아낌없이 주는 나무

5. 보호계전시스템 : 판정부

  ▣ 검출부에서 전압, 전류 등의 신호를 받아 사고의 유무와 동작의 필요성 유무를 판정하여

      필요시 동작부에 지시를 내리는 부분으로 대부분 계전기(Relay)로 구성된다.

※ 판정부 계전기(Relay)는 용도와 동작시간에 따라 분류한다.

​

가. 용도에 따른 분류

   R : Relay O : Over 과 (過) U : Under 부족 V : Voltage 전압 C : Current 전류

   G : 접지 - 지락

 ▣ 종류

   ⊙ OCR (51) - UCR (37)

       OVR(59) - UVR (27)

     ※ SGR 선택지락계전기 : Selective Ground Relay

   ⊙ 비접지 계통에서 사용 - 병행 2회선 (다회선)과 관련 있음

   ⊙ 병행 2회선 송전선로에서 한쪽의 1회선에 지락 고장이 발생한 경우 이것을 검출하여

       고장회선만을 선택하여 차단

▣ DGR : Directional Ground Relay, 지락방향계전기

▣ DR : Distance Relay : 거리계전기

   ⊙ 계전기가 설치된 위치로 부터 고장점까지의 거리에 비례한 한시(시간)에서

       동작하며 "전압과 전류비"가 일정치 이하인 경우에 동작하는 계전기

★ 비율차동계전기

 ▣ 발전기(87G), 변압기 (87T) 등의 내부고장 보호용 계전기

 ▣ 비율차동계전기는 두 CT의 양쪽 전류차로 동작한다.

 ▣ 비율차동계전기 : RDfR - Ratio Differential Relay

 ▣ 비율차동계전기는 전선의 전류와 CT의 전류는 반대방향으로 흐르게 되는 데

     CT1 과 CT2의 전류가 서로 반대방향으로 흐르게 하여

     평상시에는 CT1 과 CT2의 전류가 같게 되므로 동작코일에는 전류가 흐르지 않고

     고장시에는 CT1 과 CT2의 전류의 차가 발생하여 동작코일이 동작하게 된다.

     한편, 억제 코일은 평상시 전류에도 차이가 발생하는데 그 차가 30[%]이내에서는

     동작코일이 작동하지 않도록 전류의 흐름을 억제하는 역할을 한다.

▣ CT의 결선방법은 보호하는 변압기의 결선이 Y결선이면 △결선으로 변압기가 △결선

    이면 Y결선으로 서로 반대 결선을 한다. 이는 1, 2차 변류기의 2차 전류 I​1, I2의 위상

    을 동일하게 하기 위함이다.

 【 차단기 전류탭 】

【 계전기 동작시간에 의한 분류 】

① 순한시 : 정정된 최소 동작전류가 흐르면 즉시 동작 : 고속도 계전기

② 정한시 : 정정된 값 이상의 전류가 흐를 때 동작전류의 크기에 관계없이

                정해진 시간에 동작한다.

③ 반한시 : 전류가 작으면 늦게, 전류가 크면 빨리 동작, 정정된 값 이상의 전류가

               흘러 동작할 때 전류값이 클 수록 빨리 동작하고 전류가 작을 수록

               늦게 동작한다.

④ 반한시성 정한시 : 반한시와 정한시를 조합한 것으로 동작전류가 작을 경우에는

               동작시간이 커질수록 동작시간이 짧게 되고 전류가 특정값 이상이면 동작전류에

               상관없이 일정한 시간에 동작하는 것

​

문제1. ZCT의 사용목적은 ? Zero Phase = 영상=지락 =접지

   ③ 지락전류 검출(영상전류 검출)

​

문제2. 변전소에서 비접지 선로의 접지 보호용으로 사용하는 계전기에 영상전류를

   공급하는 계전기는 ? ZCT

​

문제3. 변류기의 2차측을 단락하는 이유는 ? 2차측 절연보호를 위하여

​

문제4. 6.6[kV] 고압 비접지 배전선로에서 지락보호를 위하여 특별히 필요하지

   않는 것은 ? ②

   ① DGR ② CT ③ ZCT ④ GPT

​

문제5. 여러회선 비접지 3상 3선식 배전선로에 방향계전기를 사용하여 선택지락보호를

   위해 필요한 것은 ?

   ③ 접지계전기 (GPT), ZCT

​

문제6. 비접지 3상3선식 배전선로에서 선택지락보호를 하려 한다. 필요하지 않은 것은 ?

   ④ CT

​

문제7. 그림과 같이 변류비가 200/5 인 전류가 흐를 때 1차에 150[A]의 3상 평형전류가

   흐를 때, 전류계 A3에 흐르는 전류는 몇 [A]인가 ?

문제8. 22.9[kV] Y결선의 자가용 수전설비의 계기용변압기의 2차측 정격전압은

   몇 [V]인가 ? ① 110[V]

​

문제9. 영상변류기를 사용하는 계전기는 ? ③ 접지계전기

​

문제10. 보호계전기가 구비해야 할 조건이 아닌 것은 ? ③

   ※ 보호동작이 정확, 확실하고 감도가 예민해야 한다.

      단락전류가 열적, 기계적으로 견뎌야 한다.

      오래 사용해도 특성변화가 없어야 한다.

   ③ 계전기의 소비전력이 커야한다.

​

문제11. 전ㅇ납이 정정치 이하가 되었을 때 동작하는 것은 ? UVR 부족전압계전기

​

문제12. 과부하 또는 외부의 단락사고시 동작하는 것은 ? OCR

​

문제13. 선택지락계전기 SGR이 사용되는 것은 ? ④ 다회선의 접지고장선의 선택

​

문제14. 중성점 저항접지방식의 병행 2회선에 사용되는 것은 ? ③ 선택지락계전기 SGR

​

문제15. 변압기의 내부고장 보호용으로 사용되는 것은 ? ④ 비율차동계전기

​

문제16. 보호계전기에서 발전기, 변압기, 모선의 보호에 사용되는 것은 ? 비율차동계전기

​

문제17. 차동계전기는 무엇으로 동작하는가? ④ 양쪽 CT의 전류차

​

문제 18. 변압기 보호용 비율차동계전기를 사용하여 △-Y결선의 변압기를 보호하려 한다.

   변압기 1차측에 설치하는 변류기의 결선방식은 ? Y-△ 결선

​

문제 19. 3상 결선 변압기가 한상이 결상되어 단상 운전하는 경우 소손방지를 위하여 사용

   하는 계전기는 ? ③ 역상 계전기

문제 20. 다음은 어떤 계전기의 동작특성을 나타낸 것이다. 어떤 계전기인가? DR

   ▣ 전압과 전류비를 사용하는 계전기

​

문제21. 동작전류의 크기에 관계없이 일정한 시간에 동작하는 계전기 특성은 ? 정한시

​

문제22. 계전기의 동작특성이 전류가 크면 빨리 동작하고 전류가 작으면 늦게 동작하는

   특성을 갖는 계전기는 ? 반한시

​

문제 23. 최소동작전류가 일정값 이상이 흐르면 즉시 동작하는 계전기는 ? 순한시

【 보호계전기 시스템】

 ▣ 보호계전기 시스템은 부하기기를 보호하는 전기시스템이다.

 ▣ 보호계전기 시스템은 검출부, 판정부, 동작부로 구성된다.

   ⊙ 검출부 : 과전류, 과전압, 부족전압 등 전기신호를 검출하는 것으로

                  변류기, 계기용 변압기 등으로 구성된다.

   ⊙ 판정부 : 정상전류인지 과전류인지, 과전압인지 정상전압인지 등을 판별하는 것으로

                  주로 계전기로 대변된다.

   ⊙ 동작부 : 판정부의 동작신호를 받아 전원 등을 차단하는 것으로 차단기로 대변된다.

▣ 변류기의 변류비(CT비)가 10/5라고 한다면, 정상전류 전선에 전규가 5[A]가 흐른다면

    변류기에 의하여 계전기에는 2.5[A]가 공급된다. 이 때 계전기는 작은 전류로 인식하여

    계전기의 접점이 붙지 않는다. 반면 전선에 과전류 10[A]가 흐르게 된다면, 변류기는

    계전기에 정상시 보다 2배가 많은 5[A]를 공급하게 되므로 계전기는 과전류로 인식하여

    릴레이의 접점을 닫게 되고 이로 인하여 트립장치에 전원이 연결되어 결국 차단기가

    동작하게 된다.

​

1. 차단기 (Circuit Breaker)

  ▣ 차단기는 계전기의 전기신호를 받아 전원을 차단하는 것으로 차단기의 접점을 코일 즉

      전자석에 의하여 접점을 열고 닫는다.

※ 트립코일에 전류가 흐르면 코일이 전자석이 되는데 이를 여자되었다고 한다.

​

▣ 계전기(릴레이)에 의하여 트립코일에 전류가 흐르게 되면 트립코일은 전자석이 되어

    차단기의 접점(가동접촉자)을 열고 닫게 된다.

▣ 트립코일은 일종의 전자석이다. 트립코일에 전류가 흐르면 자속이 발생하고 이를 여자

    되었다고 하며 트립코일은 전자석이 된다.

​

2. 계전기 (Relay)

  ▣ 계전기는 코일 즉, 전자석과 가동접점으로 구성되어 있다.

   ⊙ 코일 즉 전자석에 일정값 이하의 전류가 흐르면 전자석의 힘이 약해 가동접점을 작동

       시키지 못하고 코일에 일정값 이상의 전류가 흐르면 전자석의 힘이 강해져서

       가동접점을 동작시키게 된다.

3. 계기용 변류기 (CT : Current Transformer)

  ▣ 계기용 변류기는 전선에 흐르는 전류값을 측정하여 판정부 즉 계전기(Relay)에

      공급한다.

※ 보호계전기 시스템

 ① 검출부 : 전류, 전압 등 측정 CT, PT 등

 ② 판정부 : 정상인지 고장인지 판별, 계전기 (Relay)

 ③ 동작부 : 계전기의 지시에 따라 동작실행, 차단기 등

​

4. 검출부

  ▣ 검출부는 전류, 전압 등의 전기신호값을 측정하여 계전기(Relay)에 공급한다.

   ⊙ 종류 : CT, PT, ZCT, GPT 등

  ▣ CT :계기용 변류기 (CT : Current Trasformer)

  ▣ PT : 계기용 변압기 (PT : Potential Trasformer)

  ▣ ZCT : 영상변류기 (Zero-Phase Current Transformer)

   ⊙ 지락사고시 영상전류 Io 검출

  ▣ GPT : 접지형 계기용 변압기 (Ground Potential Transformer)

   ⊙ 지락사고시 영상전압(Vo) 검출

※ 지락사고가 발생하면 영상전류가 흐르고 영상은 접지와 의미가 같다. Z = G

   GPT에서 Open △결선의 결선방법은 다음과 같다.

가. PT : 계기용 변압기

​

▣ 계기용 변압기는 어떤 전압값을 이에 비례하는 전압값으로 변성하는 계기로

    고압을 저압으로 변성하여 계기나 계전기에 전원으로 공급한다.

 ▣ 계기 : 지시계 - 전압계, 전류계, 전력계, 주파수계 등

 ▣ 계전기 : Relay - OCR, OVR, UVR 등

​

나. CT : 변류기

  ▣ 어떤 전류값을 이에 비례하는 전류값으로 변성하는 계기로 검출부에서는

      주로 과전류를 검출한다.

​

1) CT비 선정 (정격 1차 전류 선정)

① 최대 부하전류

 ▣ 일반적으로 부하전류는 설비용량의 전체를 사용하지 않으므로 설비용량을

     부하의 정격전압으로 나누면 최대 부하전류가 된다.

2) 변류기 2차측을 단락하는 이유 (2차측을 개방해서는 안되는 이유?)

  ▣ 2차측의 절연 보호를 위하여 ⇒ 2차측에 고전압이 유기되어 위험하다.

▣ 일반적으로 변압기 1차측에 전류가 흐르면 자속이 발생하고 이 자속은 2차측

    코일에도 자속이 발생시키므로 2차측에 전류 I2가 흐르게 된다. 2차측 전류

    I2는 1차측 자속과 반대방향의 자속 φ를 발생시키는데 이로 인해 1차측 자속과

    감쇠작용을 일으켜 2차측에 적정 전압을 유지하게 한다.

▣ 하지만 2차측을 개방하게 되면 2차측에 전류 I2가 흐르지 않게 되고 이로 인해

    1차측 자속 φ는 감쇠작용을 받지 않으므로 2차측에 과전압을 유기시켜 절연파괴의

    문제 등을 일으킬 수 있다.

    따라서 변류기 CT를 연결할 때는 반드시 2차측을 단락시킨 후 변류기를 연결한다.

▣ 역섬락과 매설지선

※ 주수섬락전압 : 50[kV]

   건조섬락전압 : 80[kV]

   충격섬락전압 : 125[kV]

   우중파괴전압 : 130[kV]

​

⊙ 송전선이 뇌에 직격되었을 때 뇌전류(I)가 철탑에 흐르게 되는데 철탑의 탑과

    접지저항 R로 인해 철탑의 전위는 상승하게 된다.

    이 때 철탑의 전압이 애자련의 절연파괴 전압이상으로 될 경우에는 거꾸로

    철탑에서 전선을 향해 섬락을 일으키게 되는데 이를 역섬락이라 한다.

​

▣ 역섬락 발생 이유

  ⊙ 애자의 섬락전압 < 철탑의 전압 V = I × R = 뇌전류 × 철탑접지저항

​

【역섬락 방지대책】

  ① 철탑의 전위를 낮게 한다.

  ② 철탑의 탑각 접지저항을 낮게 한다.

  ③ 탑각 접지저항을 낮추기 위해 매설지선을 설치한다.

    ※ 매설지선 : 탑각접지저항을 낮추기 위해 보통 이를 위해서 아연도금의 절연전선

                      (매설지선)을 지면 밑에 30~50[cm]간격으로 방사상으로 설치한다.​

가공지선 및 매설지선 기출 문제 풀이

​

문제 1. 가공전선에 뇌해를 방지하기 위해 설치하는 전선은 ? 가공지선

​

문제 2. 송전선로에 가공지선을 설치하는 이유는 ? ② 뇌에 대한 차폐

​

문제 3. 가공지선의 설치목적이 아닌 것은 ? ② 전압강하 방지

   ※ 직격뢰 차폐, 정전차폐, 전자차폐

​

문제 4. 가공지선에 대한 다음 설명중 잘못된 것은 ? ③

  ① 가공지선은 일반적으로 아연도금강연선을 사용한다.(나경동선)

  ② 가공지선은 뇌해방지를 위해 1~2조를 건설한다.

  ③ 가공지선 이도는 전선의 이도보다 크게 한다.

  ④ 가공지선은 사고시 고장전류가 흐를 수 있다.

​

문제5. 가공지선에 대한 설명중 옳은 것은 ? ③

  ① 차폐각은 보통 15~30˚ 정도로 하고 있다.

  ② 차폐각이 클수록 벼락에 대한 차폐효과가 크다.

  ③ 가공지선은 2선으로 하면 차폐각이 적어진다.

  ④ 가공지선은 연동선을 쓴다.

​

문제6. 가공지선에 대한 설명으로 틀린 것은 ?

  ① 직격뢰에 대해서는 특히 유효하며 상부에 설치하므로 직격뢰는 가공지선에 내습한다.

  ② 가공지선 때문에 송전선에 정전용량이 작아진다.

  ③ 가공지선을 설치하는 목적은 유도뢰에 대한 정전차폐, 직격차폐에 대한 차폐이다.

  ④ 1선 지락사고 때 지락전류 일부가 가공지선에 흐르게 되므로 주변에 통선선의 유도

      장해를 감소시킨다.

​

문제7. 송전선로에 매설지선을 설치하는 목적은 ?

  ④ 철탑으로 부터 송전선에 역섬락을 방지하기 위해

​

문제8. 송전선에서 역섬락을 방지하기 위한 유효한 방법은 ?

  ③ 탑각 접지저항을 작게 한다.

​

문제9. 철탑의 탑각접지저항이 커지면 우려되는 것은 ? 역섬락

​

문제10. 접지봉을 사용하여 희망하는 접지저항까지 줄일 수 없을 때 사용하는 선은 ?

   매설지선

​

문제11. 154[kV]의 송전선로에 45[kA]의 직격전류가 흘렀다. 역섬락을 일으키지

   않을 탑각 접지저항 R값을 구하라. 탑각 접지저항의 최고값은 얼마인가?

   단, 154[kV] 송전선에서 일련의 애자를 9개를 사용하였고 애자련의 섬락전압은

   860[kV]이다.

문제12. 이상전압에 대한 방호장치가 아닌 것은 ? ①

   ① 병렬 콘덴서 - 역률 개선

   ② 가공지선 - 직격뢰로 부터 선로 보호

   ③ 피뢰기 - 옥외 뇌해방지

   ④ 서지흡수기 - 옥내서지방지

​

문제13. 뇌해 방지와 관계 없는 것은 ? ④

   ① 매설지선 - 역섬락방지

   ② 가공지선 - 직격뢰에 대한 선로 보호

   ③ 소호각 - 벼락에 대한 애자 보호

   ④ 댐퍼 - 진동방지

​

​

▣ 가공지선 : 유도뢰, 직격뢰로 부터 선로 보호

송전선에는 뇌운에서 발생하는 벼락의 영향을 받게 된다. 벼락은 높은 창공에서 치게

되므로 송전선의 맨 위에 가공지선을 설치하여 벼락를 방지하게 되는데 이를 직격차폐라고

한다. 뇌운에서는 분극현상에 의해 극성이 발생하게 되는데 이 분극현상에 따른 정전유도

현상이 선로에 발생하게 되는데 가공지선을 설치하면 이를 방지하는 효과도 있다.

따라서 가공지선의 가장 큰 용도는 직격차폐와 정전차폐라고 할 수 있다.

​

[용도]

▣ 송전선을 뇌의 직격으로 부터 보호한다.

​

① 굵기

   ⊙ 고압 : 4 [mm] 이상

   ⊙ 특고압 : 5[mm] 이상

② 안전율

   ⊙ 동선 : 2.2 이상

   ⊙ 기타 : 2.5 이상

​

▣ 가공지선은 철탑의 상부에 시설하므로 뇌는 주로 가공지선에 내습한다.

▣ 가공지선으로 설치하는 전선 : 나경동선

   ⊙ ACSR, 아연도금강연선, 광섬유복합가공전선

    ※ 연동선은 사용하지 않는다. 연동선은 옥내용이다.

▣ 가공지선은 뇌해방지를 위하여 1~2조를 가설하는 경우가 많다.

▣ 지락시 지락전류의 일부가 가공지선에 흘러서 차폐작용을 하므로 전자유도 장해를

    작게 할 수 있다. (전자차폐)

  ※ 가공지선 : ① 직격차폐 ② 정전차폐 ③ 전자차폐

※ 가공지선은 접지를 하므로 송전선과는 병렬로 설치 되게 되므로 지락전류가 전선의

   중성점과 가공지선으로 나누어지므로 지락전류(영상전류 I​o)가 나누어져 전자유도

   장해를 줄일 수 있다.

​

【차폐각】

▣ 차폐각 : 철탑과 전선간의 사이각이다.

    ※ 차폐각을 작게 하려면 전선을 낮추면 되는데 이러면 위험하게 되므로 가공지선을

       위쪽으로 높여서 차폐각을 작게 한다.

    ※ 차폐각이 작으면 (① 건설비, ② 보호효과(차폐효과) ) 가 커진다.

  ① 차폐각이 작으면 보호효율은 커지고 건설비는 높아진다.

  ② 차폐각이 30˚인 경우 보호효율 100%, 45˚이하이면 97%이다.

    ※ 우리나라는 차폐각을 45˚ 이하로 설계한다.

  ③ 가공지선을 2가닥으로 하면 차폐각이 작아진다.

​

이번에는 직권전동기를 알아 봅시다.

분권 전동기와 다르게 계자권선과 회전자권선이 직렬로 연결되어 있는 것이 특징입니다.

입력전류는 두개의 저항의 합에 의해 결정됩니다.

​

1. 직권 전동기 설명

​

◎ 부하시 (부하가 연결되었을 때)

​

직권전동기는 계자권선을 회전자권선과 직렬로 연결되어 있기 때문에

계자전류 If와 회전자 전류 Ia 는 같은 값을 가집니다.

따라서 계자전류는 입력전류 I와 같고,

역기전력은 아래와 같이 구할 수 있습니다.

I = Ia = If

V = E + Ia · Ra + If · Rf

E = V - Ia ( Ra + Rf )

​

2. 속도

​

전동기의 속도는 역기전력을 이용하여 구할 수 있습니다.

E = k φ N

속도 N에 대하여 정리하고

위에서 구한 역기전력 E ( E = V - Ia (Ra + Rf))를 통해 구합니다.

이 때 단순한 관계식으로 보면,

저항 Ra와 Rf는 φ에 비해 매우 작아 생략이 가능하며

속도는 자속 φ 에 반비례함을 알 수 있습니다.

​

3. 무부하 운전금지

​

직권전동기의 속도에 대한 식을 살펴 봅시다.

무부하시에는 If가 매우 작아져 자속 φ 가 "0"에 가까워 지는데

이 때 속도 N은 매우 커지기 때문에 위험속도에 도달할 수 있습니다.

​

(직권전동기에 부하와 연결을 벨트로 할 경우,

풀어지는 사고로 무부하 상태가 될 수 있으므로

벨트 사용을 금지하고 톱니나 체인을 사용합니다)

​

분권전동기와 비슷하게 계자권선 단락의 원인으로 무부하 운전을 금지합니다.

​

* 직권전동기는 무부하시(계자권선 단선) 위험속도에 도달하기 때문에 무부하 운전 금지

​

4. 돌림힘 토크

​

모터에서 발생하는 토크는 효율을 무시하고

출력 Power(토크와 속도)와 입력 Power(전압과 전류)가 동일하다고 가정합니다.

이 때 출력식을 쓰면 다음과 같습니다.

토크에 대하여 다음과 같이 정리합니다.​

따라서 토크는

토크 τ = k′ Φ Ia​ ​

​

여기서 발생하는 자속 φ 는 계자전류에 비례하여 다음과 같이 정의됩니다.

따라서 토크는 전류 Ia의 제곱에 비례하고 속도 N의 제곱에 반비례합니다.

직권전동기의 전류는 계자와 회전자 둘다 동시에 같은 값으로 영향을 줍니다.(I=Ia=If)

​

그렇기 때문에 토크와 관련있는 각각의 전류가 하나만 변해도

두개 모두가 변하기 때문에 제곱으로 변한다고 볼 수 있습니다.

또한 속도 N은 전류 If에 반비례하기 때문에

토크와도 제곱에 반비례한다고 보시면 됩니다.

낮은 속도(기동)에 토크가 매우 크나,

속도의 증감에 따라 토크의 변동률이 크다는 것을 알 수 있습니다.

​

5. 직권전동기 특징

​

① 기동토크가 크다

② 속도변동률이 크다.

③ 토크변동률이 크다.

이번에는 직류 분권전동기에 대하여 알아 봅시다.

분권전동기는 직권전동기와 다르게 계자권선 저항이 '병렬'로 연결되어 있습니다.

​

1. 분권전동기

분권 전동기의 등가회로도는 위와 같습니다.

입력단자에 전압이 걸리면 회전자와 계자에 각각 병렬로 동시에 전원이 공급됩니다.

​

◎ 부하시 (부하가 연결되었을 때)

​

입력단자 V에 전압이 인가되었을 때,

입력전류 I 는 회전자 전류와 계자전류로 나뉩니다.

이로 부터 역기전력 E와 계자전류 If 를 다음과 같이 구할 수 있습니다.

계자전류는 오로지 계자저항 Rf 에 의해 결정됩니다.

​

2. 속도

​

분권전동기가 회전함으로써 발생하는 역기전력 E는 다음과 같이 발생합니다.

​

E = k Φ N

​

이때 속도 N에 대해서 정리하고,

역기전력 E는 위에서 구한 식 ( E = V - Ia · Ra )을 대입합니다.

따라서

속도식은 위와같이 구할 수 있습니다.

속도식으로 부터 자속 φ 가 관여되어 있음을 알 수 있습니다.

​

이것으로 자속에 의해 전동기의 속도제어가 가능함을 알 수 있습니다.

​

회전자저항Ra​ 증가 ⇒ 회전자전류Ia​ 감소 ⇒ 자속Φ 감소 ⇒ 속도증가 ​

​

위의 순서로 Ra의 변동에 의해 속도의 증가 및 감소로 제어가 가능합니다.

* 회전자 저항 Ra 에 따라 속도제어가 가능합니다.

​

3. 기동시 계자저항 제어

​

전동기는 처음에 기동할 때 큰 토크를 필요로 하여 매우 큰 전류가 발생합니다.

따라서 전동기가 작은 전류로도 큰 토크를 가질 수 있도록

여러가지 방법을 사용해야 합니다.

​

분권전동기의 경우 계자 저항 Ra로 기동시 속도를 줄이고 토크를 높여서

보다 적은 전류로 토크를 얻어 기동할 수 있도록 합니다.

가변저항 FR을 넣어 제어를 할 때

⊙ 분권 전동기 기동시 : FR을 최소 (속도를 낮추고 토크를 키움)

⊙ 분권 발전기 기동시 : FR을 최대 (전류 If 감소, 자속감소로 기전력 E를 낮추고

필요토크를 낮춤)

​

4. 계자권선 단선 금지

​

직권전동기는 계자가 발생하는 자속에 의해 회전하지만

분권발전기는 자속이 작을 수록 속도가 증가하게 됩니다.

위 식에서 자속 φ 가 분모로 들어가 있음을 알수 있습니다.

그렇기 때문에 If가 0이 되면 자속 φ 의 감소로 N이 매우 커지게 되어

위험속도에 도달할 수 있습니다.(과속도)

(직권전동기들은 자속에 의해 토크를 얻어 회전하지만,

이 자속에 구속되어 속도가 어느정도 유지되는 양상을 보입니다)

* 분권전동기는 If가 0이 되는 경우 속도가 매우 커지기 때문에

계자권선이 단선이 되면 위험합니다.

​

5. 정속도 전동기

​

분권전동기의 특징으로는

부하변동에 의한 속도변화가 거의 없어 정속도 전동기의 특징을 가집니다.

속도가 증가하거나 감소하면 역기전력 E의 증감으로 인해서

전동기의 속도를 유지하게 되어 속도와 토크가 지속적으로 유지되려고 한다고

보시면 됩니다.

​

⊙ 토크의 관계식

토크는 속도와 반비례, 회전자 전류와 비례합니다.

이번에는 직류전동의 구조와 원리, 그리고 토크에 대한 개념과 모터에 대해 알아 봅시다.

​

1. 직류전동기 구조와 원리

① 직류전동기의 구조

​

전동기는 발전기와 구조는 동일하다.

전기를 공급하여 회전을 하게 되면 전동기가 되고

회전자(전기자)를 회전시켜서 전기를 만들어 내면 발전기가 되는 것이다.

그렇게 때문에 전기기기를 공부할 때 발전기와 전동기를 분리하지 않고

두 기기를 통칭하여 'Machine'이라고 한다.

​

기계적 구조는 같지만 발전기와 약간의 용어가 다르긴 합니다.

회전자(Rotor) : 전류가 흐르면 자속에 의해 회전하는 부분(발전기는 전기자)

고정자(Stator) : 자속을 만들어 주는 부분 (발전기는 계자)

전동기가 회전하는 원리는 플레밍의 왼손법칙을 적용하여 위와 같이 나타낼 수 있습니다.

고정자가 만들어 내는 자속내에 전류가 흐르게 되면 도체에 힘을 받게 됩니다.

이 때 발전기의 경우 플레밍의 오른손 법칙을 사용하여, 자속에서 전류가 힘을 받으면

전류를 만들어 내게 됩니다.

​

② 역기전력

​

전동기가 힘을 받아 회전하는 경우, 그 힘에 의하여 발전기와 같이 기전력을 발생합니다.

이 때 발생하는 기전력은 모터에 입력되는 전압에 반대되는 방향으로 발생하기 때문에

'역기전력'이라고 합니다.

​

역기전력의 특성은 전동기에 흐르는 전류를 낮추는 역할을 합니다.

역기전력을 이해하기 위해서는 자동차가 빨리 달릴 수록 바람의 저항이 발생하는 것을

상상하면 쉽게 이해할 수 있습니다.

​

역기전력은 보통 전동기의 회전속도에 따라 증가하게 되는데

전동기가 매우 빠른 속도로 회전할 경우 역기전력과 전동기의 입력전압과 서로 같아져

전류가 매우 작아지는 현상이 발생하게 됩니다.

​

전동기에 흐르는 전류가 작아지면 고정자의 자속 발생이 작아지고

자속이 낮아지면 전동기 토크가 서서히 떨어지게 되어

결국에는 전동기를 가속하는데 한계가 발생하여

속도에 한계가 발생하게 됩니다.

​

반대로 전동기의 속도가 낮을 경우에는 역기전력이 작아

매우 큰 전류가 흐를 수 있기 때문에 위험에 처하게 됩니다.

​

역기전력 : 전동기의 경우 부하로 인해 발전기처럼 동작하여 역으로 기전력이 발생하는 것

​

③ 전동기 등가회로

​

전동기는 회전하면서 발생하는 역기전력이 있고

권선에 따라 회전자 권선저항과 고정자 권선저항이 있는 것으로 등가회로를 그릴 수 있다.

입력단자에 전압 V를 인가하여 전류가 흐른다고 가정을 합니다.

전동기로 들어가는 전류 I 는 병렬로 나눠지게 되어 Ia 와 If 의 합이 됩니다.

입력전압은 역기전력과 회전자 권선에 걸리는 전압과의 합과 같습니다.

전동기에서 발생하는 역기전력 E와 고정자에 흐르는 전류 I​f 에 대하여

정리하면 다음과 같습니다.

② 토크 공식

⊙ 토크는 회전하는 힘, 돌림힘으로서, 힘(F)와 거리(지레팔)의 곱으로 나타낸다.

    이것은 지렛대의 원리와 비슷한 것으로

    같은 토크에서 지레팔 거리[m]가 멀수록 힘[F]은 약해지는 특성이 있습니다.

​

⊙ 만약에 자전거나 자동차를 만들었을 때, 언덕에 오르기 힘들다면,

    페달 바퀴를 좀 더 작은 것으로 바꾸어 올라가면 힘이 덜 드는 것과 같습니다.

​

⊙ 회전하는 물체의 접선의 방향으로 힘이 가해졌을 때,

    토크는 회전하는 물체의 중심에서 힘이 작용하는 곳까지의 거리와

    힘의 크기의 곱으로 나타냅니다.

    따라서 회전하는 돌림힘 토크의 식은 다음과 같습니다.

​

토크 τ = F × r [N · m]

​

이때, 1초당 회전수를 초당회전수 n이라고 하면

각주파수와 분당회회전수는 다음과 같다.

⊙ 출력(일률)은 어떤 일을 할 수 있는 능력, 초당 일할 수 있는 능력이라고 할 수 있습니다

    즉, 초당 사용하는 에너지를 일률(단위당 일량)이라고 할 수 있습니다.

​

    에너지의 단위는 보통 [J]을 쓰는데, 이 때 1[J]은 1[N]의 힘으로 1[m]를 움직일 때의

    에너지를 말합니다.

​

⊙ 출력 P는 에너지를 시간 초로 나눈 값 [J/sec]이 되며

    전기적 단위로 쓰면 1[W] = 1[J/sec]로 나타냅니다.

    따라서

    에너지 : 1 [J] = 1[N] × 1[m]

       일률 : 1[W] = 1[J/sec]

                       = 1[N] × 1[m] / sec

                       = 1[N] × 1[m/sec]

​

⊙ 즉, 힘[N]과 속도 1[m/s]의 곱인 것을 알 수 있습니다.

    회전하는 물체의 경우 토크가 걸리는 지점의 속도를 계산하면

원둘레 길이 : 2πr [m]

1초당회전속도 : n [rps = 회전수/초]

             속도 : = 원둘레 × 1초당 회전수 [n/sec]

                     = 2πr · n [m/s]

​[토크와 각속도의 관계]

​

물체에 힘을 작용하면 물체의 속도가 바뀝니다.

그런데 크기를 갖는 물체의 한부분이 고정되어 있을 때

힘을 작용하면 물체는 회전합니다.

이때 물체의 각속도가 바뀐다고 말합니다.

​

물체의 속도가 바뀌는 정도 즉 가속도는 물체에 작용한 힘에 비례합니다.​

그런데 물체의 각속도가 바뀌는 정도, 각가속도는

단순히 물체에 작용한 힘에만 비례하는 것이 아니라

똑같은 힘을 작용하더라도

물체의 고정된 부분에서 얼마나 멀리 떨어진 곳에 그 힘이 작용했는지에도 비례합니다.

즉 고정된 부분에서 먼 곳에 작용할 수록 각가속도가 커집니다.

이 효과 즉 힘에 고정점에서 힘의 작용점까지 거리를 곱한 것을 토크라고 합니다.

​

그래서 토크는 "힘 x 회전축에서 거리" 라고 표현할 수 있습니다.

그런데 각속도와 속도 사이의 관계는 "속도 = 각속도 x 회전축에서 거리" 입니다.

​

따라서 "토크 x 각속도 = (힘 x 회전축에서 거리) x (속도 / 회전축에서 거리) = 힘 x 속도"

즉, 출력(일률[W])은 힘 x 속도 = 토크 x 각속도, P = ω τ " 가 됩니다.

​

회전수가 분당회전수라면 초당 회전수로 변환하여 사용합니다.

초당회전수 : n[rps], 각 주파수 ω = 2πn = 2πN / 60

분당회전수 : N[rpm], 출력 P = ω τ = 2πN / 60 · τ

​

⊙ 토크는 회전하는 물체가 회전하기 위한 가속을 위한 힘과 비슷한 요소입니다.

    다만, 토크는 힘에 중심에서의 거리가 곱해지는 부분이 다릅니다.

    같은 힘이라도 중심(지레점)에서 가까우냐, 머냐에 따라 가해지는 토크가 달라집니다.

    반대로 토크를 만들어 내는 모터의 경우

    같은 토크라도 힘을 주는 부분이 중심(지레점)에서 가까우냐 머냐에 따라

    실제 주는 힘이 달라집니다.

​

⊙ 모터는 입력되는 Power만큼 기계적 출력을 내기 때문에

    입력(P = VI)에 비례하여 출력 (P = 속도 × 힘)이 결정됩니다.

    모터의 출력이 크다고 하는 것은 회전속도와 토크가 큰 것이며

    이 둘의 곱은 언제나 일정하게 됩니다.

    따라서 동일한 모터가 토크가 부족하면 속도를 줄이고

    혹은 속도가 부족하면 토크를 줄이도록 하는 방법으로

    필요한 성능을 낼 수 있도록 합니다.

​

⑤ 속도 공식

​

⊙ 모터의 회전속도는

    입력 Power에 따라 회전을 하게 되면서 발생하는 역기전력의 크기로 구할 수 있습니다.

    발생하는 역기전력이 클수록 회전속도가 높아 집니다 ( E = kΦN )

⊙ 역기전력이 작아지게 하는 회전자 전류 Ia가 작을 수록,

    회전을 방해하는 자속이 작을 수록 회전속도는 커지게 됩니다.

⊙ 모터가 회전하여 발생하는 역기전력은 모터의 입력전압 V와

    흐르는 전류 Ia와 회전자 저항 Ra 값을 알고 있을 때 알 수 있습니 다.

​역기전력 E = V - Ia · Ra ∵ V = E + Ia · Ra

​

이 때, E를 알게 되면 다시 역기전력 공식을 통해 회전수를 알 수 있습니다.

⊙ 비례상수 k' 는 k의 역수로서 계산하기 편하게 다시 쓴 것입니다.

여기서 회전속도는 여러가지 요소들에 의해서 결정되지만,

특히 모터의 자속수에 반비례 한다는 것을 눈여겨 봐야 합니다.

​⊙ 또한 모터에 흐르는 전류가 작을 수록 회전수가 증가합니다.

    자속수와 반비례하는 이유는 모터의 회전자가 회전을 하면서 만들어 내는

    역기전력은 회전자가 돌지 못하게 하는 방향으로 발생합니다.

​

⊙ 역기전력에 의해 모터가 돌지 못하게 하는 힘은 전자석 처럼 작용하기 때문에,

    고정자가 만들어 내는 자속이 클수록 못돌게 하는 힘이 커지게 된다고 볼 수 있습니다.

​

⊙ 모터가 회전하기 위해서 필요한 토크는 자속이 클수록 커지지만

    모터가 회전할 수록 발생하는 역기전력에 의해 속도가 크게 감소하게 됩니다.

    이러한 성질을 이용해 자속을 조절하여 모터의 속도와 토크를 조절이 가능합니다.

​

2. DC 모터의 토크계산

​

⊙ 이제 본격적으로 DC 전동기의 토크를 계산하고자 합니다.

    모터에 입력되는 전압과 전류를 알고 있거나 모터의 출력과 회전속도를 알면

    각각의 방법으로 토크를 알아 낼 수 있습니다.

​

V = E + Ia · Ra

V · Ia = E · Ia + Ia2 · Ra

V · Ia(입력 P), E · Ia (출력), Ia2 · Ra (동손)

출력 P = E · Ia = ω τ

​

위와 같이 주어졌을 때

* 토크 계산식 1 (모터의 일정 출력 P에서 속도 N과의 관계)

⊙ 출력 P를 알고 있을 때, 토크와 속도와의 관계식을 통해서 위와같이 정리됩니다.

     DC 전동기의 토크는 회전수 N에 반비례함을 알 수 있습니다.

     * 공식의 단순화 및 단위 변화 (알고 있는 고정된 수는 계수로 전환)

※ 토크 계산식 2 (모터의 전기적 파라미터의 관계식 구하기

                       (극수,도체수,전류, 자속의 관계 ))

​

출력 P [W], 회전수 N [rpm]

​

위와 같이 주어졌을 때, 모터에 입력되는 전압과 전류를 통해

다음과 같이 구할 수 있다.

⊙ 여기서 회전수와 무관하게 보이는 식으로 도출되지만

    사실상 모터에 흐르는 전류 Ia와 회전수 N은 서로 반비례의 관계이기 때문에

    속도와 무관하지 않습니다.

    자속과 전류 Ia를 제외하고는 극수 P, 도체수 Z, 병렬 회로수 a는

    모터가 설계되어 만들어 진 후에는 고정된 값이 되므로

    하나로 묶어 k 상수로 사용하여 간단하게 쓸 수 있습니다.

⊙ 토크 계산식 1과 2에서 다음 식을 도출할 수 있다.

⊙ 결론은 같네요

   * DC모터의 토크는 부하(전류)가 클수록 속도가 작을 수록 커짐

​

3. 타여자 전동기

​

⊙ 타여자 전동기는 DC 전동기에서 여자를 공급하기 위한 고정자 권선의 입력을

    외부에서 가져오는 전동기이며 타여자 발전기와 같은 모양입니다.

① 속 도

​

⊙ 모터의 속도는 권선에서 발생하는 자속과

    입력되는 전압, 전류와의 관계식으로 다음과 같이 구할 수 있다.

⊙ 위 식을 통해 고정자 권선 저항 Rf에 따라 모터의 속도를 증가시키거나

    감소시킬 수 있다.

Rf​ ↑ ⇒ I​f​ ↓ ⇒ Φ ↓ ⇒ N ↑,​

Rf​ ↓ ⇒ I​f​ ↑ ⇒ Φ ↑ ⇒ N ↓,​

​

② 토크

​

⊙ 위에서 토크공식을 이용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

⊙ 타여자 전동기의 토크는 부하 및 속도에 따라 결정됩니다.

​

③ 용도

​

⊙ 타여자 전동기는 고정자 권선저항을 조절하여 모터의 속도 및 토크를

    쉽게 조절할 수 있습니다.

⊙ 다른 모터들은 별도의 저압조정장치와 같은 복잡한 제어용 인버터가 필요한

    것과 대비됩니다. 따라서 일정한 속도나 일정한 토크의 출력이 용이합니다.

⊙ 타여자 발전기의 단점은 외부의 별도 전원이 필요하다는 것입니다.

​

※ 사용용도 : 엘리베이터, 압연기

  (* 제어가 간단하여 부하변동에도 일정한 속도, 토크 출력이 쉽다는 장점 이용)

송전선로에 이상전압 1000[kV]가 내습했다고 하면 변압기는 기준충격절연강도가

150[kV]이므로 이상전압이 그대로 변압기에 진행하면 변압기는 소손되고 말 것이다.

이상전압 내습시 변압기를 보호하기 위하여 변압기의 전원측에 피뢰기를 설치하여

이상전압 내습시 전압을 100[kV]까지 낮추어 변압기를 보호하게 된다.

변압기를 보호하기 위하여 피뢰기를 설치하게 되는데 만약에 충격파 전압이 내습했을 때

피뢰기는 변압기의 기준충격절연강도 150[kV]보다는 낮은 전압에서 방전을 개시하여

전압을 낮추게 되며 이상전압을 피뢰기의 제한전압 100[kV]이하로 낮추게 된다.

​

가. 피뢰기의 용도

▣ 평상시에는 누설전류를 방지하고 이상전압이 내습하면 이상전압을 대지로 방류하고

    전원으로 부터 공급되는 속류를 차단한다.

   ⊙ 이상전압(충격파 전압)을 대지로 방류시키고 속류(Follow Current)를 차단한다.

※ 피뢰기는 뇌전류가 발생하면 충격파(이상전압) 전류를 우선 방류하고 난 후 전원으로

    부터 공급되는 후속전류 즉, 속류를 차단한다.

​

 ▣ 속류 : 충격파 전류의 방전을 종료한 후 전원으로 부터 공급되는 상용주파 전류

​

나. 피뢰기의 구성

 ▣ 직렬갭(저항) + 특성요소 (저항)

   ※ 실드링 : 구성요소는 아니다. 피뢰기의 보호장치

① 직렬갭 : 여러개의 자기들을 직렬로 겹쳐 조합한 저항기구이다.​​

   ⊙ 저항으로 구성된다.

   ⊙ 평상시에는 피뢰기를 열린 상태로 유지한다.

   ⊙ 과전압이 인가되었을 때는 피뢰기를 단락상태로 유지한다.

   ⊙ 평상시에는 누설전류를 방지하고 방전을 종료한 후에는 속류를 차단한다.

    ※ 최근에는 직렬갭을 생략하고 특성요소로만 구성되는 피뢰기를 사용하고 있다.

② 특성요소

   ⊙ 탄화규소(Sic)가 주성분인 저항성분이다. : 탄화규소(Sic ⇔ 산화아연(ZnO)

    ※ 아연은 도체, 산화아연은 절연체 (산화아연은 도체와 절연체 상호 변환한다)

   ⊙ 실드링 (보호장치)

    - 전기적 또는 자기적 충격으로 부터 피뢰기를 보호한다.

​

다. 피뢰기 정격전류 (공칭방전전류)

 ▣ 피뢰기(LA)를 통하여 최대로 방전시킬 수 있는 전류

   ⊙ 피뢰기를 통해서 최대로 흘릴 수 있는 전류, 충격전류를 공칭방전전류,

      그 허용최고한도를 방전내량, 공칭방전류는 뇌충격전류로 뇌충격전류의

      파고값으로 표시한다.

【 공칭방전전류(최대값)-파고값】

라. 피뢰기 설치 의무 장소

① 발변전소의 인출구 및 인입구

② 가공전선과 지중전선의 접속점

③ 고압 및 특고압 선로로 부터 공급받는 수용장소의 인입구

④ 배전용 변압기의 고압 및 특고압측

마. 피뢰기의 정격전압 (=공칭전압=상용주파 허용 단자전압)

 ▣ 피뢰기의 정격전압

   ⊙ 속류를 차단할 수 있는 최고의 교류전압

⊙ 충격파 전류가 100[kV]가 되면 방전을 개시하여 전압을 낮추다가

    충격파 전류가 18[kV]가 되면 전류를 차단하여

    충격파 전류에 이어 흐르는 속류를 차단하게 된다.

​

▣ 접지계수 및 여유도

  ⊙ 접지계수 및 여유도와 계통 최고 허용전압을 이용하는 방법

  비접지 : √3 배

  직접, 다중접지 : 1.3 E (유효접지)

                        β : 여유계수 - 보통 1.15

​

※ 피뢰기의 정격전압을 결정할 때 가장 중요한 요소는 대지전압 상승값이다.

문제1. 피뢰기의 구조는 ? ④ 직렬갭과 특성요소 (실드링 : 보호장치)

   (둘다, 저항으로 구성되어 있다)

​

문제 2. 피뢰기의 구조에 해당하지 않는 것은 ? ③ 콘덴서

​

문제 3. 전력용 피뢰기에서 직렬갭의 주된 목적은 ?

   ① 상시에는 누설전류를 방지하고 충격파 방전후에는 속류를 차단한다.

​

문제3. 피뢰기의 정격전압은 ? (피뢰기 공칭전압, 상용주파허용단자전압)

   ② 속류를 차단할 수 있는 최고의 교류전압

② 공칭전압 V

   ⊙ 직접접지 : 0.8~1.0 V

   ⊙ 저항, 소호리액터 접지 : 1.4~1.6 V

​

문제 5. 피뢰기의 공칭전압으로 삼고 있는 것은 ? ③ 상용주파 허용 단자전압

​

문제6. 송전계통에서 이용되는 피뢰기 정격전압은 선로의 공칭전압의 몇배로 적용

   되는가 ?

   ③ 직접접지 : 0.8~1.0 V(선간전압), 저항, 소호리액터 접지 : 1.4~1.6 V

​

문제7. 피뢰기 제한전압은 ? ③ 피뢰기 동작중 단자전압의 최고치

   ※ 제한전압 : 충격파 방전으로(피뢰기 동작중) 전압이 저하되어 피뢰기의 단자간에

                    남게 되는 충격전압

    ⊙ 피뢰기 동작중 단자전압 최고치

    ⊙ 제한전압은 낮을 수록 좋다.

문제 8. 피뢰기 제한전압은 ? ④ 충격파 전류가 흐르고 있을 때 피뢰기 단자간 최고전압

​

문제 9. 피뢰기 제한전압의 산출식은 ?

문제 10. 피뢰기 구비조건이 아닌 것은 ? ③

   ① 충격파 방전개시 전압이 낮을 것

   ② 상용주파 방전개시 전압이 높은 것

   ③ 방전내량이 낮을 것

   ④ 속류차단능력이 충분할 것

​

문제11. 피뢰기 충격방전개시전압은 무엇으로 표시하는가 ?

   ③ 뇌 충격파의 최대값

​

문제 12. 변전소, 발전소 등에 설치하는 피뢰기에 대한 설명으로 잘못된 것은 ? ②

   ① 피뢰기의 직렬갭, 특성요소는 저항으로 이루어져 있다.

   ② 정격전압은 상용주파 정현파 전류의 최고한도의 순시값이다.

   ③ 방전전류는 뇌충격 전류의 최고값으로 나타낸다.

   ④ 속류란 방전현상이 끝난 후에도 전원으로 부터 공급되는 전류이다.

​

문제 13. 피뢰기에 대한 설명으로 가장 적절한 것은 ?

   ② 이상전압이 내습했을 때 방전에 의한 기류를 차단하는 것

​

문제 14. 송전계통에서 절연협조에 기본이 되는 것은 ? ① 피뢰기 제한전압

   【 뇌에 의한 절연강도 순서】

    피뢰기 - 변압기 - 기기부싱 - 결합 콘덴서 - 차단기 - 선로애자

    제한전압 BIL 직격뢰

​

문제 15. 송전계통에서 절연협조에 있어서 절연레벨이 가장 낮은 것은 ? 피뢰기

​

문제 16. 피뢰기 제한전압이 728[kV], 변압기 기준충격 절연강도 1,030[kV]이라면

   보호여유율은 몇 % 인가 ?

문제 17. 우리나라 22.9[kV] 배전선로에 적용하는 피뢰기의 공칭방전류는 ? 2,500[A]

   154 [kV] - 10,000[A]

   66[kV] - 5,000[A]

   22.9[kV] - 2,500[A]

​

문제 18. 유효접지 계통에서 피뢰기의 정격전압을 결정하는데 가장 중요한 요소는 ?

   ④ 1선 지락시 건전상의 대지전위 상승값

​

문제 19. 154[kV] 송전계통에 뇌에 대한 것으로 절연강도에 대한 순서가 가장 경제적이며

   합리적인 것은 ?

   피뢰기 - 변압기 - 기기부싱 - 결합콘덴서 - 차단기 - 선로애자