파두장, 파미장이란? 파고값, 뇌서지, 개폐서지

전기기사 시험에서 전력공학, 변압기의 절연 내력과 관련되어 등장하는 파두장, 파미장, 파고값, 뇌서지, 개폐서지, 충격파 등 해당 용어를 보면 어렵게 느껴질 수 있지만, 아주 중요한 개념입니다. (뇌)전압 파형을 통해 파두장과 파미장에 대해 간단하게 설명 드리고, 문제를 풀면서 뇌서지, 개폐서지와 시험에 나오는 꼭 알아야 하는 중요 내용에 대해서도 다뤄보았습니다. 함께 알아볼까요?

 

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BIL Test를 위한 전압 파형 (출처: https://www.researchgate.net/figure/A-full-impulse-voltage-waveform-with-time-parameters-as-defined-in-reference_fig1_326606105, hi, stranger 네이버 블로그)

 

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위 그래프를 통해 파두장과 파미장을 간단하게 알려드리면, T1을 파두장, T2를 파미장이라고 합니다. 

그리고 파형의 가장 높은 최대 지점을 파고점, 파고값, BIL(=crest value)라고 합니다.

위 파형의 상승 그래프에서 peak (BIL)기준으로 30%와 90% 되는 순간을 점(A, B)으로 찍고, 두 점을 직선 연결하여 x축과 만나는 지점을 규약 영점 (virtual zero time)이라고 합니다. 

이 규약 영점으로부터 파고값까지 걸리는 시간 T1을 파두장, 파고값을 지나 파고값의 50%가 되는 지점까지 걸리는 시간 T2를 파미장으로 정의합니다. 

여기서 파고값 기준 30%와 90%는 전압 파형 기준이며, 전류 파형은 10%와 90%가 되는 지점을 선으로 연결합니다.

 

여기서 문제, (실제 전기기사 필기 기출 문제)

문제 1. 파고값의 길이 범위는?

1. 10~90%

2. 20~90%

3. 10~50%

4. 50~90%

 

문제 2. 뇌서지와 개폐서지의 파두장과 파미장에 대한 설명으로 옳은 것은?

1. 파두장은 같고 파미장은 다르다.

2. 파두장은 다르고 파미장은 같다.

3. 파두장과 파미장이 모두 다르다.

4. 파두장과 파미장이 모두 같다.

 

(정답은 맨 마지막에 있습니다.)

 

문제 2번에서 뇌서지와 개폐서지라는 또다른 용어가 등장했는데 중요한 개념이라 이에 대해서도 자세히 알아보겠습니다. 

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전기설비에서 서지(surge)는 순간적으로 발생하는 이상 전압 또는 이상 전류를 의미하며, 전기기사 시험에서 자주 등장합니다. 특히 뇌서지와 개폐서지는 서지의 대표적인 두 종류로, 발생 원인과 특성이 다르기 때문에 확실히 구분해서 기억하시는 것이 중요합니다.

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서지의 발생 원인은 크게 자연적인 요인과 인위적인 요인으로 구분이 가능합니다. 

1. 자연적인 것 - 정전기(ESD), 낙뢰서지(Lightning Surge)

2. 인위적인 것 - 개폐서지(Switching Surge), 고속 과도전류(EFT)

이중에서 전력통신 설비에 유입하는 이상전압의 원인으로는 낙뢰서지, 개폐서지, 지락서지의 발생 등으로 구분됩니다. 

개폐서지는 선로를 개방하거나 폐로할 때 이상전압이 발생하여 공기의 절연을 파괴하고 이에 따라 아크가 발생하는 현상을 말하며 뇌서지에 비해 파고값은 낮고 지속시간은 길다는 특성을 가지고 있습니다.

 

★ ★ ★ ★ ★  여기서, 실제 전기기사 필기 시험에 나오는 내용을 정리하고 넘어가겠습니다.

1. 변압기의 절연 내력 시험을 하기 위해 벼락의 충격파와 파형이 비슷한 인위적인 충격파형을 만들어 시험에 사용하는데, 이를 표준 충격 전압파라고 합니다.

2. 뇌전압, 뇌전류의 파형은 충격파입니다. (이 충격파를 서지라고 함.)

3. 서지는 극히 짧은 시간 안에 파고값에 도달하고, 극히 짧은 시간에 소멸합니다.

4. 파고값, 파두장, 파미장으로 나타낼 수 있습니다.

5. 표준충격파 표기는 1.2 x 50 [us] 입니다. (표준 충격파의 파두장 시간은 1.2[us], 파미장 시간은 50[us]이라는 뜻)

6. 충격 파형은 시작되는 순간 파형이 일그러져 여러 개의 0점을 가지므로 0점을 새로 잡기 위해 약속한 지점을 규약 영점이라고 합니다. (규약 영점을 정의하는 방법은 해당 글 윗 부분에 설명되어 있습니다.)

7. 뇌서지와 개폐서지의 표충중격파 단위는 다르다. 개폐서지보다 뇌서지가 훨씬 크기 때문에 뇌서지는 [us], 개폐서지는 [ms]로 사용됩니다. 따라서 뇌서지와 개폐서지의 파두장, 파미장은 서로 다릅니다.

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뇌서지와 개폐서지 관련 문제인 2번을 푸는데 어려움이 있으셨다면 가볍게 쭉 읽어보시길 권장합니다.

뇌서지와 개폐서지의 개념, 발생 원인, 둘의 차이점에 대해서 다뤄보았습니다.

서지의 종류 (출처: SPD 서지보호기 전문점 네이버 블로그)

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🔶 1. 뇌서지 (雷Surge, Lightning Surge)

▪ 개념

• 뇌서지는 낙뢰(뇌격)에 의해 발생하는 서지로, 전력선이나 통신선 등에 유도되거나 유입되어 고전압이 순간적으로 발생하는 현상입니다.

▪ 발생 원인

• 직접 뇌격: 송전선, 전주, 철탑 등 설비에 번개가 직접 떨어지는 경우
• 간접 뇌격(유도 뇌격): 인근 지역에 낙뢰가 떨어질 때 전자기 유도에 의해 선로에 이상전압이 발생하는 경우

▪ 특징

• 수 십 kV에서 수 백 kV 이상의 고전압이 순간적으로 발생
• 지속 시간은 짧고, 수 마이크로초~수십 마이크로초 수준
• 매우 빠르게 발생하여 설비에 큰 피해를 줄 수 있음

▪ 대책

• 피뢰침, 피뢰기(서지 보호기, SPD) 설치
• 가공지선(피뢰선) 사용
• 접지 시스템 강화

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🔶 2. 개폐서지 (Switching Surge)

▪ 개념

• 개폐서지는 스위치(개폐기, 차단기 등)의 동작이나 부하의 투입/차단 시 발생하는 서지로, 개폐 동작에 의한 과도 전압입니다.

▪ 발생 원인

• 무부하 송전선 투입
• 리액터, 커패시터 개폐
• 송전선로 고장 후 재폐로
• 개폐기 아크 소호 과정

▪ 특징

• 일반적으로 수 kV~수십 kV 정도의 전압
• 지속 시간은 뇌서지보다 길고, 수십~수백 마이크로초 정도
• 반복적으로 발생할 수 있으며, 내부 절연 파괴나 이상 전류 유입의 원인이 될 수 있음

▪ 대책

• 서지 억제기 설치
• 개폐기 동작 속도 조절
• 서지 흡수기, 디레이 회로 사용
• 무부하 투입 제한 회로 설계

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🔶 뇌서지 vs 개폐서지 요약 비교

뇌서지와 개폐서지 비교

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실제 전기기사 필기 기출 문제

문제 3. 개폐서지 이상전압의 발생을 억제할 목적으로 설치하는 것은?

1. 단로기

2. 차단기

3. 리액터

4. 개폐저항기

 

문제 4. 이상전압에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

1. 송전선로의 개폐 조작에 따른 과도현상 때문에 발생하는 이상 전압을 개폐서지라고 부른다.

2. 충격파를 서지라 부르기도 하며 극히 짧은 시간에 파고값에 도달하고 극히 짧은 시간에 소멸한다.

3. 일반적으로 선로에 차단기를 투입할 대가 개방할 때보다 더 높은 이상전압을 발생한다.

4. 충격파는 보통 파고값과 파두 길이와 파미 길이로 나타낸다.

 

문제 5. 다음 중 송전선로에서 이상전압이 가장 크게 발생하기 쉬운 경우는?

1. 무부하 송전선로를 폐로하는 경우

2. 무부하 송전선로를 개로하는 경우

3. 부하 송전선로를 폐로하는 경우

4. 부하 송전선로를 개로하는 경우

 

🔶 문제 정답

문제 1: 1

문제 2: 3

문제 3: 4 (개페저항기는 개페 서지 (대지 전압의 4~6배 억제)

문제 4: 3 (차단기 개방 시가 투입 시보다 높은 이상전압 발생)

문제 5: 2 (이상전압이 가장 크게 발생하는 경우 - 무부하 송전선로 개로, 이상전압이 가장 적게 발생하는 경우- 부하 송전선로 폐로)

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🔶 마무리 

변압기의 절연 내력 테스트에 필요한 표준충격파전압의 파두장, 파미장, 파고값, 규약 영점에 대해서 자세히 알아보았습니다. 또한 서지와 뇌서지, 개폐서지의 개념, 특징에 대해서 알아보았습니다. 뇌서지와 개폐서지는 전기설비에 큰 피해를 줄 수 있는 대표적인 이상 전압으로, 발생 원인과 대책이 서로 다릅니다. 뇌서지는 자연 현상인 낙뢰에 의한 것이고, 개폐서지는 전력계통의 동작 과정에서 발생합니다. 각각의 특성과 대책을 정확히 이해하면 전기설비 보호 및 시험 대비에 큰 도움이 됩니다. 실제 전기기사 기출 문제 풀이를 통해 개념을 잘 학습하셨는지 확인해보시고, 추후 시험에서 좋은 결과 얻으시길 바랍니다 :)

 

 

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