10. 모선보호반(RCP) 모선보호방식(전류비율차동계전 & 전압차동계전)

@보충설명

우리나라 변전소 모선보호 방식에는 주로 차동보호 방식을 적용한다.

전류차동방식은 변류기와 계전기의 오차로 인해 오동작 가능성이 있어 우리나라 모선보호방식으로 채용하지 않는다.

이러한 단점을 보완한 것이 바로 전류 비율차동방식이며 이를 우리나라 154kV 모선보호방식으로 채용하며,

345kV에서는 154kV에 적용하는 전류 비율차동방식보다 신뢰성이 더 높은 전압차동방식을 채용하고 있다.

이번 글에서는, 왜 전압차동방식이 신뢰성이 높은지에 대해 중점적으로 살펴볼 예정이다.

 

1. 개요

    전력계통에서 전력은 모선에 집중되고 다시 선로를 통해 분배되는 흐름을 갖고 있다.

    모선에서 고장이 발생하는 경우 고장의 파급은 변전소 전체 및 전계통으로 확대되므로,

    적절한 모선보호방식에 의해서 신속히 고장이 검출되어 고장으로부터 계통이 분리되어야 한다.

 

    □ 모선보호 방식 종류

        - 전류차동 방식

        - 전류 비율차동 방식 (한전 154kV 모선보호방식)

        - 전압차동 방식 (한전 345kV 모선보호방식)

        - 공심 리액터 방식 

        - 위상비교 방식

 

2. 모선보호 방식

    1) 전류차동 방식

        전류차동회로를 만들어서 고장을 검출해내는 방식으로,

        CT와 계전기의 오차로 인한 불평형에 의해 오동작의 가능성이 있어, 우리나라 모선보호방식에 적용되지 않는다.

        즉, 너무 민감한 방식이라서 디지털계전기에서도 완벽히 오차가 없을 수는 없기 때문에 

        이러한 단점을 개선한 방식이 바로 전류 비율차동방식으로, 기존 전류차동방식에 억제코일을 추가한 방식이다.

        즉, 오차에 의해 흐르는 아주 작은 차전류(불평형)에 대한 억제코일에서의 억제전류가

        동작코일에서의 동작전류와의 비율에서 일정수준 이상이면 동작하게 하는 방식이 전류 비율차동 방식이다.

 @위 보충설명

전류차동 방식은 1과 같이 내부고장 시 차전류로 인해 동작코일이 여자돼서 계전기 동작을 하게 되지만,

2와 같은 외부고장 혹은 정상상태의 경우 전류의 크기는 동일할테니 차전류는 없어야 정상이나,

CT와 계전기가 갖는 오차로 인해 아주 작은 차전류가 흐를테고, 이로 인해 오동작 가능성이 있다는 것이다.

이를 방지하고자 억제코일 RC를 달아서 비율을 통해 동작 여부를 결정하는 것이 전류 비율차동 방식이다.

 

    2) 전류 비율차동 방식

        전류차동 방식을 개선한 방식으로, 각 선로마다 CT를 설치하고 동상 간을 병렬로 결선하여

        동작요소(OC)와 억제요소(RC)를 두어, 그 비율을 정하여 동작 여부를 결정하는 방식이다.

        이 방식은 외부에 사고가 발생하게 되면 고장전류가 그 선로에 집중되게 되므로

        해당 선로 측 CT가 포화될 가능성이 있고 이로 인해 오동작할 우려가 있는 방식이다.

        고장전류가 클수록 CT포화를 고려하여 동작 비율을 다르게 정정해서 사용해야 한다.

        그리고, PCM전류차동방식이 전류차동방식이 아닌 전류비율차동방식을 말하는 것이다.

 

@좌 보충설명     보호범위 구간인 BUS(모선)에서 사고가 발생하면 차전류로 인해    비율차동계전기는 정상적으로 동작할 것이다.    그런데, 만약 좌 그림처럼 보호범위 외부에서 사고가 발생할 경우    모든 전류는 1번 선로로 흐를 것이고 이로인해 1번선로의 1번 CT는    굉장히 큰 전류로 인해 포화될 가능성이 높다.     포화가 안되면 상관이 없는데, 만약 포화가 된다고 가정해보자.    그럼 나머지 2,3,4,5,6 CT는 자기 전류가 흐를테니 포화가 안될거고    1번 CT만 포화될 것이기 때문에, 이를 두 개의 CT로만 나타내면    다음의 그림과 같을 것이다.

@좌 보충설명     1번 선로에 고장이 발생할 경우, 1번 CT에 흐르는 1차전류와    2,3,4,5,6 병렬합성 CT에 흐르는 전류는 똑같을 것이고,    그 상태에서 만약 1번 CT가 포화가 안됐다면 1번 CT의 2차전류와    2,3,4,5,6 CT의 2차전류는 같을 것이기 때문에 차전류가 없어서    계전기 동작을 안할 것이다. 그렇지만 만약 1번 CT가 포화됐다면    2,3,4,5,6 CT의 2차전류는 변류비에 의해 적절한 값이 나오지만    포화된 1번 CT의 2차전류는 정상적인 변류비보다 작은 2차전류값이    나온다. 결국 같은 1차전류가 흐르더라도 1번 CT는 포화됐기 때문에    2차전류값이 2,3,4,5,6의 2차전류값보다 작아서 차전류로 인해    불평형이 나타나서 87계전기가 동작할 우려가 있는 것이다.

        그래서, 전류차동 방식의 오동작 가능성에 대비한 위와 같은 전류 비율차동방식이라 하더라도

        위 보충설명처럼 CT가 포화될 경우 오동작의 가능성이 여전히 존재하기 때문에

        전류 비율차동방식은 154kV에서만 모선보호방식으로 적용을 하고,

        좀 더 높은 신뢰성이 요구되는 345kV에서는 전압차동방식을 적용하고 있다.

        그렇다면, 전압차동방식은 전류비율차동방식이 갖고 있는 오동작의 가능성까지 대비하는 방식이란 것을 유추할 수 있다.

        · 전류차동방식의 오동작 가능성 : CT, 변류기 자체의 오차로 인한 차전류 발생

        · 전류 비율차동방식의 오동작 가능성 : 억제코일로 전류차동방식의 오동작 가능성에 대비한 방식이라 하더라도

                                                                                       CT가 포화될 경우 차전류 발생

 

    3) 전압차동 방식 (고임피던스 방식)

         앞서 살펴본, 전류 비율차동방식 계전기의 동작코일(OC)은 저임피던스인 반면에 전압차동방식 계전기의 

         동작코일(OC)는 의도적으로 임피던스를 매우 크게 만든 것이다. 결론적으로, 오동작을 막기 위함이다.

         이 방식은 계전기의 임피던스가 1,000~3,000Ω로 매우 커서, 고장선로의 CT가 포화가 됐다 하더라도

         차전류가 생기지 않으므로 계전기의 오작동을 방지하는 계전방식이다.

         이 방식은 오동작의 가능성이 거의 없다시피 한 신뢰도가 가장 좋은 방식이기 때문에

         우리나라 345kV 변전소에서, 1 계열이든 2 계열이든 모선보호에 주로 적용하는 방식이다.

         이 방식은 신뢰성을 보다 더 높이기 위해, 단락사고 고장검출계전기인 저전압계전기(27)와 AND조건으로 동작시킨다.

         그러면, 동작코일 임피던스가 높으면 어떻게 차전류가 생기지 않아 계전기가 오동작하지 않는 것인지 살펴보자.

 

@보충설명.1 (모선 내부고장시 동작원리)

   우선 아래와 같이 변류기의 등가회로부터 그려보자.

   변류기의 일반회로에서, 1차측 전류가 흐르고 변류비에 의해 이상적인 2차측 전류가 흐를 것이다.

   2차전류는 계전기로 들어갈 실제 전류와 여자임던스로 여자전류의 합이 될 것이다.

   그리고 Rct 임피던스가 있을 것이다. 원래는 Rct 성분과 Xct 누설리액턴스성분이 같이 있는데, 작아서 무시해도 좋다.

   CT는 전류원이기 때문에 아래와 같은 등가회로를 그릴 수 있다.

@보충설명.2 (모선 내부고장시 동작원리)

   실제와 유사한 모델에서 모선 내부사고시 등가회로는 아래와 같다.

   그리고 보호에 쓰이는 이러한 CT들은 정격과 부담 클래스 등 모두 동일한 CT를 사용한다.

  ②는 전류원 각 6개 CT의 합성치를 나타낸 것이며, 각 CT의 여자임피던스를 병렬로 합성된 것이 ③이다.

   그리고 저항성분과 누설리액턴스가 병렬로 합성된 임피던스가 ④이고, 부하인 계전기는 고임피던스 ⑤이다.

   그래서 ⑤는 차동회로이기 때문에 ①과 같이 내부에서 사고가 발생하면 차전류가 유입돼서 

   차전류가 얼마든지 간에 계전기는 고임피던스이기 때문에 굉장히 큰 전압이 걸려서 비로소 동작하게 된다.

   그래서 전압차동방식 이라고 하는 것이다.

   내부사고가 발생하면 큰 전류가 고임피던스에 그대로 곱해져서 굉장히 큰 전압이 걸리므로 

   계전기가 과전압으로 소손될 우려가 있기 때문에, 이 전압을 낮춰줄 수 있는 ⑥(ZnO소자)를 병렬로 넣어준다.

   이를 MOV라고 하는데 한마디로 말하면 피뢰기다. 전압이 높아지면 이 소자가 동작해서 병렬 합성 저항값은

   둘 중 작은 값보다 작게 되므로, 결과적으로 합성 저항치를 확 낮추게 하므로 높은 전압이 걸리는 것을 제한해 준다. 

[그림] 모선 내부사고시 등가회로

   내부사고가 발생하면 고임피던스 계전기로 아주 큰 차전류가 유입되는데, 임퍼던스가 매우 크기 때문에

   차전류가 유입되자마자 고전압이 발생하고, 이때 굉장히 큰 전압이 걸리기 때문에 CT회로는 개방된 것과

   다름없는 상태가 된다. 일반적으로 변류기는 회로가 개방되면 아래와 같이 굉장히 큰 서지전압이 발생하게 된다. 

   바로 이러한 이유 때문에 부하임피던스(계전기 임피던스)가 커지면 커질수록 CT의 과전류정수가 낮아져서

   굉장히 빨리 포화가 되는 것이다.

   즉, 변류기는 바로 포화가 돼서 아래와 같이 스파이크 모양을 띈 서지 형태로 서지전압이 나타나게 되는데,

   이러한 서지 과전압에 의한 계전기 소손을 막기 위해서 병렬로 MOV와 같은 전압제한장치를 삽입해 주어야만 한다.

   그러면 이 전압제한장치가 스파이크 전압을 일정부분 제한하게 되고,  

   아날로그 값인 이 측정전압값들을 디지털계전기(87)가 필터링하고 디지털화해서

   자체 연산을 통해 연산된 값이 설정치 전압보다 크게 되면 계전동작을 하게 되는 것이다.

[그림] 변류기 포화시 스파이크전압 발생 현상과 디지털계전기의 설정치 및 연산

   그러면, 도대체 왜 전압차동방식은 보호범위 외부에서 사고가 발생하고, CT까지 포화되는 경우라 하더라도

   계전기가 오동작하지 않는지 살펴보자.

 

@보충설명.3 (외부고장시 CT포화에도 오동작 하지 않는 이유)

   외부사고가 발생할 경우, 어느 CT도 포화가 되지 않는다면 차동회로로 차전류가 유입하지 않으므로

   계전기는 동작하지 않고 결론적으로 오동작할 우려가 없다.

   그런데 만약! 고장선로의 해당CT가 포화가 된 경우라고 가정하면, 전류 비율차동방식인 경우에는 외부 사고에도

   오동작할 우려가 있을 텐데, 바로 이 전압차동방식에서는 동일한 경우에도 오동작할 우려가 없다는 것이다.

   왜 그럴까 살펴보자.

 

   우선, CT는 포화가 되면 아래와 같이 임피던스가 거의 0에 가까워진다는 사실이 핵심 포인트이다.

[그림] 변류기 자화곡선

   즉, 고장선로의 해당 CT가 완벽하게 포화됐다 가정할 경우, 해당 CT의 임피던스는 제로(단락상태)와 같게 된다.

[그림] 모선 외부사고시 등가회로

[그림] 모선 외부사고시 등가회로

   위와 같이 외부에서 사고가 발생하고 고장선로의 해당 CT까지 포화됐다 가정하고 등가회로를 그려보자.

   ①은 포화된 CT에 대한 등가회로이며,

   ②는 나머지 선로의 정상적인 CT에 대한 합성 등가회로이다.

   포화된 CT의 여자임피던스는 위 변류기 자화곡선에서 볼 수 있듯이 제로에 가깝게 되어 단락회로와 마찬가지가 된다.

   대신, 포화된 CT의 권선저항과 누설리액턴스는 그대로 등가회로에 남겨둔다.   

   나머지 5개(n-1)의 정상적인 CT의 등가회로는 위와 같이 1/5인 병렬합성 여자임피던스, 저항, 누설리액턴스가 된다.

   이러한 등가회로에서, 고장이 발생하면 분명히 불평형으로 인해 차전류가 발생하고, 87계전기로 차전류가 유입될 것인데

   고임피던스(수천Ω)이다보니 차전류가 계전기내부 차동 동작코일로 흘러들어가지 못하고 포화된 CT의 단락회로

   0Ω 쪽으로 흐르게 돼서 차전류는 등가회로를 겉돌게 돼서 계전기의 오동작의 가능성이 없는 것이다.

   결국 고임피던스(개방) VS 0Ω(단락상태) 이므로 고임피던스인 차동회로로 차전류가 들어가는 것을 억제해 준다. 

   전류비율차동방식의 경우, 차동 동작코일의 임피던스가 저임피던스이기 때문에 아무리 고장선로의 CT가 포화됐다

   하더라도, 완벽히 포화되어 단락상태까지 가버리지 않는 한 저임피던스인 동작코일과 어느정도 비슷한 저항값을

   가질 수 있으므로, 전압차동방식처럼 전류가 완벽히 한쪽으로만 흐를 수 있는 구조가 아니게 된다. 즉 차전류가

   저임피던스인 동작코일로도 일부 유입이 돼서 오동작할 가능성이 있다는 것이다.

   반면에 전압차동방식은 고임피던스를 사용함으로써 차전류가 아예 흘러들어가지 못하게 만든 방식이므로,

   포화된 CT를 상대적으로 완벽히 단락상태로 만들어버릴 수 있기 때문에, 차전류가 전혀 동작코일로 유입되지 않는다.

   이러한 원리로, 전압차동방식은 외부사고에도 보호범위에 있는 모든 CT들의 전류가 동일하기 때문에 차전류가 

   발생하지 않아 오동작할 일이 없고, 설사 고장선로의 CT가 포화된 경우라 하더라도 전류비율차동방식과는 다르게

   동작코일이 고임피던이기 때문에, 포화로 인한 차전류가 발생하더라도 동작코일 쪽으로 차전류가 흘러들어갈 수 없는

   구조인 것이다.

   하지만, 완벽하게 전류가 유입되지 못하는 것은 아니다. 아주 작은 차전류가 유입될 것이다.

   왜냐면 변류기가 100% 포화돼서 100% 임피던스가 제로가 된다는 보장도 없고 실제 완벽히 그렇게 되지는 않는다.

   그래서 아주 작은 미세한 차전류가 동작코일에 흘러들어가긴 하는데, 계전기에서 설정한 설정 전압값 이하일 테니

   동작하지 않는다는 것이다.

 

   즉, 신뢰성이 가장 높은 모선보호 방식으로 우리나라에서 적용되고 있는 이유는 바로 이러한 원리에서 비롯된다.

 

 

4) 공심 리액터 방식 

     변류기의 포화 문제로 인해서 오동작을 방지하기 위해 철심이 없는 공심 리액터를 사용한 방식이다.

     철심을 사용하지 않으니 포화가 되지 않는다는 장점이 있지만, 감도가 너무 낮아서 잘 사용하지 않는다.

[그림] 공심 리액터 방식