송전계통의 접지방식 비교

송전계통 및 배전계통에서 중성점 접지 방식은 계통의 안정성, 지락전류 크기, 보호 장치 작동, 설비 비용 등에 큰 영향을 미칩니다. 주요 중성점 접지 방식으로는 비접지 방식(Ungrounded System), 직접 접지 방식(Solidly Grounded System), 저항 접지 방식(Resistance Grounded System), 소호 리액터 접지 방식(Resonant Grounded System 또는 Petersen Coil Grounded System)이 있으며, 이들을 비교하여 설명합니다.

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1. 비접지 방식 (Ungrounded System)

특징

• 중성점이 접지되지 않아 지락 시 전류가 대지로 직접 흐르지 않음.
• 지락전류는 건전 상(고장이 없는 상)의 대지 정전용량을 통해 흐름.

  지락전류 크기

• 매우 작음(수 A 수준, 예: 1~10A).
• ( I_C = 3\omega C V_{LN} )로 계산되며, ( C )는 선로의 대지 정전용량, ( V_{LN} )은 선간 전압의 (\sqrt{3})분의 1.
• 예: 22.9kV 계통에서 ( C = 0.005 , \mu F/km ), 100km 선로라면 ( I_C \approx 5A ).

  장점

• 지락전류가 작아 지락 발생 시 즉시 차단할 필요가 없음(계통 운전 지속 가능).
• 설비 손상 및 전자파 장해가 적음.

  단점

• 건전 상의 대지 전압이 (\sqrt{3})배 상승하여 절연 설계 비용 증가.
• 지락점 탐지가 어려움(전류가 작아 보호 계전기 작동 어려움).
• 간헐적 아크로 과전압 발생 가능.

  적용 사례

• 소규모 배전계통(예: 6.6kV 이하) 또는 고장 빈도가 낮은 계통.

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2. 직접 접지 방식 (Solidly Grounded System)

특징

• 중성점이 저항 없이 대지에 직접 연결.
• 지락 시 전류가 중성점을 통해 대지로 흐름.

  지락전류 크기

• 매우 큼(수백 A에서 수천 A 이상).
• ( I_F = \frac{V_{LN}}{Z_1 + Z_2 + Z_0} )로 계산되며, ( Z_0 ) (영상분 임피던스)가 작아 전류가 3상 단락전류에 근접.
• 예: 154kV 계통에서 ( I_F )는 10kA 이상 가능.

  장점

• 지락전류가 크므로 보호 계전기가 쉽게 작동하여 고장 구간을 신속히 차단.
• 건전 상의 전압 상승이 없어 절연 비용 감소.

  단점

• 큰 지락전류로 인해 설비 손상 및 전자파 장해 발생 가능.
• 변압기 중성점에 높은 기계적/열적 스트레스.

  적용 사례

• 고압 송전계통(예: 154kV, 345kV) 또는 대용량 발전소.

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3. 저항 접지 방식 (Resistance Grounded System)

특징

• 중성점에 저항을 삽입하여 접지.
• 저항 값에 따라 고저항 접지(High Resistance)와 저저항 접지(Low Resistance)로 나뉨.

  지락전류 크기

• 저항 값에 따라 조절 가능.
  • 고저항 접지: 10~20A (운전 지속 가능).
  • 저저항 접지: 200~400A (보호 장치 작동 용이).
• ( I_F = \frac{V_{LN}}{R + Z_0} ), ( R )은 접지 저항.
• 예: 480V 계통, ( R = 20\Omega )일 때 ( I_F \approx 13.85A ).

  장점

• 지락전류를 제한하여 설비 보호 가능.
• 고저항 접지 시 운전 지속 가능, 저저항 접지 시 보호 계전기 작동 용이.

  단점

• 저항 설계 및 유지보수 비용 추가.
• 저항 값 설정이 부정확하면 과전류 또는 감지 실패 가능성.

  적용 사례

• 중압 배전계통(예: 13.8kV) 또는 산업용 전력계통.

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4. 소호 리액터 접지 방식 (Resonant Grounded System)

특징

• 중성점에 소호 리액터(인덕터)를 설치하여 대지 정전용량과 공진을 이룸.
• 공진 조건: ( \omega L = \frac{1}{\omega C} ), ( L )은 리액터 인덕턴스.

  지락전류 크기

• 이상적인 공진 상태에서 거의 0에 가까움(수 A 이하).
• 리액터가 정전용량 전류를 상쇄하여 지락전류 최소화.
• 실제로는 약간의 불균형으로 1~5A 잔류 전류 발생.

  장점

• 지락전류가 극히 작아 운전 지속 가능.
• 아크 소호 효과로 과전압 억제, 전자파 장해 감소.

  단점

• 계통 정전용량 변화에 따라 리액터 튜닝 필요(동적 조정 어려움).
• 초기 설치 비용 및 설계 복잡성 증가.

  적용 사례

• 유럽(독일, 스위스 등)의 중압 송배전계통(10~50kV).

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비교 요약 표

접지 방식	지락전류 크기	보호 장치 작동	운전 지속 가능성	절연 비용	주요 적용
비접지 방식	매우 작음 (1~10A)	어려움	가능	높음	소규모 배전계통
직접 접지 방식	매우 큼 (수 kA)	용이	불가	낮음	고압 송전계통
저항 접지 방식	조절 가능 (10~400A)	조절 가능	고저항 시 가능	중간	중압 배전/산업계통
소호 리액터 접지	극히 작음 (0~5A)	어려움	가능	중간	유럽형 송배전계통

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상세 비교 분석

1. 지락전류 크기

   • 최소: 소호 리액터 접지 (공진으로 상쇄).
   • 최대: 직접 접지 (임피던스 제한만 존재).

2. 계통 안정성 및 보호

   • 직접 접지와 저저항 접지는 신속한 고장 제거에 유리.
   • 비접지와 소호 리액터는 운전 지속성을 우선시.

3. 설비 비용 및 설계

   • 비접지: 절연 강화 필요로 비용 증가.
   • 소호 리액터: 리액터 설계 및 튜닝 비용 추가.
   • 직접 접지: 간단하지만 큰 전류 대비 설비 보강 필요.

4. 운용 환경

   • 비접지와 소호 리액터: 고장 빈도가 낮거나 운전 연속성이 중요한 경우.
   • 직접 접지: 대용량 송전에서 고장 제거 우선.
   • 저항 접지: 중간 규모 계통에서 타협점 제공.

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결론

각 중성점 접지 방식은 계통의 용도와 요구 사항에 따라 선택됩니다. 지락전류를 최소화하려면 소호 리액터 접지가 최적이며, 신속한 고장 제거를 위해서는 직접 접지가 유리합니다. 저항 접지는 두 특성의 균형을 제공하며, 비접지 방식은 간단한 계통에서 운전 지속성을 보장합니다. 실제 적용 시에는 계통 전압, 선로 길이, 부하 특성, 경제성을 종합적으로 고려하여 결정해야 합니다.