전기산업기사 필기, 페란티 현상 보호계전기 종류 및 설명 등 개념 모음

전기산업기사 필기, 페란티 현상 보호계전기 종류 및 설명 등 개념 모음

1. 페란티 현상 (Ferranti Effect)

(1) 개념

• 송전선로에서 부하가 적거나 무부하 상태일 때, 수전단 전압(Vr)이 송전단 전압(Vs)보다 높아지는 현상
• 주로 장거리 송전선에서 발생

(2) 원인

• 송전선은 **R(저항)**보다 L(인덕턴스)와 C(정전용량) 성분이 크므로, 선로의 정전용량 효과가 증가
• 부하가 적으면 선로의 리액턴스 성분이 영향을 미쳐 수전단 전압이 상승

(3) 해결 방법

• 직렬 리액터 설치하여 전압 상승 억제
• 분로 리액터(Shunt Reactor) 설치하여 선로의 무효전력을 보상

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2. 보호계전기 종류 및 설명

보호계전기는 전력 시스템의 이상 상태를 감지하고 차단기(Breaker)를 동작시켜 전력 설비를 보호하는 역할을 함.

(1) 보호계전기의 주요 분류

과전류 계전기 (OCR, Over Current Relay)	설정값 이상의 전류 발생 시 동작	배전선로 및 변압기 보호
지락 계전기 (GR, Ground Relay)	지락(단락) 발생 시 동작	배전선로, 변압기 보호
거리 계전기 (DGR, Distance Relay)	고장점과의 거리(임피던스) 변화 감지	송전선 보호
전압 계전기 (OVR, UVR, Over/Under Voltage Relay)	과전압(OVR) 또는 저전압(UVR) 발생 시 동작	발전기 및 송전선 보호
주파수 계전기 (OFR, UFR, Over/Under Frequency Relay)	주파수 이상(과주파 또는 저주파) 발생 시 동작	발전기 보호 및 계통 안정화
역전력 계전기 (RPR, Reverse Power Relay)	발전기의 역전력 흐름 감지	병렬운전하는 발전기 보호
비율 차동 계전기 (DPR, Differential Relay)	변압기, 발전기의 내부 고장 검출	변압기, 발전기 보호
부하 개폐 계전기 (LCR, Load Control Relay)	특정 부하 이상 발생 시 동작	산업용 부하 보호
단락 보호 계전기 (SIR, Short-circuit Relay)	단락 사고 발생 시 신속 차단	송배전선 보호

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3. 정리

• 페란티 현상: 무부하 또는 경부하시 송전선의 정전용량 효과로 인해 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상
• 보호계전기: 송전·배전·발전 설비의 이상 상태를 감지하고 보호하는 역할을 수행
  • 과전류 계전기(OCR) → 과부하 및 단락 보호
  • 거리 계전기(DGR) → 송전선 고장 거리 검출
  • 비율 차동 계전기(DPR) → 변압기 및 발전기 보호

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교류(AC)와 직류(DC)의 차이

1. 교류(AC, Alternating Current)란?

• 전류의 방향과 크기가 주기적으로 변하는 전기
• 주로 가정용 전기(220V), 산업용 전기, 송전선에서 사용됨
• 대표적인 교류 전원: 콘센트 전기, 발전기에서 나오는 전기

✔ 특징

• 전류가 +방향과 -방향으로 계속 바뀜 (예: 한국 전력망은 60Hz → 1초에 60번 방향이 바뀜)
• 송전할 때 전압을 쉽게 높이고 낮출 수 있어 장거리 송전에 유리
• 변압기를 사용하여 전압을 쉽게 조정 가능

✔ 파형

• 대표적인 파형은 사인파(정현파)
• 수학적으로 V = Vmax × sin(ωt) 형태

✔ 예시

• 집에서 사용하는 전기(220V)
• 공장, 회사에서 쓰는 산업용 전기
• 발전소에서 만든 전기를 송전할 때

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2. 직류(DC, Direct Current)란?

• 전류의 방향과 크기가 일정한 전기
• 배터리, 태양광 발전, 전자기기에서 주로 사용됨
• 대표적인 직류 전원: 건전지, 휴대폰 배터리, 자동차 배터리

✔ 특징

• 전류가 항상 한 방향으로 흐름
• 전압 변환이 어렵고, 송전 시 에너지 손실이 많아 장거리 송전에 불리함
• 하지만 전자기기(휴대폰, 노트북, LED 등)에서는 직류가 필수

✔ 파형

• 직선 형태 (전압이 일정)
• 예: 5V, 12V, 24V 등

✔ 예시

• 건전지, 스마트폰 배터리
• 태양광 발전(패널에서 나오는 전기는 직류, 변환 후 가정에서 사용)
• 컴퓨터, LED 조명, 전자기기 내부 회로

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3. 교류 vs 직류 비교

구분	교류(AC)	직류(DC)
전류 흐름	방향이 계속 바뀜	한 방향으로 일정하게 흐름
송전 특징	변압기로 전압 조절 가능 → 장거리 송전 유리	장거리 송전 시 손실이 큼
사용 예시	가정용 전기, 공장, 송전선	배터리, 전자기기, 태양광 발전
대표 전원	발전소(한전 220V)	건전지, 스마트폰 배터리
변환	변압기로 전압 조절 가능	변압기 사용 어려움, AC → DC 변환기(어댑터) 필요

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4. 교류와 직류 변환

✔ 교류 → 직류 변환 (AC → DC)

• 스마트폰 충전기, 노트북 어댑터가 AC를 DC로 변환

✔ 직류 → 교류 변환 (DC → AC)

• 태양광 인버터, 자동차 인버터가 DC를 AC로 변환

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5. 결론: 어디에 쓰일까?

• 집에서 사용하는 전기(콘센트) → 교류(AC)
• 스마트폰, 노트북, 배터리 → 직류(DC)
• 송전과 배전(장거리 전기 공급) → 교류(AC)
• 전기차, 전자기기 내부 회로 → 직류(DC)

 

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1. 와류손 (Eddy Current Loss)

(1) 개념

• 변압기, 전동기, 발전기 등의 철심(코어) 내부에서 발생하는 불필요한 전류 손실
• 교류(AC) 전원이 흐를 때, 자기장의 변화로 인해 철심 내부에서 **와류(소용돌이 전류, Eddy Current)**가 형성됨
• 이 전류가 저항 성분과 만나 열로 변하면서 에너지가 손실됨

(2) 원인

• 철심 내부에서 자기장의 변화로 인해 유도 기전력이 발생
• 이로 인해 불필요한 전류(와류)가 철심 내부에 흐름

(3) 영향

• 철심의 발열 증가 → 변압기나 전동기의 효율 저하
• 에너지 손실 증가 → 경제적 손실 발생

(4) 감소 대책

✔ 규소강판(Silicon Steel Sheet) 사용

• 철심을 규소(실리콘)가 포함된 강판으로 제작하면 저항이 증가하여 와류손이 감소

✔ 철심을 얇은 적층 구조로 제작

• 철심을 얇은 강판을 여러 장 겹쳐 절연층을 삽입하여 적층하면 와류 발생을 줄일 수 있음
• 일반적으로 변압기 코어는 0.35mm 이하 두께의 적층 철심 사용

✔ 절연 코팅 처리

• 강판 사이에 절연 코팅을 하면 와류의 흐름을 더욱 방해하여 손실을 줄일 수 있음

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2. 역섬락 (Back Flashover)

(1) 개념

• 송전선로의 철탑(타워)에서 발생하는 이상 방전 현상
• 낙뢰(번개)가 철탑을 타격했을 때, 철탑과 대지 사이에 높은 전압이 발생하여 절연을 파괴하고 애자가 아닌 송전선 자체로 전류가 흐르는 현상

(2) 원인

• 철탑에 낙뢰가 떨어지면 접지 저항에 의해 철탑의 전위가 급상승
• 송전선(도체)과 철탑(접지) 사이에 전위 차가 생겨 애자를 통해 역방향 방전이 발생

(3) 문제점

• 송전선로 고장 및 차단기 동작 유발
• 설비 손상 및 정전 발생

(4) 방지 대책

✔ 애자의 절연강도를 높임

• 애자의 길이를 늘리거나 절연 성능이 높은 애자를 사용

✔ 접지 저항을 낮춤

• 철탑의 접지 저항을 줄이면 낙뢰에 의한 전위 상승이 줄어들어 역섬락 발생 가능성이 낮아짐
• 접지봉을 추가하거나 접지 개선(깊이 매설, 접지재 사용 등)

✔ 가공지선 설치

• 가공지선(피뢰선, Shield Wire)을 철탑에 연결하여 낙뢰를 직접 송전선에 맞지 않게 함

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3. 정리

• 와류손(Eddy Current Loss):
  • 변압기, 전동기 철심에서 발생하는 불필요한 전류 손실
  • 철심 적층, 규소강판 사용, 절연 코팅 처리로 감소 가능
• 역섬락(Back Flashover):
  • 철탑에 낙뢰가 떨어져 철탑과 송전선 간 절연이 파괴되는 현상
  • 접지 저항 감소, 절연강도 향상, 가공지선 설치로 방지 가능