3상4선식 공급 방식의 중성선 단선과 부하에 미치는 영향

[에어컨닥터]

3상4선식 공급 방식의 중성선 단선과 부하에 미치는 영향
정선시간의 단축을 위하여 발전기를 먼저 가동시키고 ATS를 절체 하였다는데....

A빌딩에서 일부계통의 보수작업을 위하여 정전 시간의 단축을 위하여 발전기를 먼저 가동시키고 ATS를 절체 하였다. 절체후 여러 종류의 전기기기가 소손되고 백열 전구의 광속이 심하게 변경(밝고, 어둡고)되었으며 그 정도가 점차 커지고 전력설비의 소손사고가 점차 확산되었다. 이 때 발전기 단자 전압은 380V로 정상적이었으며, 주파수 또한 60HZ로 이상이 없었다.

1 . 현 황

가 . 고장상태

과거에도 전원정전에 의해 수차례 비상발전기로의 절체운전을 한 사례가 있었으나 사용에 아무지장이 없었다. 그러나 이번의 경우는 발전기를 가동하여 정격전압 정격주파수를 확인하고 한전 전원을 발전기 전원으로 절체한 후 전화교환장치, 컴퓨터, TV, 조명기구등 전기기기와 ELB(무부하 상태의 회로 포함) 가 다량 소손하였으며 백열구의 밝기가 심하게 변동되고 일부형광등은 반점등(형광전구가 점등되지 못하고 어른 거림)상태로 되었다.

나 . 전력 계통 및 설비



2 . 원인 분석

비상용 발전기가 운전되어 전압과 주파수가 유지되고 있는 상태에서 한전을 개방함과 동시에 부하측 배선을 발전기로 절체하므로 운전중인 냉동기모터의 잔류전압과 발전기 위상이 일치하지 않게 될 때 최악의 경우 정격 전압의 2배인 760V(380×2=760)의 전압으로 모터를 기동할 때와 같은 크기의 전류가 흐르게 된다. 이때 중성선에도 부하 불평형에 의한 전류가 평상시 2배(부하 임피던스일정으로 간주)정도가 흐르게 되고 전류가 접촉되는 순간에 arc가 발생되고 ATS중성선의 접촉단자에 접촉불량이 발생되어 중성선이 개방된 상태가 되고 380V선간에 220V부하가 직렬로 연결된 것이 된다.

이럴 경우 경부하인 단자의 전압은 상승하게 되고 중부하인 쪽은 감소하게 되며 경부하쪽 부하에는 이상이 발생하게 되므로 스위치를 Rm거나 고장으로 회로가 개방(전구용단 등)되게 되며, 전압불평형은 점점 심화되어 종래에는 경부하쪽 전기기기가 거의 모두 손상되게 되는 것이다.

또한 무부하인 회로의 ELB가 파손된 것은 ELB내부에 영상전류를 검출하여 누전시 차단 시키기 위한 제어요소에 상전압이 가압되므로 경부하측의 ELB제어장치가 폭발하여 파손된 것이다.

3 . 대 책

가. 부하 배분의 평형화

나. A.T.S 및 개폐기의 접지극이 투입시는 전압극보다 먼저 투입되고 개 방시는 늦게 개방되는 타입의 사용

다. 비상발전기는 운전상태에서 ATS절체를 피한다.

라. 1ψ3W식의 경우 Balancer를 설치한다.

마. ATS 및 개폐기류의 접촉단자 정기 점검.



4 . 관련 기술


< 그림 2 위상차 90°>

가. ATS 절체순간 전압 전류 변화상태

< 그림 3 위상차 180°>
▶ 발전기 단자전압과 부하의 잔류 전압의 상차가 180°일 경우 최대전압 760V(380×2=760)의 전압이 가압되게 되며 상전압 (중성선과 상간의 전압)도 가 가압되게 된다. (그림 3 참조)

▶ 발전기 단자전압과 부하단자의 잔류전압상차가 90°일 경우는 ATS 절체후 발전기가 기동되어 부하에 전력을 공급(수초간 무전압 상태) 하는 경우와 동일한 상태로 되고 부하에는 정격 전압 380V/220V가 인가된다. (그림 2참조)

나. 중성선 단선에 의한 이상전압 발생

1) 3상4선식

    가) 정상회로의 상별 전압 및 전류흐름도 (부하불평형 3:1 경우)

<그림 4>

    나) 중성선 단선시 전압 및 전류흐름도

<그림 5>

      ▶중성선이 단선되면 220V는 없어지고 380V만 존재하게 된다.

      ▶N상으로 전류가 흐르지 못하고 A상에서 부하를 직렬로 통하여 B상으로 흐르게 된다.

    다) 부하의 직렬배치 상태와 전압 (부하량의 불균형)

<그림 6 >


     ▶각 상과 중성점 N과의 임피던스는 A상의 부하와 B상의 부하에 반비례하는 임피던스가 직렬로 되어 380V 연결된 것과 같다.

    라) 상별 저항차에 의한 이상전압의 발생

<그림 7 >

    마) A상 부하에 인가 전압

      ▶B상 부하에 인가전압

    바) 중성선 단선시의 이상전압 발생정도

      ▶ 부하가 평형되게 분배되었을 경우 1ψ3선식에서는 각상 전압의 변동이 없이 220V로 되게 되지만 3ψ4선식의 경우는 평형부하인 경우에도 전압이 변하게 되며 중성선이 연결된 상태에서는 220V로 중성선과 양측전압선간의 전압이 220V로 동일하지만 중성선이 단선되면 중성선과 양측 전압선간의 전압이 모두 190V로 저하하게 되어 사고를 유발하지는 않게 되지만 부하 개폐의 시차 등으로 불평형이 발생하게 되며 경부하측 부하의 단선등으로 점점 불평형은 심화되게 되고 종래에는 경부하측 기기가 거의 모두 손상되게 될 것이다.

      ▶ 펑형부하배분의 경우

- 평상시
N - A = 220
N - B = 220

- 중성선 개방시
N - A = 190
N - B = 190

   
<그림 8  3상4선식 배전>

      ▶ 평형부하 배분의 경우

- 평상시
N - A = 220V
N - B = 220V

- 중성선 단선시
N - A = 220V
N - B = 220V

   

<그림 9  1상3선식>

      ▶ 1상3선식의 a′b′의 부하분배가 3상4선식과 같은 조건 즉 3 : 1로 될 경우 전압 불평형은 아래와 같다.

즉 1상3선식의 경우 3상4선식의 경우 보다 큰 이상전압이 인가되게 된다.

5 . 결 론

ATS는 한전정전 등 대개의 경우 비상시에 절체되게 되며 예고없이 절체되는 경우가 대부분이며 접지극에 접촉 불량이 생기면 심한 전압 불평형으로 당황하게 된다. 그러나 이 경우 우선 조명설비에 심한 변화(밝고 어둡고)하게 되므로 이런 경우는 중성선 고장으로 판단하고 전원을 내린 후 침착하게 확인하여 조치하는 것이 필요하며 ATS등 개폐기는 접지극이 전압극보다 먼저 투입되고 늦게 개방되어 접지극에서는 arc가 거의 발생하지 않게 되어 접촉상태를 양호하게 유지할 수 있는 타입의 개발품을 채택하는 것은 좋은 방법이 될 수 있을 것이다.

[알콘스]

잘 보이가 안습니다.