서당개웅슬라

· 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.

· 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.

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.

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.

[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.

변압기 보호방식 중 주보호(단락,지락) 비율차동계전기는 비율정정 하는법에 대해 앞에서 다뤄 보았고,

본 게시글에서는 아래의 문제를 통해 변압기 후비보호(단락,지락) 과전류계전기 정정에 대해서 알아보겠다.

[문제]

다음 그림1의 변압기의 154kV OCR, 22.9kV OCR 및 OCGR을 정정하시오.

(단, 전원측 임피던스는 100MVA 기준 5% 이다.)

@위 보충설명(변압기 과전류계전기 보호단선도 예)

1차측(전원측)에서 발생하는 단락사고와 과부하를 50/51이 보호하고, 변압기내부사고 87에 대한 후비보호도 된다.

2차측(부하측)에서 발생하는 단락사고와 과부하를 51이 보호하고, 변압기내부사고 87에 대한 후비보호도 한다.

그리고 2차측 Y결선 중성점접지에서 지락사고를 51N이 검출하고, 변압기내부사고(지락) 87에 대한 후비보호도 한다.

▦ 문제를 풀기에 앞서, 과전류계전기 정정을 위한 기본 데이터를 구하고 유의사항들을 숙지하자.

1) 2차측 모선에서의 3상 단락전류

1.1) 전원측 임피던스와 변압기 임피던스를 고려해야 하고, 계산기준을 100MVA로 할지 60MVA로 할지 결정한다.

       (임피던스 기준을 하나로 통일해주면 된다. 어느 한쪽을 기준으로 나머지 임피던스를 바꾸더라도 계산 값은 같다.)

       (서당개 웅슬라는 변압기의 용량을 기준으로 계산을 하는 편이다.)

1.2 ) 위에서 구한 2차측의 3상 단락전류는, 1차측 과전류계전기의 순시정정에 필요하므로, 1차측으로도 변환해준다.

        (변압기는 1:1 변압기가 아니기 때문에, 1차측 전류와 2차측 전류는 다르다.)

2) 1차측 선간 단락전류

     - 1차측 계전기 순시정정에 필요한 값으로, 1차측에서 선간단락이 발생하면 무조건 순시동작 해야 하므로,

        계전기가 선간단락전류값에 정상적으로 순시동작하는지 알아보기 위해 알아야 하는 전류이다.

     - 1차측에서 발생한 선간단락이므로 변압기의 임피던스는 고려할 필요가 없고,

     - 전원측 임피던스(5%, 100MVA기준)를 변압기용량 60MVA기준으로 변환시키고,

     - 선간 단락전류를 따로 계산하기 보다는, 고장계산에서는 일반적으로 3상 단락전류의 86%가 선간 단락전류가 된다.

3) 여자돌입전류와 변압기의 열적한계

    1차측 과전류계전기는, 1차측에만 흐르는 변압기 여자돌입전류에 동작하지 말아야 하며, 

    변압기 뿐만 아니라 모든 기기는 열적으로 견딜수 있는 한계가 있기 때문에, 계전기정정시 열적한계곡선을 그려놓고

    계전기 정정곡선이 해당기기의 열적한계곡선 아래에 위치하게끔 하여, 열적한계에 다다르기 전 동작할 수 있도록 한다.

3.1) 여자돌입전류(Inrush Current)

       일반적으로 변압기 투입시 여자돌입전류는 정격전류의 8~12의 크기이다.        

       뒤에서 살펴볼 IEEE에서, 변압기 용량이 큰 경우 12배로 권장하고 용량이 작은 경우 8배를 권장한다.

       그리고 T-C곡선에 표시해야 하기 때문에 시간도 알아야 한다. 

       즉, 변압기 용량이 크기 때문에 여자돌입전류를 정격전류의 12배로 하고 시간은 0.1초로 한다. 

       (변압기 여자돌입전류가 0.1초만 흐르고 없어지는 것이 아니라 길게는 60초 동안도 흐른다.

       다만, 계전기 입장에서 볼 때 보통 0.1초 동안 여자돌입전류가 가장 크게 흐르기 때문에 0.1초로 적용하는 것이다.)

3.2) 열적한계곡선(ANSI Current)

        I(전류)제곱*t=1250 을 이용해 열적한계특성곡선을 그린다.

        여기서 전류 I는 단위값 pu전류로서, 정격전류의 몇배의 과부하전류가 흐르냐에 따라서 시간특성이

        달라지는 것이다. 전류가 크면 클수록 열적으로 견딜 수 있는 시간은 점점 짧아진다.

        (ex. 정격전류의 10배에 해당하는 과전류가 흐르면 변압기는 12.5초까지만 열적으로 이상없이 버틸수 있다는 것이다.)

        이렇게 구한 열적한계곡선으로, 계전기정정곡선이 올바르게 되었는지 판별하는데 사용해도 되지만,

        ANSI Point 라고 하는 한 점의 값만 구해서, 계전기정정곡선이 이 점 아래에 위치하는지만 보고 판별하기도 한다. 

        그러면, 변압기의 %임피던스가 4~7%인 경우,

        어떤 방식으로 ANSI POINT를 계산하는지 살펴보고, 계산된 ANSI POINT 아래에만 계전기 정정곡선이 위치하면 된다.

        만약, %임피던스가 7% 이상인 경우라 하더라도, 7%를 기준으로 계산한다. 

        그래서 변압기 돌입전류와 열적한계(ANSI POINT)는 아래와 같다.

        즉, 계전기정정곡선은 2699A(0.1초)보다는 위에, 3217A(5초)보다는 아래에 위치해야 한다.

        참고로, 비율차동계전기는 변압기 여자돌입전류에 의해 오동작하지 않도록 제2고조파억제법을 사용하며,

        과전류계전기는 변압기의 여자돌입전류에 의해 오동작하지 않도록 아래와 같은 대책을 사용한다.

▒ 이제부터, 문제를 풀어보겠다.

     변압기 1차측부터 2차측으로 순서대로 과전류계전기를 정정해보겠다.

1. 154kV측 과전류계전기

1.1) 한시정정

      - 한시정정은 정격전류의 150~200% 사이에 동작할 수 있도록 정해주는데,

         획일적으로 언제는 140%, 언제는 160% 이렇게 할 수는 없고, 일반적으로 정격전류의 150%부터 동작하도록 한다.

ⓐ가 ⓑ의 후비보호라면 0.3초의 시간협조를 두겠지만, ⓐ에서 차단되어 끊어지나, ⓑ에서 차단되어

끊어지나 어차피 같은 라인이고 같이 정정되는 개념이기 때문에 1차측과 2차측 간에는 시간협조를 둘 필요가 없다.

2) 순시정정

    대부분 사용자들은 순시정정을 그냥 2차측 3상 단락전류의 150~200%(1.5배~2배)사이로 적용을 하는데,

    이는 잘못된 방식이다. 순시정정을 하기 위해서는 아래의 총 세 가지 사항을 동시에 종합적으로 고려해야 한다.

2.1) 위에서 계산한 것처럼, 2차측에서 3상단락이 발생하면 1차측에도 rms값으로 978[A]가 흐른다.

       그런데 실제로 파형을 찍어보면 비대칭파형이 흐른다. DC 직류분이 어느정도 실려서 흐르게 되는 것이다.

       그래서, DC직류분 때문에 비대칭계수를 포함시켜줘야 한다. 보통 비대칭계수를 1.6으로 적용시킨다.

       1.6배라는 것은 150~200% 사이에 포함된다고 봐도 무방하긴 하다. 

       그리고, 2차측에서 발생한 3상 단락사고는 2차측에서 우선 차단이 되어야 하는게 원칙이다.

       그래서, 2차측 고장으로 인해 1차측에서 순시차단이 되지 않도록 1차측 순시정정시 비대칭계수(1.6)를 

       적용해 주는 것이다. 즉, 3상단락전류는 비대칭파형전류이고, 2차측에서 발생한 비대칭 3상 단락전류에

       의해 1차측에서 순시차단되지 않도록 비대칭계수를 적용해주는 것이다.

       - rms X 비대칭계수(1.6) = 978[A] X 1.6 = 1,564[A]

          ☞ 보통 1.6배를 써도 되는데, 뒤에서 살펴볼 IEEE 권장사항을 보면, DC성분은 Off-Set이라는 점에서,

              디지털계전기는 대부분 Off-set 필터를 쓰고, 아날로그계전기라고 할지도 DC Off-set 필터를 별도로

              쓸 수가 있으므로, 즉 계전기에 DC Off-set filter가 포함된 경우라면 비대칭계수를 1.6배보다 작은

               1.3배로 적용해준다.

2.2) 변압기 여자돌입전류에 동작하지 않아야 한다. 

        뒤에서 살펴볼 IEEE에서는 변압기 여자돌입전류의 2배를 초과해서 적용하도록 권장한다.

        - 여자돌입전류(Inrush) X 2 = 2,699[A] X 2 = 5,398[A]

           ☞ 여자돌입전류는 2고조파가 많이 포함되어 있기 때문에 2고조파 억제필터와

                DC성분으로 인해 초기 비대칭에서는 한쪽으로만 전류파형이 나오기 때문에 DC 필터가 

                포함된 경우라면 2배보다 작은 1.3배로 적용해준다.

2.3) 1차측 선간 단락전류에 동작하도록 한다.

즉, 1차측으로 환산된 3상단락전류에 동작하지 않아야 하며, 변압기 여자돌입전류에 동작하지 않아야 한다.

동시에 1차측 선간 단락전류에는 동작해야 한다.

그래서, 아래와 같이 3,509[A]를 순시정정치로 잡는 것이다.

만약, 단순히 3상 단락전류 rms의 150~200% 중 150%에 해당하는 값(1,467A)으로만 순시정정을 하게되면

변압기 여자돌입전류(3,509A)에 동작해버리는 오동작의 원인이 되기 때문에 위와 같이 반드시 세 가지 사항을

고려하여야만 하는 것이다.

위의 154kV측 과전류계전기 정정에 대한 내용을 종합적으로 정리하면 아래와 같다.

2. 22.9kV측 과전류계전기

    한시정정은 2차측 정격전류의 150%로 적용하고, 순시정정은 하지 않는다.

3. 22.9kV측 지락 과전류계전기

    한시정정은 2차측 정격전류의 30%로 적용하며, 순시정정은 하지 않는다.

4. 과전류계전기 정정곡선

위 내용을 모두 반영한 과전류계전기 정정곡선은 다음과 같다.

- 한시동작은 기본적으로 150%로 적용하고

- 변압기 2차측과 1차측은, 2차측 3상 단락전류에 0.6초 이내 한시동작하며 1, 2차측간 별도의 시간협조를 두지 않는다.

- 피더측과 변압기1, 2차측간 시간협조는 0.3초이다.

- 변압기 여자돌입전류(Inrush Current)에는 동작하지 않게 한다.

- 변압기 열적한계 ANSI Point 아래에 정정곡선이 위치해야 한다.

- 변압기 2차측은 순시정정 하지 않는다.

- 1차측 선간 단락전류에 순시동작 되어야 하며, 선간 단락전류값 이전에 순시정정 되어야 한다.

[참고자료] 산업용 계통 IEEE 권장 Guide

아래 C. 항

3상 단락전류 비대칭전류의 DC성분에 의해 정격전류의 1.6배의 전류에 동작하지 않도록 하는데,

계전기에 이러한 DC필터나 offset필터가 있는 경우라면 1.3배의 비대칭계수로 적용할 것을 권장하고 있다.

아래 D. 항

변압기 여자 돌입전류(Inrush Current)와 관련된 D항을 보면, 

변압기 용량이 2,500kVA 이상이면 FLC(정격전류)의 12배를 적용하고,

변압기 용량이 2,500kVA 이하이면 FLC(정격전류)의 8배로 적용할 것을 권장하고 있다.

[참고자료] ANSI Point(열적한계포인트), Inrush Current(여자 돌입전류)

1. 브흐홀쯔 계전기(Buchholz Relay)

   브흐홀쯔 계전기는 변압기의 내부에서 발생한 고장으로 인한 가스의 부력과 절연유의 급속한 유속을 이용하여 

   변압기의 내부고장을 신속하게 검출하는 계전기로서, 변압기 본체와 컨서베이터(Conservator) 사이에 설치된다.

    · Float 1 (경보용)

      변압기 내부 과열로 서서히 발생되는 가스 검출량이 일정량 이상이면 동작한다.

    · Float 2 (차단용)

      단락사고와 같은 내부고장으로 인한 급격한 내부 압력증가시 절연류의 급속한 이동을 감지하여 동작한다.

2. 충격압력계전기(Rapid Pressure Rise Relay)

    변압기의 내부 사고시에 발생되는 분해가스로 인한 충격성의 이상압력 상승을 순시로 검출해서

    차단하는 방식으로 절연유가 닿지 않는 변압기의 상부에 설치된다.

    충격압력계전기 종류에는 가스압과 유압을 검출하는 방식이 있다.

     · 정상 또는 완만한 압력상승 : 양쪽면에 걸리는 압력이 균형화 돼서 부동작 상태를 유지함

     · 내부고장에 의한 급격한 압력상승 : 벨로우즈를 밀어 올려서 마이크로 스위치 점접을 폐로함

    아래 그림과 같이 정상상태 또는 완만한 압력상승시에는 감도조절밸브가 있는 좁은 통로로

    기체가 서서히 통과돼서 시간이 지나면 결과적으로 A측과 B측의 압력은 같아지게 된다.

    그러나, 내부고장시 급격하게 압력이 상승하는 경우에는 좁은 통로로는 가스가 빠르게 들어가기 

    어려우므로, A측에는 압력이 높아지고 B측은 압력이 상대적으로 낮은 상태가 되기 때문에, 벨로우즈가

    상부에 있는 마이크로스위치를 밀어버리게 되어 결국 트립용접점이 붙어 계전기가 트립동작을 하게 된다.

    참고로 벨로우즈는 진공상태에서 쓰이며 주름관이기 때문에 플렉시블하게 움직일수 있는 부분이며, 

    진공차단기(Vacuum interrupter)의 가동부쪽에도 벨로우즈가 설치돼 온오프 동작에 쓰인다.

    그래서 가장 대표적인 변압기 기계식보호계전기는 브흐홀쯔 계전기와 충격압력계전기다.

3. 방압안전장치(Pressure Relief Device)

    압력이 어느정도 상승하게 되면 압력용기가 돼서 압력으로 인해 외함이 폭발해 사고가 발생하기 떄문에

    일정압력 이상으로 압력이 상승하면 압력이 낮아질 수 있도록 압력을 배출시켜주는 장치로써,

    즉, 변압기 내부 고장으로 인하여 내부압력이 기준압력 이상으로 상승하면 변압기의 외함이 파손되는 것을

    막는 방압장치(Pressure Relief Device)를 설치해야 한다.

    방압막이 동작할 떄 아래 그림 가운데 신호봉이 올라오면서 차단기 동작이 가능하도록 구성된 장치다.

    신호봉은 평상시 내부 스프링의 힘에 의해 올라오지 않고 가만히 있다가 내부의 압력이 방압안전장치의 내부

    스프링의 힘을 이길 정도로 크게 상승하면 신호봉이 위로 움직여서 계전기가 트립되는 방식이다.

    (10±1psi 초과시 방압막(다이아프램)이 동작하여 외부로 방출함)

4. OLTC 보호계전기

    OLTC 탭절환기 내부에 고장발생시 OLTC용 컨서베이터 쪽으로 급격하게 이동하는 유류를 검출하여 동작하는

    보호계전기이며, 이 계전기는 OLTC 유격실과 OLTC용 컨서베이터 사이에 설치되는 장치이다.

5. 가스검출계전기

    변압기 내부의 부분방전과 절연불량으로 생성된 가스가 검출되면 경보를 울리는 장치로 경보용 접점이 구비된다.

6. 온도측정장치

    변압기 운전시 냉각장치의 고장이나 과부하 등으로 인한 온도상승한도를 측정하기 위해

    유온지시계기(Oil Temperature Indicator)와 권선온도지시계기(Winding Temperature Indicator)를 설치한다.

    유온지시계기(OTI)에는 경보용 접점이 구비되며,

    권선온도지시계기(WTI)에는 경보용 접점과 트립용 접점 그리고 냉각장치의 자동운전을 위한 접점들이 구비된다.

7. 유면계(Oil Level Indicator)

    변압기 절연유가 일정 값 이하로 유면이 저하될 경우 경보를 울리는 장치로 경보용 접점이 구비된다.

1. 변압기 보호 계전방식

 * 지락 과전류계전기(51G)는 비접지계통에서 생략한다.

   한전 154kV 계통은 접지계통이므로, 고객전용선로 수용가 변전소가 △-Y변압기라 하더라도

   1차측은 비접지계통이 아닌 한전 접지계통이므로, 지락 과전류계전기를 이용해 지락보호를 한다.

1.1) 154/22.9kV 변압기 보호단선도의 예

        · 주보호

           - 단락, 지락보호 : 비율차동계전기

        · 후비보호

           - 단락보호: 과전류계전기

            - 지락보호: 지락 과전류계전기

@위 보충설명

  · 변압기 1차측은 순시형 과전류계전기(50)와 한시형 과전류계전기(51)를 같이 쓴다.

    변압기 2차측은 한시형 과전류계전기(51)만 쓴다.

    변압기 내부 사고에 대한 주보호는 비율차동계전기를 적용하고, 후비보호는 과전류계전기가 담당한다.

    그리고, 변압기 내부가 아닌 1차측 혹은 2차측에서 사고가 발생하면 해당측 과전류계전기가 주보호로 동작하되,

    변압기 내부 사고에 대해서는 비율차동계전기(87)가 back-up을 한다.

    즉, 변압기 내부사고 시 주보호는 87이 담당하고 후비보호는 51이 담당하는 것이고,

    변압기 1차측 혹은 2차측 사고시 주보호는 해당측 51이 담당하고, 후비보호는 87이 담당하는 개념이다.

  · 22.9kV Incoming Feeder 고압배전반에는 한시형 과전류계전기(51)만 설치되고,

    Feeder 배전반에는 50, 51 과전류계전기가 취부되어, Feeder측 부후단에서 사고 발생 시 순시형 과전류계전기(50)로 

    즉시 해당 피더만 차단되며, 차단에 실패할 경우 0.3초로 보호협조가 이뤄진 Incoming Feeder의 한시형 과전류계전기가

    동작해서 전체 Feeder는 정전되게 된다. 이러한 이유 때문에 Incoming Feeder에는 순시형 과전류계전요소(50)를

    적용하지 않는 것이다. 만약 Incoming Feeder에도 50 요소가 반영되어 있다면 부하측에서 사고발생시 Main VCB가

    동작해서 전체 Feeder가 정전되기 때문이다.

1.2) 345/154kV 변압기 보호단선도의 예

        · 주보호

           - 단락, 지락보호 : 비율차동계전기

        · 후비보호(1차측, 2차측)

           - 단락보호: 방향성 거리계전기(21)

           - 지락보호: 방향성 지락 과전류계전기(67G)

        · 후비보호(3차측)

           - 단락보호: 과전류계전기(51)

           - 지락보호: 지락 과전압계전기(OVGR, 64)

@보충설명

	@주보호(비율차동계전기) 한전에서 쓰는 345/154kV 변압기는 모두 Y-Y-△ 변압기를 쓴다. 변압기 주보호에는 비율차동계전기가 쓰이며, 내부 보호범위는 네 곳 CT로부터 설정된다. 빨간색 보호범위 및 보라색 보호범위에서 사고가 발생하면 비율차동계전기가 고장 검출을 하게 된다. 빨간색 부분과 보라색 부분은 보호범위가 겹쳐지는 부분이 있는데 만약 이곳에서 사고가 발생하면 네 개의 변류기 중 먼저 찾아낸 변류기가 계전기로 신호를 보내 계전기동작을 시키게 된다.
	@후비보호(1, 2차측) 21번 거리계전기를 사용해서 1, 2차측 후비보호를 한다. 방향성을 갖는 Off-Mho형 거리계전기를 사용해서 전방에서 발생한 사고를 보호하게 된다. 거리계전기는 임피던스를 계산하기 위해서 전류와 전압소스가 필요하며 345kV측 거리계전기의 전압요소는 345kV GIS의 선로PT로부터 입력받으며, 154kV측 거리계전기의 전압요소는 154kV GIS의 모선PT로부터 입력받는다. 즉, 위와 같이 단락에 대한 보호는 거리계전기(21)을 이용하며, 지락에 대한 보호는 방향성 지락 과전류계전기(67G)를 이용한다. 방향성 지락 과전류계전기도 마찬가지로 내부보호범위에 발생한 지락만을 검출하기 위해 방향성을 갖는 지락 과전류계전기를 사용하는 것이며, 방향성 검출을 위해 거리계전기와 마찬가지로 전류, 전압소스를 받는다. @후비보호(3차측) 단락 후비보호는 과전류계전기로 심플하게 보호한다. 방향성을 보지 않고 크기만으로 심플하게 단락을 보호한다. 지락에 대한 보호는 OVGR 지락 과전압계전기(64)를 이용한다. 비접지구간에서 지락을 검출하기 위한 방법 중 하나는 SGR이란 선택지락계전기를 사용해 여러개의 Feeder중 해당 Feeder만 지락에 대한 보호가 가능하게끔 하는 방법이 있으며, 가장 심플한 보호방법은 GPT와 OVGR(64)을 이용한 지락보호 방식이다.
	@비접지구간의 지락검출을 위한 GPT설치 비접지구간에 설치하는 GPT의 3차측을 오픈델타로 결선해준다. 평상시 지락이 발생하지 않으면 빨간색 3개의 벡터합이 제로 0이 돼서 64계전기가 측정하는 전압이 0이 되는데, 만약 최대 완전지락이 발생하면 64계전기가 검출하는 최대 전압은 190V까지 뜨게 된다. 물론 이 방법은 방향성을 볼 수 없지만 지락 발생 여부를 확인할 수 있는 심플한 방법이다.

2. 변압기 보호 목적

    1) 신속한 고장 제거 (전력계통 고유의 기능 유지 및 변압기 손상 최소화)

    2) 고장의 인근계통 파급 방지

    3)화재 또는 인명피해 최소화

3. 변압기 고장 원인

    1) 과부하

        변압기는 정격전류 이상의 전류로 일정기간 운전이 되는 경우가 있다.

        이 때 변압기는 내부 온도가 상승해서 절연물의 열화를 촉진하게 된다.

    2) 과전압 및 이상전압 유입

        과전압은 자속밀도 및 여자전류를 증가시키고 손실을 증가시켜 철심 및 권선의 온도가 상승되고,

        이로 인한 권선의 절연열화로, 외부 뇌서지 또는 개폐서지 유입에 의해 절연이 손상될 수 있다.

    3) 변압기 외부 계통에서의 사고

        외부에서 발생한 계통사고로 인해 큰 전류가 변압기를 관통하면 열적, 기계적 충격에 의해 내부사고로 이어진다.

    4) 냉각장치 결함

        변압기 냉각유가 순환되지 않을 경우 변압기 온도상승을 초래해서 절연성능이 저하된다.

4. 변압기 내부고장

    1) 권선간, 층간 단락

        단락된 권선에는 큰 전류가 흘러서 보통 비율차동계전기로 보호가 가능하지만,

        단락된 권선수가 적을 경우에는 1, 2차간의 차전류가 작아서 비율차동계전기로 검출이 어려울수도 있다.

        만약 고장이 더 진전돼서 단락되는 권선수가 많아지게 되면 차전류가 커져 비로소 계전기로 검출이 가능해진다.

    2) 권선과 철심간 절연파괴에 따른 지락

        변압기 내부에서 지락이 발생하는 경우, 계통의 중성점 접지방식과 고장이 발생한 변압기의 중성점 접지여부에 따라

        영상전류분포가 달라지게 된다.

        만약, 고장이 발생한 변압기가 접지되어 있는 경우에는 지락전류가 매우 커서 지락 과전류계전기로 보호가 가능하다.

        그리고, 중성점 비접지방식인 경우에는 지락고장 검출이 매우 어렵고 단락고장으로 고장이 진전되어야만 고장검출이 가능해진다.

        소호리액터 접지방식인 경우에는 지락전류가 거의 제로이므로 비율차동계전기로 보호하기는 어렵다.

    3) 고압권선과 저압권선의 혼촉

        변압기 내부에서 고압측코일과 저압측코일이 혼촉된다면 고압측 대지전위가 저압측으로 인가돼서

        저압측 기기의 절연을 위협하고 인체가 감전될 위험성이 있다.

        이를 방지하기 위해서는 변압기 저압측을 2종접지 하거나 혼촉방지판이 있는 변압기를 사용해야 한다.

    4) 권선의 단선

    5) 부싱 불량에 의한 절연파괴

    6) OLTC 고장

@보충설명

무부하시 변압기 투입시 1차측에 여자돌입전류가 흐르는데, 이 여자돌입전류는 1차측 정격전류의 8~12배로 크게 흐른다.

여자돌입전류가 왜 흐르는가에 대해서는 다음 변압기편 게시글에서 자세하게 설명할 예정이다. 

위와 같이, 1차측에서 전원을 투입하는 순간에 1차측에만 여자돌입전류(In*8~12)가 흐른다.

여자돌입전류는 무부하투입시 정격전류의 8~12배의 크기로 흐르지만 시간이 지나면 정격전류의 1% 정도로 낮아진다.

비율차동계전기 측면에서 보면 무부하투입시 1차측 여자돌입전류는 굉장히 크기 때문에, 아무리 억제코일(RC)이 있다 하더라도

차전류의 발생을 피할 수 없어 비율차동계전기 오동작의 원인이 된다.

즉, 변압기를 사용하려면 무부하투입을 완료시켜야 하는데, 무부하투입 중 발생하는 여자돌입전류로 인해 계전기가 오동작하여

변압기를 사용할 수 없는 상황이 발생한다는 것이다.

그래서, 변압기 여자돌입전류로 인한 비율차동계전기 오동작 방지 대책은 2고조파 억제법을 사용한다.

디지털계전기라면 모든 값들이 디지털값으로 변환되어 설정된 비율 및 정정곡선에 의해 오동작하지 않도록 비교적 간편하게 처리되지만,

기계식계전기(EM : Electro Mechanical)의 경우는 어떻게 대책을 마련하는지 살펴보자.

위와 같이, 비율차동계전기는 1차측과 2차측에 억제코일(RC)이 있기 때문에, 어지간한 큰 전류가 흐르지 않는 이상

억제코일에 흐르는 전류로 인한 억제력으로, 오동작하지 않게 된다. 

그러나 1차측에만 흐르는 변압기 여자돌입전류는 정격전류의 8~12배 정도 되는 큰 전류이기 때문에

아무리 억제코일이 있다 하더라도 임피던스가 작은 동작코일에 많은 전류가 흐르기 때문에 동작력이 억제력보다 커져서

오동작하게 되는 것이다. 

이렇게 여자돌입전류에 의한 동작력을 억제시키기 위해 기계식계전기에서는 아래와 같이 1차측에 고조파억제코일(RC)을 하나 더 

설치하는 것이다. 여자돌입전류는 2고조파를 많이 포함하기 때문에, 고조파억제코일 전단에 2고조파필터를 설치해준다.

그래서, 기본파만 동작코일(OC)로 흐르게 하고, 2고조파는 2고조파필터를 통해 고조파억제코일로 흐르게 해준다.

결국 ,여자돌입전류가 흐른다는 것은 2고조파가 많이 포함된 전류가 흐른다는 것이니까, 2고조파 전류는 추가로 설치된 고조파억제코일로

흐르게 되어 전체적으로 억제력이 더 세지게 되고, 기본파필터를 통해 기본파전류만 동작코일로 흐르게 되어 동작력이 더 작아져 결국

오동작하지 않게 된다. 즉, 억제코일을 더 추가해서 억제력을 동작력보다 더 크게 키운다는 개념이다.

기계식계전기에서는 위와 같이 고조파필터와 고조파억제코일을 추가한 방식을 적용하여 여자돌입전류로 인한 오동작에 대처하였으며,

점차 디지털화 되면서 디지털계전기에서는 고조파함유량 비율을 설정해서 프로그램으로 비교적 간편하게 정정해주게 된 것이다.

그리고 기계식계전기에서 사용되는 추가 대책인 감도저하법과 비대칭억제법은 잘 사용되지 않으니 이러한 방식들이 있다는 것만 알고

넘어가도 좋다.

1. 개요

   변압기 무부하 투입시 정격전류의 8~12배 수준의 매우 큰 돌입전류가 1차측 전원측에서만 흐른다. 

   비율차동계전기의 억제코일에 의해서만은 동작이 억제될 수 없으므로 오동작하게 된다.

   그러므로 기계식 비율차동계전기 적용시 여자돌입전류에 대한 오동작 대책 마련이 필요하다.

2. 오동작 방지 대책

    1) 고조파 억제법

        여자 돌입전류 파형 중에는 제2고조파 성분이 많다는 점을 착안하여 고조파필터를 사용하여, 

        동작코일에는 기본파가 유입되게 하고, 고조파 억제코일에는 고조파가 유입되게 함으로써 여자돌입전류에 의한 오동작을 방지한다.

        이 방식은 변압기 투입시에 고감도, 고속도 동작이 가능하며, 제2고조파 성분이 10~20% 이상이면 오동작이 억제된다.

        이 방법은 감도를 희생하지 않았기 때문에 아래 다룰 감도저하법 및 비대칭억제법보다 우수한 대책이다.

        보호계전기는 스피드와 감도가 중요한 장치로, 감도를 일부러 낮춰서 오동작하지 않게끔 만든 것이 아니기 때문에 좋은 방식이 된다.

        즉, 감도를 낮추지 않은 상태에서 고속도로 동작하는 방식이다.

    2) 감도 저하법

         여자 돌입전류가 시간이 지남에 따라 감쇄하는 것을 이용하여 차동계전기의 동작코일과 병렬로 분류저항을 넣어

         변압기 가압 후 일정시간(0.2초 정도)동안 계전기의 감도를 둔화시켜 돌입전류 오동작을 방지하는 방법이다.

         일정시간 후 저전압계전기(27)의 동작으로 정상으로 복귀한다.

         이 방식에서는 저감도 상태에서 내부사고가 발생되면 사고제거 시간이 길어지는 단점이 있다.

    3) 비대칭 억제법

        여자 돌입전류의 파형이 비대칭이라는 점을 착안하여 비율차동계전기의 동작코일과 직렬로 저지계전기를 삽입해서

        비대칭전류가 흐르면 저지계전기가 동작해서 비율차동계전기의 동작을 Lock 시키는 방식이다.

@보충설명

지난 게시글에서 변류비 부정합(mismatch)에 대해 설명했듯이,

변류비 부정합은 보호대상이 변압기이기 때문에 나타나는 오차의 원인이다.

비율차동계전기를 이용하여 발전기, 변압기, 차단기, 송전선로 등을 보호하는데 그중 변류비의 부정합은 변압기에만 나타난다.

1. 변류비 부정합(mismatch)

    변압기는 권수비에 의해서 1, 2차측 정격전류가 다르기 때문에 동일한 사양의 CT를 사용할 수 없으며,

    표준품 CT를 적용할 때 변압기 1, 2차측 CT의 2차전류를 정확하게 일치시키는 것이 곤란하다.

    디지털계전기인 경우는 이론적으로 정확하게 부정합을 해결할 수 있지만,

    기계식계전기(EM: Electro Mechanical)는 보정탭이나 보조변류기(CCT)를 적용해서 변류비 부정합을 보완해야 한다.

2. 변압기 각변위를 주의해서 CT 결선한다.

    △-Y, Y-△결선의 변압끼가 사용된 경우에는 1, 2차간의 전압의 각변위가 30˚ 발생한다.

    그러므로 1, 2차측의 전류의 위상차가 발생해서 차전류로 작용되므로, 오동작하지 않도록 1, 2차측 계전기에 

    입력되는 전류의 위상이 동상이 되도록, 변압기 Y측의 CT는 △로 결선하고, 변압기 △측의 CT는 Y로 결선해야 한다.

3. OLTC 운전

    154/22.9kV의 변압기라 하더라도 이 변압비를 그대로 유지하지는 않는다.

    왜냐하면 부하가 점점 증가하면 전압이 점점 떨어지니까 1차측에 탭 조정기(OLTC : On Load Tap Changer)를 달아놓고

    부하의 증감에 따라 Tap을 조정해서 2차측의 전압이 일정하게 유지되도록 해준다.

    그러면, 탭 조정 시 1, 2차측 간 전압비가 바뀌게 되고 이로 인해 1, 2차측 전류가 바뀌어 각 CT의 2차전류가 서로 틀어지게 되니

    변류비의 부정합(mismatch)에 대한 오차가 다시 발생하게 된다.

    그래서, 부하운전시 운전 중 OLTC의 동작으로 전압비가 자동으로 변경되어, 변압기의 1, 2차측 CT의 2차전류 Mismatch가

    발생된다. 따라서 변압기 비율차동계전기의 동작비율 정정시, OLTC가 장착된 변압기는 오차 ±6~10%를 반영한다.

@보충설명 (OLTC)

4. 여자돌입전류(Inrush)에 의한 오동작

    여자돌입전류는 변압기 무부하 투입시 1차측에만 흐르는 전류로, 정격전류의 8~12배의 크기로 흐르기 때문에

    아무리 비율차동계전기에 억제코일(RC)가 있다 하더라도 1차측에만 흐르는 여자돌입전류(In*8~12)로 인해 차전류가 발생해

    오동작할 가능성이 많다. 그래서 여자돌입전류에는 2고조파가 많이 포함된다는 특성을 이용해 2고조파 억제법을 사용하여 

    파형 중 2고조파의 함유비율(10~20%)을 설정해서 변압기 투입시 비율차동계전기의 오동작 트립을 저지해야 한다.

    즉, 2고조파가 설정치 이상 포함되었다는 것은 여자돌입전류로 인한 과전류이기 때문에 변압기용 비율차동계전기는 

    이러한 전류에 의해 트립되어서는 안되는 것이다.

5. 과여자시 오동작 고려

    정격전압보다 더 높은 과전압이 걸렸을 때, 과여자로 인한 오동작의 가능성이 높다.

    변압기는, 정격전압이 걸렸을 때도 변압기의 여자전류에는 약간의 왜곡이 발생하는데,

    여기서 더 높은 전압이 걸리게 되면 여자전류가 더 늘어나게 되는데, 선형적으로 늘어나는게 아니라 포화구간을 지나가므로

    여자전류가 훨씬 더 커지게 된다. 여자전류는 변압기 1차측에만 흐르기 때문에 이것이 차전류를 발생시켜 비율차동계전기를

    오동작시킬 가능성이 있다는 것이다. 그래서 과여자시에도 오동작하지 않도록 대책마련이 필요한 것이다.

    · 변압기 과여자시 1차측에 여자전류의 증대로 인한 차전류의 발생으로 계전기 오동작 트립의 우려가 있음

    · 과여자시 5고조파 함유량이 증대되므로, 5고조파 함유비율에 따른 동작억제가 필요함

6. 변류기 포화 고려

    변압기 1차측과 2차측은 전압비에 의해 1차측 정격전류와 2차측 정격전류가 다를 수밖에 없다. 

    그래서 1차측 CT와 2차측 CT의 사양은 서로 다를수 밖에 없는 것이고, 만약 변류기 보호구간이 아닌 외부에서 고장이 발생할 경우

    어느 한쪽의 CT는 포화될 가능성이 있고, 아래와 같이 한쪽 CT의 포화로 인해 포화되지 않은 CT와의 차전류가 발생될 수 있다.

    이러한 차전류로 인해 계전기는 오동작될 가능성이 있으므로 이를 고려하여 변압기용 비율차동계전기는 정정되어야 한다. 

    그래서 아래와 같이 비율차동계전기 정정곡선을 작성할 때는 가변 기울기를 적용하는 것이다.

    정정곡선에서는 맨 처음 최소동작전류가 있고, 그 다음 저전류영역에서의 기울기(Slope1), 그리고 대전류영역에서는 한쪽 CT의

    포화로 인한 차전류 발생으로 오차가 더 커지는 상황을 고려해, 쉽게 동작이 안되게끔 동작비율을 더 높인 기울기(Slope2)가 있다. 

변압기 비율차동계전기(87T) 정정 문제에 대해 풀어보자.

@보충설명

이 문제를 구하는데 있어, 비율차동계전기는 변압기용 이라는 점에 주의하자.

변압기는 1차와 2차의 전압이 다르므로, 당연히 변류비도 1차와 2차가 다르다.

여기서 바로 변류비의 부정합(mismatch)이 있으므로 변류비 부정합에 대한 오차도 문제에 제시된 오차에 더해져야 한다.

즉, 총 25%의 오차에 변류비부정합에 대한 오차(?%)도 더해서 동작비율치를 구해야 한다.

변류비 부정합 오차가 얼마가 되느냐를 이번 게시글에서 구해보는 것이다.

[문제]

다음과 같은 특성을 가지고 있는 주 변압기에 비율차동계전기를 적용할 경우 동작비율치(%)를 구하라.

(단, 계전기는 디지털계전기가 아닌 기계식이며, 오차는 변압기 탭 절환(10%), CT오차(5%, 5%), 여유(5%)만을 고려함)

풀이순서 1. 계전기 유입전류

풀이순서 2. 보정탭 선정

  1) 1차측 탭은 계전기 유입전류와 가장 가까운 탭으로 선정 : 5.0 탭 선정

        * 1, 2차 계전기 유입전류 중 큰 값에 먼저 적용 (I1_ry > I2_ry)

   2) 2차측 탭 선정 : 3.2 탭 선정

        6.49에 가장 가까운 탭 5.0을 선정하고, 1.55의 전류비와 가장 가까운 전류탭 1.56이 나오기 위해서는 

        2차측탭을 3.2로 선정해야 1.56이 나온다.

@보충설명 (비율차동계전기를 적용할 시 아래의 사항을 유념해야 한다.)

변압기는 권수비에 의해서 1, 2차측 정격전류가 다르기 때문에, 동일한 사양의 CT를 사용할 수 없고, 1345/5A와 같은 비표준품이  아닌 표준품 CT (ex. 1200/5A)를 적용할 때, 좌 그림처럼 두 CT의 2차전류를 정확하게 5A로 일치시키는 것은 곤란하다. 디지털계전기인 경우라면 이론적으로 정확하게 이러한 부정합을  해결할 수 있지만, 아날로그식 기계식계전기인 경우에는 보정탭이나 보조변류기(CCT)를 적용하여 이를 보완하여야만 한다.

위의 경우는 1차측에 200A가 흐르고 그대로 2차측에도 흐르면 1,345A가 흐를 경우의 예시다.

아래 그림.1의 경우는 1차측 정격전류 150A가 흐르고 그대로 2차측도 변압비 정격용량에 의해 2,521A가 흐를 경우의

예시다. 이 때, 1차측은 델타결선 이므로 선전류는 상전류의 루트3배를 곱해줌으로써 1차측 릴레이 전류는 6.5A이고

2차측은 4.2A 가 나타나므로 서로 차전류에 의해 오동작할 가능성이 생긴다. 이를 방지하기 위해서 보상CT를 쓰거나

계전기에 있는 보정탭을 사용해서 어느정도 수정한 다음에 원래의 오차분만 반영해서 정정한다.

이번 게시글에서는 보정탭을 사용하기 위해 보정탭선정하는 방법과 적용에 대해 기술하고 있는 것이다.

풀이순서 3. CT 부정합률

    부정합률을 구함에 있어 분모를 일부러 더 작은값으로 선정해서 부정합률을 더 보수적으로 잡는다.

풀이순서 4. 동작비율 설정

    · 변압기 탭전환 오차 : 10%

    · 변류기 오차 : 10% (5%, 5%)

    · 여유 : 5%

    · CT 부정합률 : 0.645%

[풀이 결과]

합계 최대오차는 25.645% 이므로, 변압기 비율차동계전기의 동작비율을 30%로 설정한다.

@보충설명

발전기 비율차동기계전기를 정정할 경우, 변압기처럼 이렇게 큰 정정치가 나오지는 않는다.

발전기같은경우는 보통 5~10%정도 수준으로 정정이 된다. 

그래서 변압기 비율차동계전기보다 훨씬 더 민감하게 동작을 하게 된다.

그런데 변압기 같은 경우는 5~10%정도로 정정했다가는 오동작할 가능성이 매우 높게 된다. 오차발생 요소가 많기 때문이다.

1:1 변압기가 아니기 때문이다. 1차측과 2차측의 전압이 다르기 때문에 전류도 다르고, 그렇기 때문에 다른 종류의 CT를 쓰다보니까

오차가 생기는 것이다. 그렇다고 1차측의 2차전류와 2차측의 2차전류를 딱 동일하게 맞추기 위해서

1,234/5A와 같은 변류비를 2차측 CT로 사용할 수도 없기 때문이다. 왜냐하면 이러한 변류비를 가진 CT는 비표준품이기 때문이다.

전력계통은 전력설비 제조사 및 규격에 의해 정해진 표준품을 사서 쓸수밖에 없기 때문인 이유이다.

@보충설명

본 게시글은 아래의 이전 게시글을 참고하면 이해하는데 도움이 된다.

1. Ynd1 변압기 결선

    Ynd1 변압기의 의미는 1차측은 Y결선 2차측은 델타결선이고, 2차측이 1차측보다 30˚ 위상이 늦다는 것이다.

2. Ynd1 변압기 보호회로

     변압기 1차측이 Y결선이고 2차측이 △결선이므로, Ynd1 변압기를 보호하기 위한 비율차동계전기용 CT의 결선방식은

     1차측을 △결선으로 하고 2차측을 Y결선으로 해야만 정상부하 또는 외부사고에도 위상의 차이에 따른 오동작이 없다.

     다만, 변류기를 △결선할 때는 두 가지 방식이 있는데, 둘 중 어떤 방식으로 할지는 Ynd1 변압기의 내부 △결선이

     어떤식으로 연결되었는지를 우선 파악해야 한다. 그런 다음 동일한 방식으로 반대편 측 CT를 △결선해 주어야 한다.

     아래와 같이 보호회로를 구성한 후 RC코일에 흐르는 두 전류의 위상차를 비교해보면 위상차가 없다.

     (단, 정상부하 또는 외부사고일 경우에 한하며, 내부사고시에는 고장점을 기준으로 양쪽에서 오는 전류의 크기와 위상이

     다르기 때문에 차전류는 생길수밖에 없어 동작코일로 전류가 흐르게 되고, 계전기는 트립동작을 하게 된다.)