능은 세 가지 전제 조건에 기반합니다:
방전기와 보호되는 절연체의 볼트-초 특성 사이의 적절한 조정.
방전기의 잔류 전압은 보호되는 절연체의 충격 내구 강도보다 낮아야 합니다.
보호되는 절연체는 방전기의 보호 거리 내에 있어야 합니다.
서지 방전기의 요구 사항:
정상 운전 조건에서는 방전하지 않아야 하며, 과전압 발생 시에는 올바르고 신뢰성 있게 방전해야 합니다.
방전 후 자가 복구 능력을 가져야 합니다(즉, 고 저항 상태로 돌아가고 후속 전류를 소멸시켜야 합니다).
서지 방전기의 주요 매개변수:
연속 운전 전압: 허용되는 장기 운전 전압. 이는 시스템의 최대 대지 전압 이상이어야 합니다.
정격 전압(kV): 최대 허용 단시간 전력 주파수 전압(또는 소멸 전압이라고도 함). 방전기는 이 전압에서 작동하고 전류를 소멸시킬 수 있지만, 이 수준에서 장기간 운전할 수 없습니다. 이것은 방전기 설계, 특성 및 구조의 기본 매개변수입니다.
전력 주파수 내구 볼트-초 특성: 지정된 조건 하에서 금속 산화물(예: ZnO) 방전기가 과전압을 견딜 수 있는 능력을 나타냅니다.
명목 방전 전류(kA): 방전기 등급을 분류하는 데 사용되는 방전 전류의 피크 값. 220 kV 이하의 시스템에서는 5 kA를 초과해서는 안 됩니다.
잔류 전압: 서지 전류가 가해졌을 때 방전기 단자 간에 나타나는 전압. 이는 방전 중 방전기가 견딜 수 있는 최대 전압으로 이해할 수도 있습니다.
서지 방전기의 종류와 구조
서지 방전기의 일반적인 종류로는 밸브형, 튜브형, 보호 간극형, 금속 산화물 방전기가 있습니다.
(1) 밸브형 서지 방전기
밸브형 방전기는 주로 일반 밸브형과 자기 유발 밸브형으로 나뉩니다. 일반형에는 FS 및 FZ 시리즈가 있으며, 자기 유발형에는 FCD 및 FCZ 시리즈가 있습니다.
모델 명칭의 기호는 다음과 같습니다:
F – 밸브형 방전기;
S – 배전 시스템용;
Z – 변전소용;
Y – 송전선용;
D – 회전 기계용;
C – 자기 유발 방전 간극을 갖춘 형태.
밸브형 방전기는 평평한 스파크 간극과 실리콘 카바이드(SiC) 저항 판(밸브 블록)이 직렬로 연결되어 있으며, 포세린 케이싱 내부에 밀봉되어 있고 외부 단자 볼트로 설치됩니다. 실리콘 카바이드 저항은 비선형 특성을 나타내며, 정상 전압에서는 저항이 높고, 과전압에서는 저항이 급격히 감소합니다.
정상 전력 주파수 전압에서는 스파크 간극이 절연 상태를 유지합니다. 낙뢰 과전압이 발생하면 스파크 간극이 파괴되며, SiC 블록의 저항이 크게 감소하여 높은 낙뢰 전류가 안전하게 지면으로 흐릅니다. 서지 이후, SiC 블록은 전력 주파수 후속 전류에 대해 높은 저항을 제공하며, 스파크 간극은 이 전류를 차단하여 시스템이 정상적으로 작동하도록 합니다. 이러한 개폐 동작은 "밸브"와 유사하므로 "밸브형" 방전기라고 불립니다.
(2) 보호 간극형 및 추출(튜브형) 방전기
보호 간극형은 가장 간단한 형태의 번개 보호 장치입니다. 일반적으로 아연 도금된 원형 강철로 만들어져 있으며, 주 간극과 보조 간극으로 구성됩니다. 주 간극은 각형으로 형성되어 수평으로 설치되어 호전 멸화를 용이하게 합니다. 주 간극 아래에 직렬로 연결된 보조 간극은 외부 물체로 인한 간극 단락을 방지합니다. 보호 간극형은 약한 호전 멸화 능력을 가지고 있으므로, 자동 재접속 장치와 함께 사용하여 전력 공급 신뢰성을 향상시키는 데 사용됩니다.
추출(튜브형) 방전기는 가스 생성 튜브 내부에 스파크 간극이 들어있는 구조로, 막대와 링 전극으로 형성됩니다. 내부 및 외부 간극 모두 포함됩니다. 방전기 튜브는 가열되면 많은 양의 가스를 생성하는 섬유 강화 페놀 수지 등의 재료로 만들어집니다. 낙뢰 과전압이 발생하면 내부 및 외부 간극이 모두 파괴되어 낙뢰 전류가 지면으로 흘러갑니다. 그 후, 전력 주파수 전류는 강한 호전을 생성하며, 튜브 벽을 태워 고압 가스를 열린 끝으로 방출하여 호전을 신속하게 소멸시킵니다. 외부 간극은 다시 절연을 회복하여 방전기를 시스템에서 격리하고 정상적인 작동을 재개합니다.
추출 방전기는 호전 멸화를 위해 전력 주파수 전류에 의존하므로, 과도한 단락 전류는 너무 많은 가스를 생성하여 튜브의 기계적 강도를 초과하여 파열이나 폭발을 일으킬 수 있습니다. 따라서 추출 방전기는 주로 야외 설치에 사용됩니다.
(3) 간극 없는 금속 산화물(산화 아연) 서지 방전기
이것은 1970년대에 도입된 현대적인 유형이며, 또한 바리스터 방전기라고도 알려져 있습니다. 전통적인 실리콘 카바이드 밸브형 방전기와 비교하여 간극 없는 금속 산화물 방전기는 스파크 간극이 없으며, 실리콘 카바이드 대신 산화 아연(ZnO)을 사용합니다. 이들은 매우 우수한 비선형 전압-전류 특성을 가진 ZnO 바리스터 판을 쌓아 만듭니다: 정상 전력 주파수 전압에서는 매우 높은 저항을 나타내어 누설 전류를 효과적으로 억제하며, 낙뢰 과전압에서는 저항이 급격히 감소하여 서지 전류를 효율적으로 방전합니다.
금속 산화물 방전기는 우수한 보호 특성, 높은 방전 용량, 낮은 잔류 전압, 컴팩트한 크기 및 쉬운 설치를 제공합니다. 이제 고저압 전기 장비 모두를 보호하는 데 널리 사용되고 있습니다.
(4) 간극 있는 금속 산화물(산화 아연) 서지 방전기
이것은 ZnO 저항 판과 스파크 간극이 복합 케이싱 내부에 직렬로 연결된 구조입니다. 간극 유닛은 일반적으로 세라믹 링에 담긴 두 개의 디스크 모양 전극으로 구성됩니다. 이들은 중성점이 효과적으로 접지되지 않은 시스템에 적합합니다. 단상 대 지 접지 또는 아크 접지 시 심각한 일시적 과전압이 발생할 수 있으며, 간극 없는 ZnO 방전기는 이를 견디지 못할 수 있습니다. 간극 있는 ZnO 방전기는 이러한 한계를 극복합니다: 단상 접지 또는 저수준 아크 접지와 같은 중간 과전압에서는 직렬 간극이 활성화되지 않아 방전기를 시스템에서 격리합니다.
과전압이 임계값을 초과하면 간극이 점화되고, ZnO 블록의 우수한 비선형 특성이 방전기의 잔류 전압을 제한합니다. 결과적으로 발생하는 후속 전류는 매우 작아 쉽게 차단되며, 변압기 및 기타 장비에 대한 신뢰성 있는 절연 보호를 제공합니다.
서지 방전기의 시험 항목 및 표준
(1) 절연 저항 측정
2500 V 이상의 메가옴미터를 사용합니다. 35 kV 이상의 방전기의 경우 절연 저항은 2500 MΩ 이상이어야 하며, 35 kV 미만의 경우 1000 MΩ 이상이어야 합니다.
(2) 1 mA에서의 DC 전압 및 이 전압의 75%에서의 누설 전류 측정
방전기에 DC 전압을 가합니다. 전압이 증가함에 따라 누설 전류가 점차 증가합니다. 전류가 1 mA에 도달했을 때의 전압 값을 기록합니다. 그런 다음 이 값의 75%로 전압을 낮추고 누설 전류를 기록하며, 이는 50 μA를 초과해서는 안 됩니다.
(3) 운전 전압에서의 AC 누설 전류
운전 전압에서 총 전류, 저항성 전류 또는 손실 전력을 측정합니다. 측정값은 초기 값과 비교하여 큰 변화가 없어야 합니다. 저항성 전류가 두 배로 증가하면 방전기를 전원을 차단하여 점검해야 합니다.
저항성 전류가 초기 값의 150%로 증가하면 모니터링 주기를 적절히 단축해야 합니다.
이러한 시험은 방전기 밸브 블록의 습기 침입이나 노화, 표면 균열, 절연 저하와 같은 결함을 검출할 수 있습니다.
