@보충설명
변압기, 발전기, 송전선로, 모선, 분로리액터 등 중요설비를 보호하는데 쓰이는 전류 차동계전기 원리를 살펴보자.
전류 차동계전기 방식은 CT와 계전기가 갖는 오차로 인해 외부고장 혹은 정상상태에서도 차전류의 발생으로
인해 오동작의 가능성이 있기 때문에 전류 비율차동계전방식을 적용한다.
아래 그림.1의 왼쪽 그림과 같이 1차 전류는 서로 같을 테니 2차에서 차전류가 발생하지 않아야 하는데,
현실에서는 오차로 인해 2차전류의 값이 서로 정확히 같지 않으므로 차전류가 발생해 오동작의 원인이 된다.
전류 비율차동계전방식은 위와 같은 전류 차동계전방식의 오동작을 막기 위해 억제코일을 추가한 계전기로,
억제전류와 동작전류의 비율에 따라 동작 여부가 결정되는 방식이다.
CT 극성점을 주의해야 한다.
보호 대상을 중심으로 양쪽에서 보호한다는 개념으로 보호대상 양측 바깥쪽에 극성점을 둔다거나,
전원 측은 전원 측 방향에 극성을 두고 부하 측은 부하 측 방향에 극성을 둔다는 개념으로 기준을 잡으면 된다.
본인은, 보호대상을 중심으로 양쪽에 극성을 두는 것으로 잡겠다.
계전기 또는 설계회사마다 CT극성을 반대로 뒤짚어서 적용하기도 하므로 위 그림. 1을 기준으로 개념을 잡자.
즉, 외부고장시 또는 정상상태시 계전기로 유입되는 전류의 크기는 같지만 극성점 기준으로 방향이 서로 반대가 되어
180˚ 위상차가 생기므로 합성값은 0 이 되어 계전기동작을 하지 않게 되는 것이고, 보호범위 내부 고장 시
계전기에 유입되는 전류의 크기는 반드시 다를 수밖에 없고 극성점 기준으로 방향이 서로 같게 되어 동상이 되므로
합성값은 더해지게 되어 계전기동작을 하게 되는 것이다.
디지털계전기라면 합성시 더할 수도 있고 뺄 수도 있게 셋팅하면 되지만, 아날로그계전기는 두 전류의 합으로 계산한다.
1. 개요
CT의 오차뿐만 아니라, 변압기보호에 쓰이는 비율차동계전기의 경우는 1차 전압과 2차 전압이 다르고,
같은 종류의 CT를 쓸수가 없어 변류비도 다를 것이므로 CT비의 부정합이 발생한다.
그래서, 변압기보호에 쓰이는 비율차동계전기는 CT비의 부정합에 대한 오차도 포함되는 것이다.
이러한 이유로, 정상적이거나 내부고장인 경우에도 차전류가 발생하여 계전기가 오동작하는 것을 막기 위해
억제코일(RC: Restrain Coil)을 설치해서 억제전류에 대한 차전류의 비율이 설정한 값 이상에서만 동작할 수
있도록 만든 계전기다.
변압기, 발전기, 송전선로, 모선, 분로리액터 등의 주보호에 사용된다.
아래 그림.2와 같이 동작코일(OC: Operating Coil)에는 차전류가 발생해야 흐를 수 있는 반면,
억제코일(RC)에는 늘 2차전류가 그대로 흐를 수밖에 없으므로 늘 억제력이 작용한다.
그러다 2차전류의 차이로 인해 차전류가 발생하면 동작코일에도 차전류가 흐르게 되고 이로 인해 동작력이 발생한다.
이 때, 동작력이 억제력보다 더 클 경우에만 Trip Circuit으로 트립신호를 내보낼 수 있는 방식이다.
그래서 아날로그계전기인 경우는 동작력과 억제력의 비율을 보는 것이지만,
디지털계전기의 경우는 동작전류와 억제전류 크기의 비율로 동작 여부를 결정한다.
2. 동작원리
그림. 3을 보며, 정상시 또는 외부사고시와 내부사고시 동작 원리에 대해서 알아보자.
극성방향을 잘 기억하고, 차전류는 벡터합이며 억제전류는 스칼라합이란 것을 유념하자.
3. 동작특성
· Minimum pick-up 값은,
변압기에선 여자전류가 1차측에만 흐르므로 이로 인한 차전류, 그리고 상시오차(CT오차, OLTC/ULTC 오차 등)
에 동작하지 않도록 차전류의 최소전류치를 설정한다.
그래서, 비율이 아무리 동작 설정치 이상이라 하더라도 최소한 어느 전류값은 넘어야지만 동작할 수 있도록
최소픽업값을 세팅해주게 된다.
(ex. 정정범위: 0.2~2.5A)
· Slope1(25~35%)은 여자전류(1%), CT오차(5%, 5%), ULTC탭조정 오차(±10%), 그리고 변압기에서만
발생하는 오차에 해당하는 CT비 부정합(10%), 그리고 계전기 오차(5%)등을 고려한 비율로 설정해서,
각 오차요인에 의해 계전기가 오동작하지 않도록 한다.
*참고로, 여자전류는 변압기 정격전류의 2% 내외로 흐른다.
(ex. 정정범위: 5~100%)
· Slope2(60~80%)는 대전류 영역의 정정 비율로서, 외부고장시 변류기 포화에 의한 차전류에 의해 계전기가
오동작하지 않도록 동작감도를 낮추는 방향으로 설정한다. 일반적으로 Slope1의 2배 정도로 설정한다.
변압기 1차측과 2차 측의 CT는 전류비가 다르기 때문에 같은 종류의 CT가 아니며, 변압기 전단에서든 후단에서든
고장발생시 흐르는 고장전류에 의해 한쪽 CT만 포화가 되고 다른쪽 CT는 포화되지 않아 차전류가 발생할 수 있다.
그렇기 때문에, 대전류 영역에서는 이러한 부분까지 감안해서 동작특성 기울기를 더 크게 만들어, 더 많은 차전류에도
오차가 더 많이 포함되었을 가능성이 높다는 것을 감안하여 동작곡선 기울기를 높여 오동작 가능성을 낮추는 것이다.
(ex. 정정범위: 20~200%)
· 변압기의 경우, 정격전류의 8~12배에 해당하는 여자돌입전류가 발생하는에 이는 1차측에만 흐르기 때문에
1차측과 2차측의 차이로 인한 차전류가 발생하게 된다. 1차측에만 흐르는 여자전류의 경우 정격전류의
2% 내외로 아주 작은 전류인 반면, 여자돌입전류는 정격전류의 8~12배 이며, 1차측 한쪽에만 흐르기 때문에
당연히 2차측과 차이가 발생해서 오동작하게 되는 원인이 된다.
여자돌입전류의 파형은 그림. 5와 같은데, 이 파형을 분석해 보면 대부분 2고조파와 4고조파가 포함되어 있다.
즉, 여자돌입전류로 인한 오동작을 막기 위해 2, 4고조파가 어느정도 이상 포함되어 있으면 동작하지 않도록 설정한다.
그래서 2, 4고조파에 대해 10~20%이내로 설정하여, 설정값 이상 포함된 것으로 감지되면 동작하지 않도록 한다.
(ex. 정정범위: 5~40%)
· 정격전압에서는 정격전류의 1%, 2% 내외로 아주 작은 여자전류가 흐르지만, 정격전압이 높아지면 그림. 6과 같이
정격전압보다 과전압이 걸리면 여자전류가 늘어나도 포화상태가 돼버리는, 즉 임피던스가 거의 0에 가까워 지기 때문에
같은 전압이 걸리더라도 훨씬 큰 여자전류가 흐르게 되는 것이다.
즉, 1차측에 과전압이 걸리면, 여자전류는 정격전압 및 정격전류의 1%가 아니라, 상당히 많은 여자전류가 흐르게 되고
1차측 전류만 커져서 차전류가 발생하고 정해진 비율보다 커져서 오동작하게 된다는 것이다.
결론적으로, 변압기가 정격전압보다 높아지면 과포화가 돼서 여자전류가 훨씬 크게 흐른다. 그리고 그 파형에서
5고조파가 많이 포함되어 있다는 사실에서, 5고조파 함유량을 검출해서 계전기가 동작하는 것을 막는다.
- 과여자에 의해 발생하는 5고조파 동작억제: 30% 정도 설정
(ex. 정정범위: 5~40%)
@보충설명
발전기보호 같은 경우 변압기와 달리 여자돌입전류가 없으므로 2, 4고조파를 검출해서 동작억제할 필요가 없고,
발전기는 1차측과 2차측이 같은 전류이기 때문에 같은종류의 CT를 사용하고 전류비도 서로 같으므로
오차가 발생할 요소가 좀 더 적기 때문에, 변압기보호의 비율차동계전기 보다는 좀 더 타이트하게 정정을 해주게 된다.
그래서 그림.4와 같이, 발전기보호 동작특성곡선에서는 변압기와 달리 Slope 2를 일부러 2배까지 해서 계전기동작을
둔감하게 만들기 위한 별도의 셋팅을 해줄 필요가 없는 것이다.
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