전력계통 현수애자의 특성

본 포스트는 송전선로에서의 현수애자의 구비조건,  선로 용량별 수량결정 방법, 연효율, 애자의 섬락전압, 애자련의 전압분포, 애자련의 전압분포를 개선하기 위한 장치들에 대하여 알아보겠습니다.

1. 애자의 구비조건

    철탑이나 CP주의 완철에 기계적으로 고정시키고 전기적으로 절연하기 위하여 사용하는 절연체를 애자 (Insulator)라 하며   이의 구비조건들은 아래와 같습니다.

  ■  선로 정격전압 외에 제반 사고에 의하여 발생하는 이상전압에 대하여도 충분한 절연
내력을 지녀야 한다.

  ■  비, 눈, 안개 등에 대해서도 필요한 표면
저항을 가지며, 연면을 통한 누설전류가 미소
하여야 한다.

  ■  전선 등의 자중 이외에 바람, 눈 등에 의한 외력이 가해진 경우에도 충분한 기계적 강도를 가져야 한다.

  ■  장시간 사용하여도 전기적, 기계적 특성의 변화가 적어야 한다.

  ■  온도의 급변에 견디고 습기를 흡수하지 않는 구조여야 한다.

       이상의 조건을 만족하는 것으로서 진흙, 장석, 석영을 주성분으로 하는 경질 자기제의 애자(porcelain insulator)가 일반적으로 사용되고, 이외에도 유리애자, 합성수지애자가 사용되고 있으며 최근 배전선로에는 합성
수지계의  폴리머 애자가 사용의 대세를 이루고 있다.

2. 전력계통 애자의 종류

    애자의 종류는 구조, 재질, 용도, 사용장소에 따라서 여러 가지 형태의 것이 제작되고 있으며 공중(가공) 전선로에서 사용되고 있는 애자는 아래와 같다.

  ■  핀애자
      주로 30 [kV] 이하 저전압 선로에서 사용되고 있다.

  ■  현수애자
     가장 보편적으로 사용되고 있는 애자로써 경질자기제 상하에 연결금구를 시멘트로 접착
시커 만든 것으로서 전압에 따라 필요한 수량
만큼 연결하여 사용한다.
    주로 활선작업에 대비하기 위해 볼소켓형이 주로 사용되며 최대 지름에 따라 180 [mm], 254 [mm], 280 [mm], 320 [mm] 등이 있으며 배전선로에는 180 [mm]를 송전선로에는 주로 250 [mm]가 사용된다.

  ■  내무애자 (smog insulator)
     내무애자는 갓의 두께를 두껍게 하여 주름을 깊게 한 것으로 보통의 현수애자에 비해 표면 누설거리를 크게 한 애자이다.
    염분 피해가 예상되는 해안가 선로나, 공장
지대의 진해가 발생되는 지역에 사용하며 일반 현수애자에 비해 내전압이 30% 정도 개선된다.

  ■  장간애자 (long rod insulator)
     여러 개의 갓을 가지는 절연체의 양단에 캡을 씌운 구조로 전선을 매달아 지지하는 데 사용
한다.
     특징으로는 열화현상이 거의 없고 애자검검 보수가 용이하며 비에 의한 세척효과가 좋고 오손특성이 양호하므로 염진해 대책의 일환으로 사용한다.
    장간애자 양단에는 초호각(arcing horn), 초호환(arcing ring)을 취부 하여 뇌격 등의 아크에 의한 파손을 예방하고 사용전압에 따라 여러 개를 연결하여 사용하기도 한다.

3. 송전선로에서의 1연의 애자개수 산정 방법

   송전선로에서의 1연의  애자개수는 아래와 같다.
공칭전압{kV]      애자개수
66                            4 ~ 6
154                        10~12
220                        12~13
345                        18~20
765                        40~45

  여기서 우리는 먼저 애자수량 산정에 필요한
섬락전압들에 대해 알아보겠습니다.    

   가. 건조 섬락전압

공기 중 애자의 양극단에 상용주파수의 전압으로 섬락을 일으키는 전압으로서 실효값으로 나타낸다.
(250 [mm] 현수애자의 경우 80 [kv])

   나. 주수 섬락전압

빗물로 애자의 표면이 젖었을 경우 섬락특성을 나타내는 것으로 상용주파수의 전압으로 섬락을 일으키는 전압이며 실효값으로 나타낸다.
(250 [mm] 현수애자의 경우 50 [kv])

   다. 50% 충격 섬락전압

건조상태 애자의 양금속간에 표준 충격전압
(1.2x50㎲)을 인가하여 인가 횟수의 50% 정도 섬락된 때의 전압으로서 파고값으로 나타낸다.            
(250 [mm] 현수애자의 경우 125 [kV])

  일반적으로 뇌와 같은 대단히 높은 전압에 대해서도 견디도록 완전절연을 하는 것은 거의 불가능하고 이로 인해 섬락이 발생해도 사고로 전이되지 않도록 대책을 강구하고
또한 내부원인으로 인한 각종 이상전압에 대해
서는 섬락사고를 일으키지 않는 것을 목표로 해야 있다.
  송전선로의 1련의 현수애자 개수는 내부원인으로 계통에 발생하는 각종 이상전압이 상용전압에 대해서 어느 정도인가를 고려하여야 하며 이것은 상규대지전압의 최댓값의 4~4.5배 정도인 것이 실측으로 알려져 있다.

  따라서 실효값이 상규대지전압의 4~4.5배가 되는 주수섬락전압(삼락전압 중 최악조건)을 기준하여 표준 현수애자 개수에 가까운 값을 택하고 있다.

위를 근거하여 154kv 계통의 애자개수 산정해 보면
상규대지전압의 최댓값  161(공칭전압 x1.15/1.1) x 4.0배 / 50kv(주수섬락)=644/50≒12 개  
(위식에 의거 애자개수가 산출된다.)

위 계산식에 의거 표준애자수량이 산출되며
이를 지역별, 오손등급별로 가감하여 사용한다.

4. 애자련의 전압분포 (연효율)

   애자의 섬락전압은 연결개수에 정비례하지 않고 포화되는 경향이 있다. 그 원인은 애자 1련의 전압분포가 균등하지 않기 때문이다.

     현수애자를 10개를 기준하여 각 애자의 분담전압을 살펴보면 그 위치에 따라 다르게 나타난다.

     아래 그림과 같이10개의 애자를 기준하여 전선 측에서 보아 첫 번째 애자는 약 21%를 분담하고 두 번째 은 약 17%를 분담한다.

     철탑 측의 마지막 애자는 약 7%를 분담하고 최소분담은 여덟 번째 애자로 약 5%이다.

애자련의 분담전압과 애자,애자금속과 철탑,애자금속과 전선의 정전용량

    애자련의 섬락전압은 일련의 애자개수를 증가시킴에 따라서 일련의 섬락전압은 포화되는 경향이 있어 애자 연결개수에 비례하여 증가
하지는 않는다.

     애자 1개의 섬락전압을 V1이라 하고 n개로 된 일련의 섬락전압을 Vn 이라 하면

      η=  Vn / nV1 이를 연효율이라 한다.

      애자개수 n이 증가함에 따라 η의 값은 점점 저하한다.
      이유는 위 그림과 같이 애자만의 정전용량, 애자금속부분과 철탑사이의 정전용량, 애자금속
부분과 전선사이에 존재하는 정전용량이 있기 때문이다.

      여기서 V=R+jXc (Xc= 1/2πfc)로 표시할 수 있는데 정전용량 C가 증가하면 용량성 리액
턴스가 감소되고 이로 인해 애자개수 증가에 따
라 섬락전압은 비례적으로 증가되지 않고 비례
하여 감소되게 된다.
   또한 애자련 효율을 1에 가깝게 하려면 첫 번째 애자의 정전용량을 크게 하여 분담전압을 낮추어 주어야 한다

      이러한 연효율을 높이기 위하여 전선 측에 초호환, 초호각을 설치하여 전선에 대한 정전
용량을 늘리도록 하고 있다.

      초호환, 초호각은 위의 목적 외에 선로의 섬락시 애자가 열적으로 파괴되는 것을 막는 효과도 있다.

마지막으로 초호환, 초호각의 역할을 알아두시면
모든 전기 관련 시험에 한 문제는 건지는 효과가 있으리라 생각합니다.

- 애자련의 전압분포를 개선하여 연효율을 좋게
하며
- 섬락시 애자가 열적으로 파괴되는 것을 예방
한다.

........ End


이상 전력계통의 애자에 대해 알아보았습니다.