21. 발전기 보호계전기 종류(24, 32, 60, 81, 21, 78)와 보호방식

· 과여자계전기(24)

· 역전력계전기(32)

· 전압평형계전기(60)

· 주파수계전기(81)

· 거리계전기(21)

· 동기탈조계전기(78)

 

 

1. 과여자계전기(24)

발전기가 과여자되는것을 검출하는 계전기로, 계자전류가 너무 많이 증가하는 것을 방지하기 위해 설치하는 계전기다.

계통 주파수 저하가 과여자의 원인이며, 전압과 주파수의 비(V/Hz)를 검출해서 어느 이상이 되면 계전기가 동작하도록 한다.

과여자 되면 과전압상태가 되므로, 과여자계전기(24)를 적용하는 경우에는 과전압계전기(59)를 생략할 수 있으며,

과전압계전기(59) 적용시 정격전압의 130%에서 순시동작하도록 한다.

1.1) 과여자 원인

· 계통의 주파수 저하가 주요 원인으로, 발전기의 전압은 계속 유지한채 부하가 증가하면 주파수가 떨어져 과여자 된다.

· AVR용 PT의 퓨즈가 용단되는 경우, 전압이 정확히 측정되지 않고 훨씬 낮게 측정되므로 AVR(자동전압조정기)은

  전압이 낮아진것으로 오판해서, 계자자속을 계속 증가시키게 만들고, 이에 따라 발전기는 과여자되는 것이다.

· AVR이 오동작하는 경우도 과여자의 원인이 된다.

주파수 저하시 계자전류 증가하여 전압은 일정하게 유지

1.2) 과여자 영향

· 과여자는 발전기 철심 과열의 원인이 됨

· 승압변압기 및 보조변압기(소내용변압기 등)에 영향을 준다.  

   - 철심에 과잉 자속은 히스테리시스 및 와류손으로 과열

   - 변압기 정격전압의 140% 정도에서 여자전류는 전부하전류와 비슷한 크기까지 증가한다.

     (보통, 정격전압에서의 여자전류는 정격전류의 1% 정도 이지만, 정격전압의 140% 정도까지 과전압상태가 되면

      여자전류는 전부하전류와 비슷한 크기로 증가한다. 더욱이 여자전류는 고조파성분을 많이 포함하므로,

      온도상승에 미치는 영향이 굉장히 크다. 그래서 과여자에 대한 피해는 발전기보다 변압기가 더 크다.)

1.3)  과여자 보호 방법

과여자계전기(24)를 적용해서 과여자를 검출한다. 과여자계전기를 볼트헤르츠(V/Hz) 계전기라고 부르기도 한다.

대형발전기의 경우 V/Hz=1.05 이상에서 과여자가 나타나므로, 발전기의 특성을 고려해 동작치를 설정하여 검출하고,

한시로 보호한다.

(주파수가 일정한 상태에서 과전압이 생겨도, V/Hz는 상승하고, 

 전압이 일정한 상태에서 주파수가 떨어져도, V/Hz는 상승한다.)

 

 

2. 역전력계전기(32)

발전기(동기발전기)는 유효전력을 전력계통에 공급해야 정상인데, 반대로 유효전력을 소비하는 상태가 되면

발전기가 전동기(동기전동기)화 된다. 

2.1) 보호 목적

발전기가 전력을 흡수하는 모터링(Motoring)화 되면, 터빈에 열적 기계적 손상이 발생되므로, 역전력을 검출해 보호한다.

2.2) 모터링의 영향

증기터빈의 경우, 발전기가 모터링화 되면, 터빈으로의 증기공급이 중단되거나 증기공급이 급격히 줄어들게 되고,

이때 터빈 내부에 고온의 증기가 들어있는상태에서 터빈의 블레이드는 계속 회전하기 때문에 풍손(마찰손)이 생기고,

이 열은 원활히 빠져나가지 못하고 누적되어 과열로 발전기는 소손된다.

(ex. 물이 계속 흐르고 있는 상태에서는 물레방아가 원활히 잘 돌아가지만, 갑자기 물레방아에 물이 공급되지 않으면,

물레방아를 이전과 동일한 속도로 회전시키려고 할때 굉장히 큰 저항력이 발생하는 것이다.)

2.3) 역전력 보호 방법

·  역전력계전기(32)로 역전력을 검출하여 경보 또는 트립시킨다.

·  발전기 역전력은 복수터빈의 경우 명판정격의 3% 정도가 동작의 기준이 되며, 계전기의 정정은 이 값의 50%로 정정시킨다.

 

 

3. 전압평형계전기(60)

3.1) 보호 목적

PT Fuse Failure로 전원 상실시, 전압을 제대로 검출하지 못해 계전기(59, 24, 81, 21, 51V, 40, 32 등)들이 오동작할 가능성이 있고,

AVR도 전압을 낮게 검출함으로써, AVR은 발전기 단자전압을 일정하게 유지시키고자 여자값을 계속 조정한다.

즉, AVR이 여자전류를 계속 공급하게 돼서 발전기는 결국 과여자가 된다.

이렇게, 계전기와 AVR이 오동작하는 현상을 방지하기 위해 전압평형계전기를 사용한다.

3.2) 보호 방법

2개의 PT는 각각 보호계전기와 AVR 제어를 위해 사용되며, PT 2차측의 전압을 서로 비교하여 전압차 유무를 검출한다.

PT는 상과 대지사이에 설치되어 보통 코일에서 지락이 빈번히 발생한다. 지락이 발생하는 경우 발전기 후단의 차단기가

동작해서 발전기 후단은 결국 정전되게 된다. 이를 방지하고자 PT 전단에 반드시 파워퓨즈(Power Fuse)를 설치한다.

지락이 대지를 타고 흘러들어가지 못하게 PT전단에서 퓨즈가 먼저 개방되도록 하는 것이다. 그런데 이 파워퓨즈는 잘

떨어지는 현상이 있다. 즉, 파워퓨즈에 대한 신뢰성이 없기 때문에, 파워퓨즈가 떨어져 PT후단의 계전기와 AVR이 오동작

하지 않도록 전압평형계전기를 설치해서, 퓨즈가 이유없이 떠어지더라도, PT 2차측 전압이 서로 다르지 않으면

계전기 트립회로를 개방시키고, AVR의 동작도 저지하는 것이다.

 

4. 주파수계전기(81)

발전기가 주파수 60Hz 근처를 잘 유지하며 동기를 유지한채 정격속도로 운전하고 있는 상태에서,

부하가 증가(주파수 저하)하거나, 부하가 감소(주파수 증가)하게 되면, 발전기의 회전속도가

정격속도(2극기인 경우 3600rpm)보다 느려지거나 빨라져서 공진점에 가까워지기만 해도 진동이 생긴다.

고속으로 회전하는 터빈에 진동이 발생하고 그 진동이 점점 더 커지면 터빈날개의 끝부분이 휘어지는 등 손상이 발생한다.

·  저주파수계전기(81U, UFR)는 계통의 주파수가 저하되어 터빈 발전기의 고유 진동수와 공진하는 경우,

   심한 진동에 의해 터빈날개(특히, 저압터빈은 날개가 굉장히 큼)의 손상을 방지하기 위한 목적으로 사용한다.

·  과주파수계전기(81O, OFR)는 회전자의 과속도 운전에 대한 보호를 위해 사용된다.

·  발전기는 주파수에 따라서 운전한계 시간이 정해져 있다. (아래 자료 참고)

    - 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준을 보면, ±1.5Hz까지는 연속운전을 해야 한다고 되어 있다. 그리고 이보다도

      주파수가 떨어졌을때는 20초 동안 유지하여야 한다고 되어 있다. 즉 제조사는 발전기 설계를 그렇게 해야 한다.

    - 그리고, 한전의 송전용 전기설비이용규정을 보면, 3Hz를 초과해서 주파수가 떨어지는 경우는 발전기가 견딜수 있는

      상황이 아니라고 보고, 즉각적으로 발전기는 차단되어야 한다고 되어 있다. 그렇지 않으면 터빈은 고장나게 된다.

 

5. 거리계전기(21)

발전기 인접하는 계통에서 고장이 발생했을 경우, 발전기용 거리계전기는 후비보호 용도로 사용된다.

발전기는 고장전류를 공급하는 공급원이기 때문에, 고장이 제거되지 않으면 발전기는 그 고장점에 계속 고장전류를

공급하므로,  송전선로보호가 적절하게 동작하지 못한 경우 이에 대한 후비보호로 동작하는 것이다.

이 발전기용 거리계전기는, 발전기 보호에 대한 후비보호로 사용된다기 보다는, 전력계통 고장에 대한 후비보호로 

사용된다.

송전선로에서는 후비보호를 3단계 한시거리계전기를 사용한다. 그래서, 후비의 후비의 후비가 Zone3로 동작한다.

Zone3로 동작한다는 것은 100Hz(100cycle=1.6초) 정도 기다렸다가 동작하는 것으로, 1.6초가 지나도 Zone3에

의해 동작하지 않으면, 그제서야 발전기용 거리계전기가 동작해서 후비보호역할을 하는 개념이다.

·  인접계통 모선 및 송전선로의 사고가 주보호 장치의 동작에 실패할 경우, 발전기는 계속해서 고장전류를 공급하기

   때문에, 발전기를 개방하는 후비보호 조치가 필요하다

·  이를 위해 사용되는 계전기는, 거리계전기(21) 또는 전압억제부 과전류계전기(51V)를 적용한다

   (51V와 21은 동시에 사용하지 않고, 21이 51V보다 후비보호에 협조가 잘 되므로, 주로 21을 사용한다)

·  Off-set Mho형 거리계전기를 적용해서, 발전기 전기자권선의 고장의 일부 또는 전력계통 전체에 대한 후비보호를 겸함.

①과 같이, 발전기 전기자권선의 고장에도 일부 거리계전기가 동작되도록 계전기 정정범위 중 후방영역에,

발전기 전기자권선의 임피던스가 포함되도록 Zone1 범위를 설정한다. 

②와 같이, 승압용변압기 임피던스 수준에서 약간 작은정도로 Zone1 정정범위를 설정한다.

③과 같이, 송전선로 보호용 거리계전기의 Zone3에서도 고장이 실패할 경우, 후비보호 되도록 발전기용 거리계전기의

Zone2 정정범위로 설정한다.

즉, 계통보호에 대한 후비보호 역할을 하면서, 발전기보호에 대한 후비보호 역할도 겸하는 계전기다.

 

 

6. 동기탈조계전기(78)

미소한 부하변동이 아니라, 계통의 급격한 외란(대형 부하의 On/Off 등 급격한 부하변동, 계통의 3상단락 사고발생)이 

발생하면, 발전기의 상차각이 이동되는 현상이 발생한다. 이렇게, 부하의 급격한 변동으로 인한 발전기의 상차각이 

이동되고 난 후 일정시간이 흐르면, 발전기는 대부분 동기상태로 돌아가고 안정된 상차각을 다시 찾아간다.

즉, 과도적으로 흔들리기는 했지만 정상상태를 대부분 찾아간다. 

하지만, 정상상태를 찾아가지 못하는 발전기의 경우 상차각이 180도까지 벌어지게 되면서 동기탈조현상이 나타난다.

·  계통의 급격한 외란이후에 안정한 상태인 동기로 회복되지 못하는 발전기를 차단할 목적으로 사용한다.

·  동기탈조시 임피던스궤적은 발전기의 관성으로 인해, 진동과 함께 굉장히 천천히 이동하는 특성을 가지므로,

   방향성거리계전기로 이를 검출해낸다.

·  송전선로보호에 쓰이는 거리계전기의 오동작 원인 중 하나가 바로 발전기의 통기탈조현상이 있었다. 

   즉, 송전선로용 거리계전기는 발전기 동기탈조현상에 의해 오동작되지 말아야 한다는 것이다.

   임피던스가 2Ω 이동하는데 걸리는 시간이 4~5Hz 이상이라면, 이는 발전기의 동기탈조현상으로 판단해서

   송전선로용 거리계전기가 오동작되지 않도록 한다.