20. 발전기 보호계전기 종류(87G, 59N, 40, 64F, 46)와 보호방식

· 비율차동계전기(87G)

· 지락과전압계전기(59N)

· 계자상실계전기(40)

· 계자지락계전기(64F)

· 불평형계전기(46)

 

 

1. 개요

발전기는 전기적인 고장(단락, 지락)에 대한 보호가 필요할 뿐만 아니라, 발전기는 동기기이기 때문에

발생하는 비정상적조건(계자상실, 동기탈조 등)에 대한 보호와, 발전기는 동시에 회전기이기 때문에

회전자가 빠르게/느리게 동작하는 문제와, 발전기가 모터화 되는 현상에 대해 기계적인 보호가 필요하다.

 

2. 발전기 고장의 원인

2.1) 과열의 원인

· 회전자(계자) : 과여자 또는 냉각기의 고장

· 고정자(전기자) : 과부하 또는 냉각기의 고장

· 불평형 운전시 발생하는 역상전류에 따른 와전류로 인해 과열이 발생하며,

· 여자장치에 의해 회전자에 적절히 계자전류가 공급이 되어야 하는데, 전류의 공급이 끊어지면,

  즉, 계자가 상실되면 회전자는 굉장히 빠른 속도로 회전하며 과열을 생성함.

2.2) 권선 고장의 원인

· 회전자(계자) : 지락  또는 권선간 단락

· 고정자(전기자) : 단락 또는 지락

2.3) 기타(터빈 고장의 원인)

· 과속도(고속운전시 고주파수 발생) , 저속도(저속운전시 저주파수 발생으로 인한 터빈고장)

· 모터링(발전기는 유효전력을 공급하는 장치인데, 거꾸로 유효전력을 소비하는 모드로 운전될 경우 터빈 고장)

· 동기탈조, 과전압 등

 

■ 발전기 보호계전기 종류와 보호목적

1. 비율차동계전기(87G)

발전기의 내부 단락에 대해서만 검출하는 계전기로, 전기자 권선의 상간단락 혹은 층간단락이 발생한 경우에 동작하여

전기자 권선 및 철심의 손상 확대를 방지해준다. 전기자권선의 지락시에도 동작하며, 외부사고시에는 부동작한다.

발전기 비율차동계전기(87G)

· 전기자 권선이 Y결선인 경우, 양쪽 변류기 결선도 Y결선을 사용한다. 델타-델타도 쓰지만 일반적으로 Y-Y가 쓰인다.

· 전기자 권선 양측의 전류가 동일하므로, 변류기 1, 2차 특성(오차, 정격부담, 변류비 등)이 동일한 변류기를 사용함.

· 정정 비율은 5~10% 정도로 정정한다.

· 동작시간은 순시로 동작한다.

 

@발전기 비율차동계전기와 변압기 비율차동계전기의 차이점

변압기의 경우, 1:1변압기가 아니다 보니, 양측전류가 서로 달라서, 변류비의 mismatch등 오차가 발생하기도 하고,

30˚위상차가 발생해서, 변압기 결선방식이 와이-델타이면 변류기 결선방식도 델타-와이로 해줘야 한다.

그리고, 변압기는 여러 오차로 인해 정정비율이 30%가 넘어가는 반면, 발전기는 정정비율이 5~10%로 매우 민감하다.

그런데 발전기같은 경우는 양측으로 서로 같은 전류가 흐르다 보니 변압기와는 이러한 차이점이 있다.

그리고 변압기에서의 비율차동계전기는 단락과 지락의 보호에 쓰이는 반면, 발전기는 내부 단락 보호에만 쓰인다.

 

2. 지락과전압계전기(59N)

· 계통의 지락사고로 매우 큰 지락전류가 전기자권선에 그대로 인가되면 기계적, 열적 손상을 받기 때문에

  이를 억제하기 위한 방안으로, NGR을 중성점에 삽입해서 지락전류를 10~20A 수준으로 제한한다.(그림.1)

   → 지락전류가 크지 않기 때문에, 발전기 내부단락 검출용 비율차동계전기로는 충분한 감도를 얻기 어려움. 

· 그래서, 작은전류에도 충분한 감도를 얻기 위해, 위에서 언급한 그림.2의 방식보다는 그림.1의 방식을 적용한다.

   → 그림.2와 같이 NGR을 쓰는게 아니라, 그림.1과 같이 접지변압기를 사용해서 2차측에 R(CLR)을 넣어서,

         권수비환산에 의해 실제로 1차측에 R이 있는 것처럼 사용할 수 있게 된다. 이렇게 하면, 작은 지락전류에도

         비교적 그림.2의 방식에 비해 훨씬 더 감도 있게 검출이 가능하다.

· 일반적으로 지락사고 보호를 위해 그림.1과 같이 지락과전압계전기를 사용한다.

· 이 방식은 전기자권선 95% 지락보호방식으로, 발전기 중성점으로부터 5% 이내의 고장에 대해서는 검출이 어렵다.

   → 아래 그림.1과 같이 95%부분에서 지락이 발생하면 어느정도 검출이 잘 되는 반면, 중성점에서 가까운 5% 부근에서

          발생한 지락은 중성점 부근인 전압이 작은 곳에서 발생된 지락이기 때문에 지락전류도 굉장히 작아 검출이 어렵다.

· 즉, 단락보호용 비율차동계전기로 지락보호를 겸하지 않는 이유는, NGR을 사용하므로 완전 지락이 나도 지락전류가

  10~20A정도로 작기 때문에, 어느 부분에서 지락이 났냐에 따라 감도는 달라질 것인데, 비율차동계전기로 이렇게 작은

  지락전류를 검출하기에는 어려운 것이다. 그래서 별도로 지락보호 전용으로 지락과전압계전기를 사용하는 것이다.

 

 

· 위와 같은 그림.1의 보호방식이라 하더라도 95%의 지락에 대한 보호만 가능하기 때문에, 중성점 부근에서 발생하는

   나머지 5% 지락에 대한 보호는 아래와 같이 지락비율차동계전기를 적용함으로써, 부족한 5% 를 보호한다. 

2.1 지락 비율차동계전기

발전기의 전기자 권선의 지락과 같은 내부지락이 중성점 부근에서 발생되는 경우, 위와 같은 

지락과전압계전기(59N)으로도 검출하지 못하는 부족한 5%의 지락전류를, 전용으로 고감도로  검출하기 위해

지락비율차동계전기를 아래 그림.1과 같이 결선하여 보호한다.

참고로, 전기자 권선 내부 지락시 지락전류가 크기 않아, 단락 검출용 변류기와는 달리 지락보호 전용의 변류기는

감도를 위해 보다 낮은 변류비를 갖는 CT를 사용한다.

(그림.2는 그림.1의 방식을 실제 어떻게 적용하는지 보여준다.)

 

3. 계자상실계전기(40)

터빈에 연결된 회전자는 계자권선에 연결되어서, 계자권선에 전류가 흐르면 자석이 된다.

이 상태에서 고장자 자석과 회전자 자석이 서로 밀면서 동기속도로 회전하며 발전(에너지 전달)을 하는 것이다.

그런데, 여기서 계자권선에 전류가 공급되지 않으면 회전자는 계자가 공급되지 않으므로, 자석이 아닌 그냥 철이

돼버린다. 이 상태에서는 고정자의 자석과 철이 되어버린 철덩어리(기존 회전자)는 서로 힘이 작용하지 않게 되고

기존 터빈에 의해 엄청난 속도로 철덩어리는 회전하게 된다. 즉 서로 미는 힘이 없어지게 된다는 것이다. 

그러면 고장자 자석 내 철덩어리가 고속도로 회전하므로, 서로 다른 속도로 인해 철덩어리에 유도전류가 생기면서

유도발전기가 돼버리는 것이다. 참고로 전기자권선의 회전자계랑 회전자의 회전자계가 동기속도로 돌아가는 것을

동기기라고 한다. 유도기는 전기자권선(고정자)의 회전자계랑 터빈과 연결된 회전자의 회전자계 속도가 슬립을 두고

속도의 차이가 나는 것을 유도기라고 한다. 슬립의 발생으로 인해 유도전류가 흐르는 것이다. 반면 동기기의 경우

속도의 차이가 없으니 유도전류가 생기지 않는 것인데, 갑자기 계자를 상실하게 되면 동기를 잃게 되어 여자전류가

흐르게 된다는 원리이다. 만약 반대로 계자상실된 회전자계가 전기자권선보다 느리게 회전한다면 유도전동기가 

된다는 것이고, 반대로 위에 설명한 것과 같이 더 빠르게 회전한다면 유도발전기가 돼버린다. 

3.1) 계자상실의 원인

운전 중 계자상실의 원인에는 슬립링의 Flash over, AVR 여자시스템의 고장, 계자차단기의 오조작 등에 의해 발생한다.

(회전자에 유도전류가 흐르는 상태에서 회전자가 동기속도보다 빨라지면 에너지의 흐름이 전력계통으로 흐르게 되어

유도발전기 모드가 되는 것이다.)

3.2) 계자상실의 영향

· 회전자가 가속되어 회전자(표면, 댐퍼권선)에 매우 큰 완전류가 흘러 과열의 원인이 되며,

· 회전자는 동기속도보다 크게 되어 유도발전기 모드가 되므로, 고정자 권선에도 진상의 과전류가 흐르게 된다.

(정상적인 발전기는, 무효전력을 공급하는 지상운전이 정상인데, 위는 무효전력을 흡수하는 진상운전이 된다.)

· 대량의 무효전력을 흡수하기 때문에 계통의 전압안정도에 악영향을 끼친다.

3.3) 계자상실시 보호방법

Off-set Mho형 거리계전기를 사용하여 Zone1 혹은 Zone2에 동작하도록 한시동작으로 보호한다.

계자상실계전기(40)

위 ①과 같이, 계통이 동요해서 계통에 왜란이 발생하면, 임피던스가 계전기 동작영역인 Zone으로 잠깐 들어왔다가

다시 회복해  돌아나가는 모습을 보이는데, 이때 계전기가 동작되지 않도록 0.5초 정도 지연시간을 둔다.

 

4. 계자지락계전기(64F)

4.1) 보호 목적

계자회로의 지락을 검출하기 위한 지락과전압계전기(OVGR)

4.2 계자회로의 지락시 영향

계자회로는 비접지 회로이기 때문에, 아래그림의 ①과 같이 한점에서만 계자권선이 지락되어도

전류가 갈 곳이 없기 때문에 아무 일 없이 그대로 ②와 같이 흘러 지나가므로 크게 문제가 안되는데,

만약 ③과 같이 2개소 이상에서 지락이 발생하면 전류가 대지로 빠져나갔다가 다시 대지를 통해 흘러 들어오기 때문에

④의 부분을 전류가 건너뛰기 때문에, 이 부분에서 자속을 만들어 내지 못하게 되어 자기적 불평형을 초래하게 되고,

이로 인해 회전자는 진동하게 되고, 결국 베어링이 손상되고, 2개소 지락이 발생했다는 것은 단락되는 것과 마찬가지의 

현상으로, 이 부분에서 아크가 발생해 회전자는 손상된다.

· 즉, 계자회로는 비접지 회로이므로 1개소 지락시 발전기에 직접적인 손상이 없음.

· 즉, 2개소 이상에서 지락이 발생하면 계자권선의 일부단락으로 인한 자기적 불평형으로 회전자가 진동하여

    베어링이 손상되고, 단락부분에서 아크가 발생해 회전자가 손상됨.

4.3) 계자회로 지락시 보호방법

DC소스를 공급장치와 저항을 설치함으로써, 1개소 에서라도 지락이 발생하면, 전원소스에 의해 ⑤와 같이

일부 폐회로가 구성돼서, 설치된 저항에 미소하게 전류가 흐르게 되어, 저항에서 전압강하가 발생해서

64F 지락과전압계전기로 지락여부를 검출하는 방식이다.

계자지락계전기(64F)

 

5. 불평형 계전기(46)

46 불평형 계전기는 전류형이고, 47 불평형 계전기는 전압형이다.

불평형을 볼 때, 역상분전류와 역상분전압을 보는 방법이 있는데, 일반적으로 역상분전류를 이용해 불평형 보호를 한다.

역상분전류가 흐른다는 것은 계통에 불평형이 발생했다는 것이므로, 이를 이용한 보호방식에 해당한다.

5.1) 불평형 발생 원인

전력계통의 불평형 고장, 선로의 불평형, 부하의 불평형 등으로 인한 역상분전류의 발생

→  3상 평형운전을 하다가 불평형이 시작됐다 하면 무조건 발생하는 것이 역상분 이다. 

      영상분은 회로에 따라 발생할 수도 있고 안 할 수도 있지만, 역상분은 반드시 발생하게 된다. 

      이렇게 발생된 역상분은 회전기에 가장 큰 피해를 준다. 이유는, 회전기의 역방향으로 회전자계를 만들기 때문이다. 

정상운전(3상평형)시에는 회전기와 회전자계가 같은 동기속도로 회전하기 때문에 쇄교자속이 발생하지 않지만,

(즉, 같은 속도로 돌면 dpi/dt가 발생되지 않는데), 불평형시에는 회전자계를 반대로 만들기 때문에

회전자와의 속도(주파수) 차이가 두배로 벌어진 것과 같게 된다. 즉, dpi/dt가 엄청나게 발생한다.

즉, 쇄교자속이 많이 생겨서 회전자 도체에 굉장히 큰 유도전류가 발생하게 된다. 결국 과열의 원인이 된다.

회전자 진동의 원인(베어링 손상 초래)도 되지만, 이보다는 유도전류로 인한 과열(와전류)의 피해가 더 크다.

5.2) 역상분 전류의 영향

· 전기자의 역상전류가 유입되어, 정상분 회전자계와 동일한 회전속도를 가진 반대방향의 회전자계를 만들어낸다.

· 이로 인해, 2배의 주파수에 의한 큰 와전류가 회전자의 표면 및 제동권선에 유기되어, 과열의 원인이 된다.

· 회전자의 심한 진동도 발생시켜 베어링이 손상되기도 한다.

5.3) 불평형시 보호 방법

· 완전히 정상적인 전력계통 상황이라 하더라도, 불평형이 아예 발생하지 않을 수는 없다.

   그래서, 발전기 설계 시 역상내력(열적내력)을 갖도록 설계함. (즉, 역상전류 허용한계를 정해놓고 운전시킨다)

· 역상분 전류를 검출하여 1단계 경보, 2단계 트립을 수행함.

와전류로 인한 피해

 

 

[참고] 역상전류의 단시간 허용한계(ANSI)

 - 변압기의 열적한계곡선(전류제곱 * t = 1250)과 유사한 개념이다.

   아래에서 K는 발전기마다 주어지는 상수값으로, 역상전류의 크기에 따라 견딜 수 있는 시간이 달라진다.