5. 거리계전기(Distance protection) 적용시 문제점

거리계전기(Distance protecion)를 사용할 때 주의사항에 대해 알아 두어야 한다.

 

@기본설명

거리계전기는 임피던스를 계산해서 동작하는 계전기이기 때문에, 계전기 입장에서 예상치 못한 임피던스가 계산에 포함되게 되면

오동작할 가능성도 있고, 부동작 할 가능성도 있다. 그 예상치 못한 임피던스에는 아크 저항과 고장점 저항이 포함된다.

이러한 저항까지 감안하여 계전기를 정정하기에는 매우 어려운 문제점이 있다.

실제 고장이 발생한 지점보다 아크 저항이나 고장점 저항이 더 추가되기 때문에, 계전기 입장에서는 실제 고장점 보다

더 먼 곳에서 고장이 발생한 것으로 판단해서 언더리치(under reach) 즉 부동작의 원인으로 작용한다.

 

1. 아크저항의 영향

   동작한계영역 근처에서 고장이 발생되면 아크 저항의 영향으로 언더리치하여 Zone 1의 사고가 Zone 2로 넘어가는 경우가 있음.

@보충설명

예를 들어 Zone 1의 한가운데의 송전선로 임피던스 라인으로 고장 임피던스가 놓이게 되면 괜찮은데,

위 그림과 같이 한계영역 근처의 송전선로 임피던스 라인으로 떨어지게 될 경우, 여기에 아크 저항이나 고장점 저항이 계산에 포함되면

순수 저항성분이 더해지므로 Z=R+jX 의해 오른쪽으로 밀려나게 돼서 정정원을 벗어난다.

이렇게 되면 Zone 1 에서 동작해야 될 사고가 Zone 2로 넘어가서 한시동작, 지연동작(154kV경우 0.33초)하게 되는 문제점이 있다.

 

 

2. 분류효과

    다단자 전원 계통에서는 분류효과 때문에 겉보기 임피던스가 증가하여 거리계전기가 정정 범위 내에 도달하지 못하여,

    자기 보호 구간임에도 불구하고 부동작 하는 것을 말한다.

@보충설명

분류효과도 계전기가 언더리치(부동작)할 수 있는 원인에 포함된다. 분류효과를 설명하는 대표적인 위 모델에서,

만약 T분기된 다단자 전원(Gb)가 없었다면 21 거리계전기가 측정하는 임피던스는

X1과 X2이며 전류는 Ia만 해당되었을 것이다.

그러나, 중간에 T분기된 다단자 전원이 있으면 21 거리계전기가 측정하는 임피던스는

똑같이 X1과 X2이지만, 전류는 Ia 뿐만 아니라 Ib도 임피던스 계산에 포함되게 된다. (아래 계산 참고)

즉, 계전기가 계산한 겉보기 임피던스는 실제 고장점의 임피던스보다 더 크게 나오므로,

계전기는 자기구간을 벗어난 고장이라고 판단해서 순시동작을 안한다거나 Zone 2로 지연동작하게 한다.

 

 

3. 고장초기 직류분 전류에 의한 오버리치(Over reach)

    임피던스를 계산 초기의 전류에 포함된 직류분에 의한 계산의 영향을 받아, 실제 임피던스보다 작계 계산되어

    자기 보호구간 고장으로 잘못 판단하여 오동작하는 것을 말한다.

@보충설명

자기 보호구간이 아닌 곳에서 고장이 발생하였음에도 불구하고 자기보호구간 내의 1번 거리계전기도 함께 트립이 되는 문제점이 있다.

원래대로라면 실제 고장이 발생한 부분은 당연히 2번 거리계전기의 보호구간이기 때문에 Zone 1 요소에 의해 동작을 하므로,

1번 거리계전기의 Zone 2 요소는 동작할 일이 없는데, 1번 거리계전기가 자기 보호구간 내 고장이 발생한 것으로 오해(잘못 판단)해서

1번 거리계전기도 오동작(Over reach)시켜 버리는 문제점이 생긴다.

이렇게 계전기가 잘못 판단하는 이유는 바로 고장전류는 초기에 직류분을 포함한다는 것에서부터 기인한다.

초기 고장전류는 비대칭요소에 의해 계전기가 다소 큰 전류값으로 인지하기 때문에 Z=V/I 에서 임피던스가 실제 고장점 임피던스보다

다소 줄어든 값으로 계산될 수가 있다. 고장전류는 초기 직류분을 포함하는 비대칭전류이기 때문에 이러한 오버리치 문제점이 있다.

 

4. 발전기 동기탈조시 오동작(Over reach) 가능

     일시적으로 발전기의 동기탈조가 발생하는 경우, 선로 양측 전원사이의 전압 위상차가 0˚와 180˚ 사이를 진동하게 되는데,

     이때 108˚ 차이가 발생하는 순간 3상 단락사고와 유사한 현상이 나타나는데, 이때 임피던스가 송전선로 보호를 위한 

     거리계전기의 동작범위 내에 있으면 오동작 하게 된다. 송전선로 보호 거리계전기의 Zone 1, 2 요소는 동작을 억제하고,

     Zone 3 요소에서 트립을 마침내 허용한다.(동기탈조로 인한 오동작 트립을 저지하기 위한 방식이다.)

     송전선로 단락사고시 임피던스 궤적은 매우 빠르게 이동하지만, 동기탈조시 진동하며 매우 느리게 이동하는 특성이 있다.

     2Ω 이동에 4~5Hz(64ms~80ms) 이상 걸리면 동기탈조로 인한 임피던스의 이동궤적으로 판단해서 Zone 2, 1 영역에서도

     계전기는 동작하지 않을 것이나, 만약 그보다 빠르게 임피던스가 이동궤적을 보였다면 매우 빠르게 계전기 정정원 Zone 1 영역으로

     들어올 것이고 동시에 실제 3상 단락사고와 같은 고장으로 계전기가 판단해서 동작을 하게 될 것이다.

@보충설명

즉, 거리계전기는 송전선로의 후비보호로 쓰이는 계전기이기 때문에, 발전기에서 동기탈조 현상이 발생할 경우에는 발전기에 설치된

동기탈조 보호용 계전기 등에 의해서 보호되어야 하는 것이지, 송전선로 보호에 쓰이는 거리계전기가 동작하면 안된다는 것이다.

동기탈조로 인한 오동작 트립을 저지하기 위해서는 궤적이 움직이는 특징들을 살펴보면 된다.

3상단락과 같은 고장은 굉장히 빠르게 이동하지만, 동기탈조로 인한 임피던스 이동궤적은 굉장히 느릴 뿐만 아니라 진동하며 이동한다.

이러한 궤적의 특징을 이용해 거리계전기 문제점에 대한 대책을 마련하여 계전기를 셋팅하여야 한다.

 

아래 그림은 발전기 동기탈조 시 위상이 0˚ 와 180˚ 사이를 빠른속도로 진동하는 해석결과를 보여준다. (이이스피(주) 자료 참조)

 

 

5. 전압상실 시 오동작(Over reach)

    PT의 회로가 단선된 경우, 전압이 상실되어 계전기가 보호범위로 인식하여 오동작하게 된다.

    - 과전류 감시 및 PT Fuse failure 감시를 통해 거리계전기 오동작을 억제함.

 

@보충설명

거리계전기는 기본적으로 CT, PT의 소스를 받아 임피던스를 계산한다.

그런데 PT회로가 단선되거나 PT전단의 PT Fuse가 끊어지는 경우 전압이 측정되지 않기 때문에,

즉 허전압이 측정되기 때문에 계전기는 Z=V/I 에서 굉장히 낮은 임피던스로 인식하여 오동작하게 된다. 이를 보안하기 위해

PT Fuse 상태체크와 과전류계전요소를 AND조건으로 묶어서, 거리계전기가 허전압으로 인해 오동작하려고 해도 이를 억제시킨다.

 

 

6. 계전기 설치점 근처에서 3상 단락사고 발생 시 부동작

    계전기 설치점과 아주 가까운 거리에서 단락 고장시 전압이 0으로 되면, 특히 Mho형 계전기는 부동작 할 가능성이 있다.

    이러한 부동작을 방지하기 위해 off set Mho형으로 이를 보완한다.

 

 

7. 다중 사고시 언더리치 가능성

    계전기 설치점의 전방과 후방 사고시 동작전류가 감소하여 언더리치 할 가능성이 있다.

 

@보충설명

자기 보호범위구간(전방, Front)에서 고장이 발생하면 당연히 동작을 하는데, 후방(Rear)에도 같이 사고가 나면

사고로 인해 흡수된 전류가 있으므로 자기구간 내 CT의 전류는 상당히 줄어들게 된다. 그럼 Z=V/I 에서 임피던스가 상승한 것처럼

계산이 되므로, 정정원 안으로 들어와야 할 고장점 임피던스가 정정원 밖에 떨어질 가능성이 있어 계전기가 부동작(Under reach)할 

가능성이 있는 것이다.