중성점 잔류전압의 발생 원인과 크기, 영향 및 대책

1. 개요

1. 정의: 선로의 대지 정전용량에 차이가 있을 때, 중성점을 접지하지 않은 비접지 상태에서 중성점과 대지 사이에 나타나는 전압을 의미함.
2. 발생 원리: 각 상의 대지 어드미턴스가 불평형일 때 각 상에서 대지로 흐르는 전류의 합이 0이 되지 않아 중성점의 전위가 이동하며 발생함.

2. 중성점 잔류전압의 크기 도출

부하측에 키르히호프의 전류 법칙(KCL)을 적용하여 유도함.

1. 기본 평형식:$$I_A + I_B + I_C = \frac{E_A – E_n}{Z_A} + \frac{E_B – E_n}{Z_B} + \frac{E_C – E_n}{Z_C} = 0$$
2. 잔류전압($E_n$) 산출:$$E_n = \frac{\frac{E_A}{Z_A} + \frac{E_B}{Z_B} + \frac{E_C}{Z_C}}{\frac{1}{Z_A} + \frac{1}{Z_B} + \frac{1}{Z_C}} = \frac{Y_A E_A + Y_B E_B + Y_C E_C}{Y_A + Y_B + Y_C}$$
3. 정전용량($C$)으로 표시 ($Y = j\omega C$ 일 때):$$E_n = \frac{C_A E_A + C_B E_B + C_C E_C}{C_A + C_B + C_C} \quad [V]$$
4. 대지 정전용량 불평형에 의한 실효값 공식:$$E_n = \frac{\sqrt{C_A(C_A-C_B) + C_B(C_B-C_C) + C_C(C_C-C_A)}}{C_A + C_B + C_C} \times \frac{V}{\sqrt{3}}$$

3. 잔류전압 발생 원인

1. 선로 정수 불평형: 송전선로 연가(Transposition)의 불충분으로 인한 대지 정전용량($C_A, C_B, C_C$)의 불평형.
2. 계통 사고: 차단기 비동기 개폐, 선로의 단선 사고 발생 등.
3. 부하 불평형: 각 상에 접속된 부하 임피던스($Z_A, Z_B, Z_C$)의 차이.

4. 잔류전압이 미치는 영향

1. 통신선 유도장해: 중성점 접지 시 잔류전압에 의해 중성점에 상시 전류가 흐르게 되어 인근 통신선에 유도장해를 일으킴.
2. 절연 수준 저하: 중성점 전위 상승으로 인해 계통 내 기기들의 절연 레벨 상승 및 열화 가속.
3. 보호계전기 오동작: 소호리액터 접지 방식에서 공진 조건에 영향을 주어 지락 계전기의 감도 저하 또는 오동작 유발.
4. 직렬공진 위험: 중성점 잔류전압과 계통 내 기기(PT 등)의 비선형 특성이 결합하여 철공진 현상을 일으킬 수 있음.

5. 저감 대책

1. 완전 연가 실시: 송전선로 구간을 3등분하여 선로 정수를 평형화함으로써 $C$값의 불평형을 근본적으로 제거함.
2. 소호리액터 합조도 조절: 소호리액터 접지 시 완전 공진점을 피해 탭(Tap)을 조절하여 잔류전압 상승을 억제함.
3. 중성점 접지 저항 조절: 유도장해가 문제될 경우 중성점 접지 저항값을 적절히 선정하여 전류 크기를 제한함.