24. 선택지락계전기(SGR, 67G)의 필요성과 구성방식 및 동작특성

선택지락 계전기(SGR: Selective Ground Relay)의 구성방식과 동작특성을 알아보기에 앞서 선택지락계전기의 필요성에 대해 살펴보자.

선택지락 계전기(SGR)는 대표적인 방향성 계전기다. 그렇다면, 방향성계전기가 필요한 이유는 무엇일까.?

 

 

1. 선택지락 계전기(방향성계전기)가 필요하게 된 배경

 

비접지계통에서 지락을 검출하기 가장 쉬운 방법은, 미세한 전류가 흐르더라도 검출할 수 있도록 CT를 ZCT로 적용한다. 

단락보호의 경우는, 직접접지계통이든 비접지계통이든 크게 다르지 않지만

지락보호의 경우는, 지락이 발생하더라도 귀로할 수 있는 회로가 없기 때문에 즉, 전원측회로(아래그림에서는

변압기의 2차측 델타결선)와 폐회로가 구성되지 않기 때문에 지락전류가 매우 작은 것이고, 이 미세한 지락전류를

ZCT를 통해 검출해서, 일정크기 이상이면 지락계전기(GR)가 동작하도록 계전기를 셋팅한다. 

그런데 이 방법의 단점은 바로, 크기만으로 동작여부가 결정되는 무방향성 보호라는 것이다. 

 

 

▼아래 그림.1과 같이,

FEEDER가 여러개인 배전계통에서는 위와 같이 무방향성보호를 하면 안된다.

하나의 FEEDER에서 지락이 발생해도 나머지 다른 FEEDER도 동시에 차단되기 때문이다.

즉, 고장이 발생한 FEEDER만 차단하는 선택성을 구현할 수 없어서 정전범위가 넓어지게 된다.

그림.1

 

▼아래 그림.2와 같이,

지락이 발생한 경우, 비접지계통이라 지락전류가 흐르지 못한다고 대부분 알고 있지만

실제로는 아래와 같이 대지정전용량을 통해서 대지로 연결되는 의미있는 회로가 있다.

반면에, 접지계통에서는 아래와 같이 대지정전용량을 통해 대지로 연결되는 회로가 동일하게 있지만

일반적으로 표현하지 않는다. 왜냐하면, 접지계통에서는 의미없는 회로이기 때문에 표현하지 않는 것이다.

대부분의 지락전류는 접지된 접지회로로 흘러 들어가기 때문이다.

그림.2

 

▼아래 그림.3과 같이,

비접지계통에서는 이 회로가 굉장히 의미있는 회로가 된다.

지락전류가 흐를수 있는 유일한 회로이며, 의미있는 크기의 전류가 흐르기 때문에 의미있는 회로라 한다.

지락전류(Ig)는 병렬로 나눠져서 대지정전용량 회로로 흘러 들어가고 이를 충전전류(Ic)라 한다. 

그림.3

 

▼아래 그림.4와 같이,

대지정전용량으로 들어간 충전전류(Ic)는 다시 고장점으로 돌아가서 폐회로를 구성한다.

그러면, 왼쪽 FEEDER-1의 ZCT-1 입장에서는, ①②의 충전전류와 다시 돌아오는 ①'②'의 충전전류가 서로 상쇄되어

검출할 수 없고 결국 ③'④'의 충전전류만 검출할 수 있게 된다.

오른쪽 FEEDER-2의 ZCT-2 입장에서는, ③④의 충전전류만 검출이 된다. 

다만, ZCT-1의 ③'④'충전전류와 ZCT-2의 ③④ 충전전류는 크기는 같고 위상(방향)만 반대이다.

결국, 지락계전기GR은 무방향성계전기이기 때문에, 영상전류만 검출되면 바로 동작해버리게 되어

CB-1과 CB-2 차단기가 모두 동작되버리게 된다. 즉, 고장이 발생한 FEEDER뿐만 아니라 멀쩡한 FEEDER도 차단된다.

FEEDER가 3번 4번 5번 6번 쭈욱 있다고 가정해보면, 모든 차단기가 동작된다는 것이다.

즉, ZCT와 지락계전기(GR)로만 계통을 지락보호 하게 되면, 선택성 없이 모두 차단되게 되므로,

이러한 현상을  막고자 필요한 것이 바로 방향성계전기(선택지락계전기;SGR)다.

이렇게 계통을 보호하는 일부 변전소들이 여전히 있다. 이런 곳은 SGR로 보호방식을 변경하도록 추천해야 한다.

그림.4

 

 

2. 그래서 등장하는 것이 바로 방향성계전기인 선택지락계전기(SGR)이다.

    선택지락계전기의 구성방식과 동작특성에 대해 살펴보자.

 

선택성을 갖기 위해서는 방향성계전기를 사용해야 가능하다.

방향성계전기라는 것은, 전압의 위상을 기준으로 전류의 상대적인 위상을 보며 동작하는 것이다.

위에서 설명했듯이, 크기는 같지만 위상(방향)이 서로 반대인 전류의 위상특성에 따라 계전기를 동작시킬지 말지

즉, 선택성을 부여하는 것이다. 그래야만 고장난 FEEDER와 건전한FEEDER를 구별할 수 있다.

 

▼아래 그림.5와 같이,

방향성을 갖기 위해서는, 지락계전기(GR)를 선택지락계전기(SGR)로 바꿔준다.

선택지락계전기는 ZCT로부터 전류요소를 받으면 되고, 그럼 방향성의 기준이 될 전압요소는 어디서 받으면 되나?

PT로부터 받으면 된다. 그런데 복잡해진다. 그래서 접지변압기(GPT: Grounded Potential Transformer)를 설치한다.

1차측은 Y결선이고 중성점은 접지되어 있다. 2차도 접지된 Y결선이고 계전기의 전원을 공급하기 위한 용도이기 때문에

별도로 아래 그림에 표현하지 않았다. 3차는 오픈델타(Open Delta) 결선이다.

즉, 선택지락계전기는 GPT 3차 오픈델타결선에서 전압요소를 받으며, 이 전압의 위상을 기준으로 상대적인 전류요소의

위상을 보면서 동작되는 방향성계전기다.

참고로 GPT는 FEEDER가 10개라고 해서 10대를 설치하는게 아니라, Bank(Power TR)당 1대씩만 설치한다.

GPT를 많이 설치하면 오히려 SGR의 감도가 낮아져 부동작의 원인이 되기도 한다.

그림.5

 

  ▼아래 그림.6과 같이,

· 오픈델타결선이 개방되어 있다 하더라도 동작은 정상적으로 하지만, 좀 더 안정적인 동작을 위해

  한류저항기(CLR)를 설치해준다. 3차 오픈델타에 한류저항기가 들어가면 1차측으로 환산된 저항치는 더 큰값이 된다.

  즉, 비접지계통을 그대로 유지해줘야 하기 때문에, 1차측 Y결선의 중성점이 직접접지가 아닌 380mA가 흐를 수 있는

  회로로 만들어 주는 것이다. 즉, 1차측 중성점접지는 직접접지되었지만, 3차측 오픈델타결선에 설치된 한류저항기의 

  저항치에 의해, 실질적으로 1차측 중성점접지는 직접접지형태가 아닌 저항접지형태가 된다는 것이다. 한마디로,

  1차측중성점 접지방식은 직접접지처럼 보이지만 실제로는 380mA만 흐를 수 있는 비접지방식으로 여겨진다는 것이다.

  그래서 CLR은, 완전지락이 발생했을때 GPT 1차측 중성점접지에 최대 380mA가 흐를 수 있는 저항값이 설치돼야 한다.

· 비접지계통의 대표적인 공칭전압은 3.3kV와 6.6kV계통이다.

  6.6kV 계통에서 GPT의 CLR값은 25Ω을 적용해야 GPT 1차측 중성점접지로의 지락전류가 380mA로 제한되고,

  3.3kV 계통에서 GPT의 CLR값은 50Ω을 적용해야 GPT 1차측 중성점접지로의 지락전류가 380mA로 제한된다.

· 고장이 없는 3상평형일 때에는 영상전류도 영상전압도 뜨지 않지만,

  1선지락이 발생하면, ZCT로부터는 영상전류가 측정되고, GPT 3차 오픈델타로부터는 영상전압이 측정된다. 

  SGR은 이렇게 1선지락 발생시 영상전압을 기준으로 검출된 영상전류의 위상을 보고 동작여부가 결정된다.

그림.6

 

 ▼아래 그림.7과 같이,

비접지방식에서 지락발생시 지락전류(Ig)가 흐를 수 있는 길은 기존의 대지정전용량을 통해서 대지로 접지된

의미있는 회로 뿐만 아니라, GPT의 1차 중성접접지로도 흘러들어갈 수 있다. 즉, 새로운 길이 하나 더 추가되었다.

여기서 주의할 점은, GPT의 1차 중성점접지는 직접접지가 아니란 것이다. 3차 오픈델타결선의 한류저항기에 의해

1차 중성점접지는 직접접지가 아닌 비접지방식으로 봐야 한다. 왜냐하면 한류저항기의 저항치가 1차측으로 환산되면

상당히 큰 저항치가 있는것과 다름없기 때문이다. 예를들어 6.6kV의 계통이라 하면 한류저항기는 25Ω이 적용되고,

이를 1차측으로 환산하면 약 10,000Ω이 되기 때문에 비접지방식과 다름없게 되는 것이다.

즉, 계통의 비접지방식이 그대로 유지되기도 하며, 동시에 기존 충전전류의 길도 그대로 의미있는 회로가 된다.

실제로, 대지정전용량으로 흘러들어가는 충전전류(Ic)가 GPT 1차측 중성점접지로 흘러들어가는 저항성전류(Ir)보다

전류크기가 큰 경우가 훨씬 많다. 그만큼 1차측 중성점이 비접지방식과 다름없고, 380mA 이하로 매우 미세하게 흐른다. 

즉, GPT가 없는 경우, 지락전류는 의미있는회로(대지정전용량)를 통해 흘러들어가는 충전전류성분(Ic)밖에 없었지만,

방향성을 갖기 위해 선택지락계전기를 설치하는 경우, 즉 위상 기준이 될 전압요소가 필요하여 GPT가 설치된 경우의

지락전류 흐름은, 기존 충전전류성분(Ic)루트 외에 추가로 저항성성분(Ir) 루트가 생긴 것이다.

GPT 1차측 중성점접지는 직접접지처럼 보이나, 실제로는 GPT 3차 오픈델타에 설치된 한류저항기에 의해, 1차측으로

환산된 저항이 있는것과 다름없는 비접지방식이다. 때문에 이 중성점으로 흘러들어가는 지락전류를 저항성성분(Ir)이라

하는 것이다.

그림.7

▲위 그림7.과 같이,

지락전류는 GPT 1차측 중성점접지를 통해 흘러들어가고, 1차측 Y결선의 3병렬회로에 의해 1/3로 나누어져 흐르고

폐회로가 구성되어 다시 고장점으로 돌아오게 된다. 이 흐름이 바로 ⑤⑥⑦ 번 저항성전류(Ir)의 흐름이다.

결국, 고장 FEEDER의 ZCT는 저항성전류(⑤⑥⑦)과 충전전류(③'④')를 측정하며,

건전 FEEDER의 ZCT는 충전전류(③④)만 측정하게 된다.

충전전류 ③'④'와 충전전류 ③④는 크기는 같지만 위상(방향)만 서로 180˚ 차이가 난다.

바로 이렇게, 전압위상(GPT 3차 오픈델타결선의 영상전압)을 기준으로 영상전류의 서로다른 위상을 보고,

고장이 어느 FEEDER에서 발생했는지 판별하여, 고장난 FEEDER만 선택해서 차단시킨다.

 

 

3. 옛날 기계식계전기(EM Type) 경우, 어떤 방식으로 동작되는지 ?

 

· 유도원판형 기계식계전기의 경우, 전자기력으로 동작을 시킨다. 

  기계식계전기로 방향성계전기를 구현하려면, 방향(위상)이 어느 기준에 맞을때만 동작하도록 만들어줘야 한다.

  결국, 방향성 기계식계전기는 자기배열토크를 이용해서 동작원리를 구현하였다.

  한마디로, 기계식계전기는 유도원판형이기 때문에, 어떠한 것이 돌아가야(즉, 토크가 만들어져야) 동작하게 된다.

· 방향성계전기는 비접지계통에만 쓰이는 것이 아니라 접지계통에서도 쓰이며, 단락과 지락보호용으로 모두 쓰인다.

  다만, 비접지계통에서는 CT가 아닌 ZCT를 사용한다는 것이 차이점이 된다.

· PT코일에 전압이 걸리면 전류가 흐르고 이 전류가 계전기로 흘러들어가 자기장을 생성한다. 

  CT코일에 흐르는 전류가 계전기로 흘러들어가 마찬가지로 자기장을 생성한다.

· 얻어진 두개의 자기장에 의해 토크가 생길 수 있는 가장 기본적인 조건은 마련되는 것이며, 두개 자기장의 위상이

  서로 다른 정도에 따라 토크의 크기가 좌우된다.

· 토크라는 것은 벡터이기 때문에, 왼쪽으로 돌아갈수도 있고 오른쪽으로 돌아갈수도 있다.

  예를들어, 왼쪽으로 돌아가는 것이 정방향이고, 오른쪽으로 돌아가는 것이 역방향이라고 하면

  정방향으로 돌아가는 토크에 대해서만 동작토크로 설정하고, 역방향으로 돌아가는 토크에는 계전기가 동작하지 않도록

  부동작 셋팅해준다. 즉 이러한 방식으로 방향성을 갖는다.

 

 

 ▼아래 참고자료(왼쪽 그림)과 같이,

· 자기배열토크를 얻기 위해서는 두개의 자기장이 있어야 하며, 그 두개의 위상은 서로 벌어져 있어야 한다. 

  두 자기장의 위상차이가 90˚가 벌어졌을때 가장 큰 토크를 얻어낼 수 있다. (∵Sin90˚=1)

  즉, 최대토크가 나오는 위상각을 최대감도각이라고 부른다. (최대감도각; MTA: Maximum Toque Angle)

  그래서, 계전기를 셋팅할때 고장이 나게되면 갈수있는 예측되는 장소에다가 최대감도각을 설치해준다.

  예를들어, 3상단락이 발생하는 경우 전압과 전류의 위상차가 80~90˚ 사이로 벌어지기 때문에 이러한 정보를

  바탕으로 80~90˚ 사이에 최대감도각 MTA를 설치해주면 토크가 가장 크니까 가장 민감하게 동작할 수 있게 된다. 

▲위 참고자료(오른쪽 그림)와 같이

· 전압은 변하지 않는 요소이기 때문에 전압을 기준으로 한다. 

  전력계통은 정전압 계통이기 때문에, 전압은 늘 일정하고, 전류는 부하에 따라 달라진다. 그래서 전압을 기준으로 한다.

· PT전압(Vpt)이 기준이 되며, PT전류(Iv)는 지상회로이기 때문에 PT전압(Vpt)보다 위상이 뒤져서 흐른다.

  (∵VLI ← L회로에서 I는 V보다 늦는 지상이다.)

  즉, PT전류(Iv)가 파이1(자기장1)이 되고, 파이2(자기장2)는 CT전류(I)이므로, CT전류가 어떻게 흐르느냐에 따라

  동작위치가 정해지게 된다. 정상부하일때의 위상위치와 단락일때의 위상위치 그리고 지락일때의 위상위치가

  서로 다 다르게 놓여질 것이다. 즉 PT전류(Iv)를 기준으로 CT전류(I)의 상대적인 위상을 보고 동작여부가 결정된다. 

· 즉, PT전압(Vpt)에 의해 PT전류(Iv)가 결정되고, PT전류(Iv)가 기준이므로 0˚가 된다. 

  다만, 3상 단락일때와 지락일때 그리고 단락일때의 CT전류(I)가 다 다르고, 위상이 다 다를것이므로

  목적에 맞게 최대감도각(MTA)를 조정해서 계전기가 동작되도록 셋팅해주면 된다.

  즉, 최대감도각을 조정하기 위해서는 기준전류인 PT전류(Iv)를 미세하게 조정해가며 최대감도각이 90도가 되도록 한다. 

· 만약 아래 그림.8과 같이, 자기장2(CT전류)가 0~180˚도 이내인 약 60˚ 부근으로 떨어졌다면, 이는 전류파형의 + 영역이므로

  계전기 동작영역(정방향토크)에 해당한다. 반대로 180~360˚ 사이에 전류가 떨어지면 부동작영역이므로 부동작 한다.

그림.8

· 그런데, 동작영역에 떨어졌다고 해서 즉, 방향만 맞다고 해서 모두 동작해버리면 오동작의 원인이 되기도 한다. 

  그래서, 위 참고자료의 오른쪽 그림을 보면, 최소동작전류선을 원점에서 살짝 이동시켜놓은 것을 볼 수 있다.

  전류의 크기도 어느정도 넘어야만 동작한다는 것이다. 방향이 중요한것은 맞는데, 전류의 크기도 최소한의 값

  이상으로는 흘러줘야 한다는 것이다. 그래서 최소 동작전류선이 어느 정도 옆으로 Shift된 이유이다. 

  결국 방향성계전기의 선택성의 정확도가 높아지게 된다.

  즉, 최대감도각으로 전류 위상이 떨어진다면, 그 전류는 크기가 작더라도 동작영역에 쉽게 들어간다. 

  MTA 기준으로 보면, 원점으로부터 최소동작전류선까지의 거리가 가장 짧기 때문이다. 한마디로 전류의 크기가

  작더라도 MTA라인으로 전류의 위상이 떨어지면 동작영역에 쉽게 들어간다는 것이다. 즉 민감하게 동작할수있다.

  반면에, 방향이 맞았다 하더라도 위상이 멀리 떨어지면 그만큼 전류의 크기도 어느정도 커야 동작영역으로 들어갈수가 있다.

  고장이 아닐수도 있기 때문에 크기도 그만큼 많이 흘러야 동작하게 되는 개념이다.

  위 참고자료 오른쪽 그림을 보면 쉽게 이해할 수 있는 부분이다. (빨간색 긴 전류선과 짧은 전류선의 차이를 보아라)

 

 

▼아래 추가 설명그림.9 참고.

추가 설명 그림.9

이로써, 선택지락계전기(SGR, 67G)에 대한 전반적인 설명을 마치겠다.

위의 내용을 전반적으로 이해할 수 있다면 방향성계전기인 선택지락계전기에 대해 어느정도 개념을 잡을 수 있을 것이다.

 

 

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다음은, 선택지락 계전기(SGR, 67G)에 대한 개요와 구성방식 그리고 동작특성에 대해 살펴보겠다.

 

4. 개요

· 비접지 계통의 지락사고를 검출하여 고장회로만을 선택차단하는 방향성계전기다.

· SGR은 지락사고시 GPT로 영상전압과 각 선로상 ZCT를 통해 영상전류를 검출하여 선택차단한다.

 

5. 구성

5.1) GPT(Ground Potential Transformer)

5.1.1) 설치목적

           지락시 영상전압을 검출하여 SGR(67G)의 입력으로 사용하며,  Y-Y-△ 변압기의 3차측 △결선의

           지락보호용 OVGR((64)의 경보알람용 입력으로도 사용한다.

5.1.2) 정격(6.6kV 계통)

            · 1차(Y결선) : 6,600V/r3                               *중성점 접지

            · 2차(Y결선) : 190V/r3 (=110V)                   *보호계전기 전원공급

            · 3차(Open △결선) : 190V/3 (=63V)           *영상전압 출력

            · 정격부담 : 상당 483[VA], 3상 1,448[VA]     *VA=6,600/r3 x 0.38/3 = 483[VA]/phase

 

5.2) 한류저항기(CLR : Current Limiting Resistor)

5.2.1) 설치목적

            · SGR 동작에 필요한 지락전류의 유효분전류(Ir 저항성성분전류)를 발생시키기 위해.

            · GPT 3차의 델타 결선내에서 3고자파를 순환시켜, 3고조파에 의한 계전기(SGR, OVGR)의 오동작을 방지하기 위해.

            · 지락고장 제거 후 정상 복귀시 대지 정전용량의 불균형에 의한 중성점 전위의 진동을 억제하기 위해

              → 저항이 빠르게 진동에너지를 흡수한다.

5.2.2) 정격

            · 저항의 크기

               1선 완전 지락고장시 380mA 이하로 지락전류를 제한할 수 있는 저항이다.

                - 3.3kV 계통의 한류저항기는 50Ω이며,

                - 6.6kV 계통의 한류저항기는 25Ω이며,  이를 1차측 중성점저항으로 환산하면 약 10,000Ω 이어서

                  1차측 중성점으로 흘러들어가는 지락전류는 380mA 이하로 제한된다.

 

5.3) 영상변류기(ZCT : Zero sequence Current Transformer)

5.3.1) 설치목적

           지락고장시 선로에 흐르는 영상전류를 검출하여 SGR의 입력으로 사용한다.

5.3.2) 정격

            · 정격 영상1차전류 : 200mA

            · 정격 영상2차전류 : 1.5mA

 

 

6. 동작특성

     임의의 피더에서 지락사고가 발생하면 선로의 대지 정전용량을 통해서 충전전류(Ic)와,

     GPT 중성점 접지를 통해서 저항성전류(Ir)가 흐른다.

     · 지락고장 Feeder

       고장 Feeder 에는 충전전류(Ic)와 저항성전류(Ir)가 동시에 흐르며, ZCT는 이를 검출한다.

     · 건전 Feeder

       건전 Feeder에는 충전전류(Ic)만 흐르며 ZCT는 이를 검출한다.

       이때, 충전전류의 위상은 고장 Feeder의 충전전류와 서로 180˚ 차이가 있다.

 

참고로, 고장이 아닌 정상상태에서, 평소 ZCT는 검출하는 전류가 없다가

            지락이 발생하면 영상전류가 생기게되고, ZCT는 바로 이 영상전류를 검출한다. 동시에 저항성성분도 검출한다.