22. 대용량 유도전동기 보호방식(50/51, 49, 87, 50G, 46, 47, 27)

· 순시 과전류계전기(50)

· 한시 과전류계전기(51)

· 회전기 온도계전기(49)

· 비율차동계전기(87)

· 지락계전기(50G)

· 역상 과전류계전기(46)

· 역상 과전압계전기(47)

· 저전압계전기(27)

 

 

1. 개요

공장의 생산설비에 사용되는 전기설비의 대부분은 전동기이며, 그 중에서 90%는 유도전동기다.

전동기 고장을 적절하게 보호하지 못하면, 공장 생산 차질로 인한 손실과 전동기 교체 및 수리비용이 매우 크다.

대용량 고압 유도전동기 보호 종류와 보호 방식은 다음과 같다.

1.1) 고정자 권선 과열에 대한 보호 : 한시 과전류계전기(51), 회전기 온도계전기(49)

1.2) 내부단락 및 지락고장에 대한 보호 : 비율차동계전기(87), 순시 과전류계전기(50), 지락계전기(50G)

1.3) 불평형에 대한 보호 : 역상 과전류계전기(46), 역상 과전압계전기(47)

1.4) 저전압에 대한 보호 : 저전압계전기(27)

 

2. 대용량 전동기의 보호방식

2.1) 전동기 고정자 권선 과열에 대한 보호

2.1.1) 한시 과전류계전기(51)

전동기의 열적한계곡선(Thermal limit curve)을 고려해서 계전기 정정곡선을 작성하는데, 

Cold Locked Rotor 곡선보다는 아래에 있어야 하며, Hot Locked Rotor 곡선보다는 위에 위치하도록 한다.

· 동작설정

  전동기 전부하전류(FLC)의 105~125%에 동작하도록 선정하고, Time Lever는 전동기 기동시간에서

  3~4초 정도 여유를 주어 선정을 하되, SST(Safe Stall Time) 보다는 1~2초 정도 여유를 주어 하단에 위치

  하도록 선정해준다. 그리고 기동전류(LRC)의 175~200%, 즉 2배 정도에서 순시정정을 한다.

  *SST(Safe Stall Time) = LRT(Locked Rotor Time)

  *구속전류 = LOCK전류 = 기동전류 = Loced Rotor Current(LRC)

 

2.1.2) 회전기 온도계전기(49)

· 고정자 권선의 슬롯에 RTD온도센서를 부착해서 과열에 대한 보호를 한다.

· 주위온도가 높거나, 냉각장치의 고장 또는 빈번한 기동 등으로 인해 권선의 온도가 상승되면 전동기를 보호한다.

 

 

2.2) 내부 단락 및 지락고장에 대한 보호

2.2.1) 비율차동계전기(87)

전동기 내부의 단락과 지락을 고속으로 검출하기 위해서 대용량 전동기에 채용한다.

만약 보호대상이 대용량이 아닌 소용량의 전동기인 경우 비율차동계전기 없이 아래의 과전류 계전기로만 보호한다.

2.2.2) 순시 과전류계전기(50)

· 전동기 Feeder에 단락사고가 발생하는 경우 신속하게 제거하기 위해 적용된다.

· 돌입전류 혹은 외부고장시, 전동기 기여전류의 비대칭 전류에 동작하지 않도록,

  전동기 기동전류의 1.75~2배로 정정한다.

2.2.3) 지락계전기(50G)

· 전동기 내부에 지락이 발생하는 경우 신속하게 제거하기 위해 적용된다.

· 일반적으로, ZCT를 설치해서 고감도로 영상분을 검출하여, 순시 또는 필요에 따라서 시간지연(0.2~0.5초)을 

   두고 동작시킨다.

· 직접접지 계통인 경우, 한시정정은 정격전류의 10~20% 정도로 정정하고,

  최대 1선지락전류에서 0.2~0.5초가 되도록 Time Lever를 선정하고, 순시는 한시정정치의 10배로 정정한다.

 

 

2.3) 결상에 대한 보호

결상이되면 불평형률은 100%가 되고, 매우 큰 역상분전류가 흘러, 과열과 진동으로 인한 전동기의 손상을 보호한다.

불평형이 커지면 커질수록, 역상분전류는 점점 더 커진다.

미국 NEMA 규정에서는 전동기의 불평형에 대해 다음과 같이 규정하고 있다.

"" 유도전동기는 1% 미만의 전압 불평형률에 대해서는 별다른 문제가 되지 않지만, 1~5% 정도의 불평형 전압에서는

전동기의 출력을 줄여서 운전해야 하며, 5% 이상의 전압 불평형에서는 전동기를 운전하는 것은 바람직하지 않다""

따라서 5~6%에 계전기를 정정하여 전동기를 보호해야 한다.

2.3.1) 역상 과전류계전기(46)

역상분 전류를 검출하여 보호한다.

 * FLC(전부하전류)의 10~15%, 5~10초 지연동작

 * FLC(전부하전류)의 20~25%, 2~5초 지연동작

2.3.2) 역상 과전압계전기(47)

역상분 전압을 검출하여 보호한다.

 

2.4) LOCK과 STALL 보호

유도전동기에서 발생하는 STALL과 LOCK의 전기적특성은 동일하고, 다만 LOCK은 기동시 발생하고,

STALL은 운전 중 발생한다는 차이점이 있다.

전동기의 기동시간을 초과하면 LOCK 요소는 감시를 중단하고 STALL 요소가 활성화 된다.

2.4.1) LOCK 보호

전동기가 기동에 실패하는 경우가 있는데, 이는 전동기가 기동하기 전에 과도한 부하토크가 걸려있는 경우 및

전동기의 기계적고장,  부하 베어링의 고장, 낮은 공급전압 등이 전동기 기동 실패의 원인이 되는데,

이러한 현상을 회전자 구속(LOCK)이라고 한다. 회전자가 정지된 상태에서 고정자에 전압이 인가되면 전동기의

고정자 권선에는 정격전류의 5~8배 수준의 전류가 흐른다.

2.4.2) STALL 보호

유도전동기가 정상적인 운전 중 부하토크가 전동기의 토크보다 커서 전동기의 회전속도를 줄여 정지시키거나

정격속도 이하의 어떤 운전점 속도로 떨어지는 것을 말한다. 이 때 전동기 전류는 구속전류에 도달할 때까지 

빠르게 증가하며 전동기의 임피던스는 구속 임피던스에 접근해 간다.

2.4.3) LOCK 요소와 STALL 요소의 정정

· LOCK 요소의 정정

  전동기 정격전류의 2배정도로 정정을 하되, 상단과 시간협조를 보고, 또 특성곡선이 기동전류보다 상단에 

  위치하되, Cold Safe Stall Time보다 작도록 정정해야 한다.

· STALL 요소의 정정

  전동기 정격전류의 2배 정도에 정정을 하되, Hot Safe Stall Time 이내로 정정한다.

 

 

2.5) 저전압에 대한 보호

주어진 부하에 대해 전동기는 일정전력(kVA) 기기로 간주된다. 전류의 변화는 전압의 변화에 반비례하고,

평형 3상 저전압은 평형 3상 과전류를 야기한다. 장기간의 저전압이 발생하면 회전력의 부족이나, 고정자

전류의 증가로 인해 과열소손의 우려가 생긴다.

2.5.1) 저전압계전기(27)

저전압검출 계전기로 저전압계전기가 사용되며, 동작은 정격전압의 80%에 2~3초 지연동작으로 정정한다.

" 만약 기동시 전압강하가 보다 클 경우 불필요한 동작을 방지하기 위해 이보다 작은 값에 정정 할 수 있다.

시간지연은 보통 2~3초를 준다. 하지만 이 경우 순시전압 강하가 발생할 경우 전동기 부하로 유입되는 전류가 증가하여

상단에서 과전류계전요소가 동작할 우려가 있다. 이를 방지하기 위해서, 중요도가 떨어지는 부하는 시간지연을 작게주고,

매우 중요한 부하에 시간지연을 많이 주는 방식으로 적용한다."