서당개웅슬라

@보충설명

디지털계전기와 다르게 아날로그 기계식계전기는 비율차동계전기의 CT결선 시 차이점이 있다.

왜냐하면, 디지털계전기는 계전기 내부에서 위상과 크기의 정보들을 알고 있기 때문에 내부에서 충분히 전류간

크기 혹은 위상차 30˚를 조정할 수 있지만, 아날로그 기계식계전기의 경우 변압기 1차와 2차가 Y-△ 혹은 △-Y의

경우 발생하는 위상차 30˚를 보정하기 위해서는 CT의 결선을 바꿔줘야만 위상차가 보정이 될 수 있다.

그래서 디지털계전기를 사용하는 경우는 CT결선방식에 대해 고려할 필요 없이 1차측도 Y, 2차측도 Y로 결선해준다.

그렇다면, 아날로그 기계식계전기를 사용하여 비율차동계전방식 구성 시, 변압기 결선방식에 따라 비율차동계전기용 CT를

어떻게 결선해 주어야 하는지, 그리고 결선 시 주의할 점은 무엇인지 알아보자.

비율차동계전기를 사용한다 하면 원리적으로는 위와 같은 전류 차동방식을 말한다.

변압기가 있고 1차측 CT와 2차측 CT가 있으면, 동작코일에 들어가는 1, 2차간 차전류 유무에 따라 계전동작이 결정되는데,

정상시 또는 외부고장시 1차측 CT에 흐르는 전류와 2차측 CT에 흐르는 전류는 동일할 것이므로 차전류는 발생하지 않아

동작코일에 차전류가 흐르지 않으므로 계전기는 오동작 하지 않는다. 그런데 전제조건은 1차측 전류와 2차측 전류가 완전히

같아야 하며, 완전히 같다고 말하는 것은 전류의 크기 뿐만 아니라 위상도 동일해야 한다는 것이다.

그런데 변압기가 Y-Y 이거나, △-△ 변압기라면 1차측과 2차측의 각변위가 없으므로 전압과 전류의 위상차가 

없으므로 괜찮지만, 현실에서는 Y-△ 혹은 △-Y 변압기가 가장 많이 사용되므로,

이러한 변압기는 1, 2차 전압간에 30˚ 위상차가 존재하고, 이에 따라 전류의 위상차도 30˚ 틀어지게 된다. 

그래서 1차측 전류와 2차측 전류의 크기가 동일하다 하더라도 위상차가 있기 때문에 두 전류를 빼보면 차전류가 발생해서

정상 혹은 외부사고에도 계전기가 오동작하는 원인이 된다.

그래서 각변위가 있는 변압기에 대해서는 비율차동계전기 결선시 기본적으로 위상을 맞춰주는 작업이 반드시 필요하다. 

아래와 같이 △-Y 변압기라면 1차측 CT결선은 Y결선으로, 2차측 CT결선은 △로 결선해야만 전류간 위상차가 없어진다.

그런데 여기서 중요한 점은, CT를 △결선 할 때 주의해야 한다는 것이다.

△결선을 어떻게 해주느냐에 따라 위상차가 발생하기도 하고 안하기도 하므로, 차전류 발생의 유무에 영향을 미치게 된다.

결론적으로는, 변압기의 △결선 방식과 동일하게 CT도 동일한 방식으로 △결선 해야 한다는 것이다.

△결선의 방식에는 두 가지가 있다. 극성점이 찍힌 곳을 "머리"라고 하고, 찍히지 않은 곳을 "꼬리"라고 해보자.

즉, △결선을 머리에서 꼬리로 해주느냐 아니면 꼬리에서 머리로 해주느냐에 따라 결선방식이 달라기게 되고

결국 위상차 발생 유무에 영향을 미치게 되는 것이다.

결론적으로, 변압기의 △결선방식이 무엇인지 정확히 알아야 하며, 그에 맞게 CT △결선도 정확하게 해줘야만 한다는 것이다.

그러면, Dyn11 변압기에 적용하는 기계식 비율차동계전기의 결선도를 그려보기에 앞서

각변위가 무엇인지 정확히 파악하고, Dyn11 변압기는 어떤 결선방식으로 이뤄진 변압기인지 알 수 있는 능력을 키워야 한다.

Dyn11 변압기가 무엇인지 알기 위해서는 우선 각변위를 판별해야 하고 아래와 같이 그려준다. (극성점 매우 중요)

아래 그림 4와 같이 등가회로를 그려주어야만 델타결선시 어떤식으로 결선을 하든 꼬이지 않고 제대로 그려나갈 수 있다.

그런 다음에, Dyn11 변압기가 무엇인지 해석해보자.

  - 1차측 : D결선 (대문자)

  - 2차측 : Y결선 (소문자)

  - 중성점접지 : n

  - 시계각 : 11

    (2차측이 1차측보다 30˚ 앞선 결선이다. 1차측은 무조건 12시 기준이고, 2차측이 11시 방향이라는 것이다)

위상은 반시계방향으로 증가하니까, 12시에 해당하는 1차 △결선보다 2차결선인 Y결선이 30˚ 앞선다는 의미이다.

그러면, 이러한 Dyn11 변압기 내부는 실제로 어떻게 결선이 되어있는지 각변위 판별법을 통해서 그려보자.

2차는 Y결선이니까 극성점이 찍히지 않는 꼬리방향을 묶어주고,

1차 △결선은 아래 두 가지 방식 중 어떤 결선인지 둘 중 하나를 그림 5. 와 같이그려보자.

  - 극성점이 찍힌 "머리"에서 "꼬리"방향으로 연결

  - 극성점이 찍히지 않은 "꼬리"에서 "머리"방향으로 연결

그럼, Dyn11 이 있을수도 있고 Dyn1 이 있을 수도 있는데,

두 가지 △결선 방식 중 어떤 결선방식이  2차 Y결선보다 30˚ 앞서는 1차 △결선인지 아래와 같이 알아보자.

각변위를 판별하기에 앞서 아래 그림 6. 을 기준으로, 그림 7과 그림 8과 같이 그려나가보자.

아래 그림 7. 과 같이 △결선이 꼬리에서 머리방향으로 결선되는 방식으로 그려보고, 비교를 해 보겠다.

1차측과 2차측에서 한 상에 대해서만 비교해 보면 되기 때문에,

1차측은 H2에서 H1방향이니 H12가 되고, 2차측은 Y결선이니 그냥 X1이 되며, 서로는 동상이다.

마지막으로, 아래 그림 8. 과 같이 △모양을 크게 그리고 가운데 중성점 'O'를 표시하고, 

H12 벡터를 그려주고 난 후 이와 동상인 X1 벡터를 그려준다.

그리고 OH1 벡터와 OX1 벡터를 그려서 서로를 비교해주면, 2차측이 11시 앞선 방향인지, 1시 뒤진 방향인지 알 수 있다.

아래 그림 8. 에서 보듯이 2차결선은 11시 방향, 1차결선은 12시 방향으로, 2차결선이 1차결선대비 30˚ 앞선다.

즉, Dyn11 변압기에 부합하는 △결선방식이다.

만약에, CT의 △결선방식이 "머리"에서 "꼬리"로 결선되는 방식이었다면 아래와 같았을 것이고

아래 그림 10. 과 같이 △모양을 크게 그리고 가운데 중성점 'O'를 표시하고, 

H12 벡터를 그리려주 난 후 이와 동상인 X1 벡터를 그려준다.

그리고 OH1 벡터와 OX1 벡터를 그려서 서로를 비교해주면, 2차측이 11시 앞선 방향인지, 1시 뒤진 방향인지 알 수 있다.

아래 그림 10. 에서 보듯이 2차결선은 1시 방향, 1차결선은 12시 방향으로, 2차결선이 1차결선대비 30˚ 뒤진다.

즉, Dyn11 변압기에 부합하는 않은 △결선 방식이란 것을 알 수 있다.

결론적으로, Dyn11 변압기에서 △결선방식은 그림 7.과 같이 "꼬리"에서 "머리"로 결선되어야 하는 것이니까

비율차동계전기용 CT에서 2차측 CT는 이와 같은 방식으로 △결선을 해주면 되는 것이다.

1. Dyn11 의 변압기 결선

2. 변류기의 극성

    1차측 전류에 대한 2차측 전류의 방향을 나타내는 것으로서, 우리나라는 감극성을 표준으로 사용한다.

    감극성 기준으로, 1차측은 전류가 유입되는 단자 'K'에 극성기호를 표시하고,

    2차측은 전류가 유출되는 단자 'K'에 극성기호를 표시한다.

3. Dyn11 변압기 보호회로 

    변압기가 Dyn11 이고, 시계각 11을 만족하는 1차측의 △결선방식은 그림 7.와 그림 8.에서 알 수 있었듯이

    "꼬리"에서 "머리"방향으로 결선되는 △결선이 내부결선방식이였으며,

    변압기에서 생기는 전압간 위상차로 인해 전류간 위상차를 보정하기 위해서는 CT 결선을 다르게 해 주어야 한다.

    1차측 CT는 변압기 2차결선과 동일한 Y결선을 해주며,

    2차측 CT는 변압기 1차결선과 동일한 △결선을 해주어야 하고, 결선방식은 "꼬리"에서 "머리"방향으로 결선을 한다.

@보충설명

변압기 같은 경우는 위상차가 180도 차이가 나기 때문에, 아래와 같이 IA와 Ia의 전류의 방향을 항상 반대로 잡아준다.

이렇게 해야만 해석상 동상으로 여기고 해석을 할 수 있기 때문에 이렇게 전류방향을 설정해주고 위상을 비교해보는 것이다.

즉, 아래와 같이 IAL과 Ia는 변압기에 의해 위상차가 발생할 수 밖에 없으므로, 억제코일쪽으로 흐르는 전류의 위상이

다르기 때문에 결국 차전류가 발생해서 동작코일로 흐르게 돼서 오동작이 발생하는 것이다.

이를 방지하기 위해서 CT의 결선을 변압기결선과 반대로 동일하게 해 주는 것이다. 

아래와 같이 RC에 흐르는 두 전류는, 변압비에 따라 스케일만 다를 뿐 위상은 서로 같다라는 것을 알 수 있다.

따라서, 정상부하 혹은 외부사고시 양쪽 RC코일에 흐르는 전류의 위상은 같기 때문에,

위상에 의한 차전류가 발생하지 않아 오동작 하지 않고, 내부사고에만 보호가 잘 되는 결선방식이 된다.

참고로, 만약 2차측 CT 결선방식이 "머리"에서 "꼬리"로 잘못 결선이 되었다면

위와 같이 위상이 서로 같은 IA-IC, Ia-Ic 전류가 흐르는게 아니라,

IA-IC, Ia-Ib와 같이 서로 위상이 다른 전류가 흘러 차전류의 발생으로 인한 오동작의 원인이 된다.

@보충설명

변압기, 발전기, 송전선로, 모선, 분로리액터 등 중요설비를 보호하는데 쓰이는 전류 차동계전기 원리를 살펴보자.

전류 차동계전기 방식은 CT와 계전기가 갖는 오차로 인해 외부고장 혹은 정상상태에서도 차전류의 발생으로

인해 오동작의 가능성이 있기 때문에 전류 비율차동계전방식을 적용한다.

아래 그림.1의 왼쪽 그림과 같이 1차 전류는 서로 같을 테니 2차에서 차전류가 발생하지 않아야 하는데,

현실에서는 오차로 인해 2차전류의 값이 서로 정확히 같지 않으므로 차전류가 발생해 오동작의 원인이 된다.

전류 비율차동계전방식은 위와 같은 전류 차동계전방식의 오동작을 막기 위해 억제코일을 추가한 계전기로,

억제전류와 동작전류의 비율에 따라 동작 여부가 결정되는 방식이다. 

CT 극성점을 주의해야 한다.

보호 대상을 중심으로 양쪽에서 보호한다는 개념으로 보호대상 양측 바깥쪽에 극성점을 둔다거나,

전원 측은 전원 측 방향에 극성을 두고 부하 측은 부하 측 방향에 극성을 둔다는 개념으로 기준을 잡으면 된다.

본인은, 보호대상을 중심으로 양쪽에 극성을 두는 것으로 잡겠다.

계전기 또는 설계회사마다 CT극성을 반대로 뒤짚어서 적용하기도 하므로 위 그림. 1을 기준으로 개념을 잡자.

즉, 외부고장시 또는 정상상태시 계전기로 유입되는 전류의 크기는 같지만 극성점 기준으로 방향이 서로 반대가 되어

180˚ 위상차가 생기므로 합성값은 0 이 되어 계전기동작을 하지 않게 되는 것이고, 보호범위 내부 고장 시

계전기에 유입되는 전류의 크기는 반드시 다를 수밖에 없고 극성점 기준으로 방향이 서로 같게 되어 동상이 되므로

합성값은 더해지게 되어 계전기동작을 하게 되는 것이다.

디지털계전기라면 합성시 더할 수도 있고 뺄 수도 있게 셋팅하면 되지만, 아날로그계전기는 두 전류의 합으로 계산한다.

1. 개요

    CT의 오차뿐만 아니라, 변압기보호에 쓰이는 비율차동계전기의 경우는 1차 전압과 2차 전압이 다르고,

    같은 종류의 CT를 쓸수가 없어 변류비도 다를 것이므로 CT비의 부정합이 발생한다.

    그래서, 변압기보호에 쓰이는 비율차동계전기는 CT비의 부정합에 대한 오차도 포함되는 것이다.

    이러한 이유로, 정상적이거나 내부고장인 경우에도 차전류가 발생하여 계전기가 오동작하는 것을 막기 위해

    억제코일(RC: Restrain Coil)을 설치해서 억제전류에 대한 차전류의 비율이 설정한 값 이상에서만 동작할 수 

    있도록 만든 계전기다. 

    변압기, 발전기, 송전선로, 모선, 분로리액터 등의 주보호에 사용된다.

    아래 그림.2와 같이 동작코일(OC: Operating Coil)에는 차전류가 발생해야 흐를 수 있는 반면,

    억제코일(RC)에는 늘 2차전류가 그대로 흐를 수밖에 없으므로 늘 억제력이 작용한다.

    그러다 2차전류의 차이로 인해 차전류가 발생하면 동작코일에도 차전류가 흐르게 되고 이로 인해 동작력이 발생한다.

    이 때, 동작력이 억제력보다 더 클 경우에만 Trip Circuit으로 트립신호를 내보낼 수 있는 방식이다. 

    그래서 아날로그계전기인 경우는 동작력과 억제력의 비율을 보는 것이지만,

    디지털계전기의 경우는 동작전류와 억제전류 크기의 비율로 동작 여부를 결정한다. 

2. 동작원리

    그림. 3을 보며, 정상시 또는 외부사고시와 내부사고시 동작 원리에 대해서 알아보자.

    극성방향을 잘 기억하고, 차전류는 벡터합이며 억제전류는 스칼라합이란 것을 유념하자.

3. 동작특성

    · Minimum pick-up 값은,

      변압기에선 여자전류가 1차측에만 흐르므로 이로 인한 차전류, 그리고 상시오차(CT오차, OLTC/ULTC 오차 등)

      에 동작하지 않도록 차전류의 최소전류치를 설정한다.

      그래서, 비율이 아무리 동작 설정치 이상이라 하더라도 최소한 어느 전류값은 넘어야지만 동작할 수 있도록

      최소픽업값을 세팅해주게 된다. 

      (ex. 정정범위: 0.2~2.5A)

    · Slope1(25~35%)은 여자전류(1%), CT오차(5%, 5%), ULTC탭조정 오차(±10%), 그리고 변압기에서만

      발생하는 오차에 해당하는 CT비 부정합(10%), 그리고 계전기 오차(5%)등을 고려한 비율로 설정해서,

      각 오차요인에 의해 계전기가 오동작하지 않도록 한다.

      *참고로, 여자전류는 변압기 정격전류의 2% 내외로 흐른다.

      (ex. 정정범위: 5~100%)

    · Slope2(60~80%)는 대전류 영역의 정정 비율로서, 외부고장시 변류기 포화에 의한 차전류에 의해 계전기가

      오동작하지 않도록 동작감도를 낮추는 방향으로 설정한다. 일반적으로 Slope1의 2배 정도로 설정한다.

      변압기 1차측과 2차 측의 CT는 전류비가 다르기 때문에 같은 종류의 CT가 아니며, 변압기 전단에서든 후단에서든

      고장발생시 흐르는 고장전류에 의해 한쪽 CT만 포화가 되고 다른쪽 CT는 포화되지 않아 차전류가 발생할 수 있다.

      그렇기 때문에, 대전류 영역에서는 이러한 부분까지 감안해서 동작특성 기울기를 더 크게 만들어, 더 많은 차전류에도

      오차가 더 많이 포함되었을 가능성이 높다는 것을 감안하여 동작곡선 기울기를 높여 오동작 가능성을 낮추는 것이다.

      (ex. 정정범위: 20~200%)

    · 변압기의 경우, 정격전류의 8~12배에 해당하는 여자돌입전류가 발생하는에 이는 1차측에만 흐르기 때문에

      1차측과 2차측의 차이로 인한 차전류가 발생하게 된다. 1차측에만 흐르는 여자전류의 경우 정격전류의

      2% 내외로 아주 작은 전류인 반면, 여자돌입전류는 정격전류의 8~12배 이며, 1차측 한쪽에만 흐르기 때문에

      당연히 2차측과 차이가 발생해서 오동작하게 되는 원인이 된다.

      여자돌입전류의 파형은 그림. 5와 같은데, 이 파형을 분석해 보면 대부분 2고조파와 4고조파가 포함되어 있다.

      즉, 여자돌입전류로 인한 오동작을 막기 위해 2, 4고조파가 어느정도 이상 포함되어 있으면 동작하지 않도록 설정한다. 

      그래서 2, 4고조파에 대해 10~20%이내로 설정하여, 설정값 이상 포함된 것으로 감지되면 동작하지 않도록 한다.

      (ex. 정정범위: 5~40%)

    · 정격전압에서는 정격전류의 1%, 2% 내외로 아주 작은 여자전류가 흐르지만, 정격전압이 높아지면 그림. 6과 같이

      정격전압보다 과전압이 걸리면 여자전류가 늘어나도 포화상태가 돼버리는, 즉 임피던스가 거의 0에 가까워 지기 때문에

      같은 전압이 걸리더라도 훨씬 큰 여자전류가 흐르게 되는 것이다.

      즉, 1차측에 과전압이 걸리면, 여자전류는 정격전압 및 정격전류의 1%가 아니라, 상당히 많은 여자전류가 흐르게 되고

      1차측 전류만 커져서 차전류가 발생하고 정해진 비율보다 커져서 오동작하게 된다는 것이다.

      결론적으로, 변압기가 정격전압보다 높아지면 과포화가 돼서 여자전류가 훨씬 크게 흐른다. 그리고 그 파형에서

      5고조파가 많이 포함되어 있다는 사실에서, 5고조파 함유량을 검출해서 계전기가 동작하는 것을 막는다.

      - 과여자에 의해 발생하는 5고조파 동작억제: 30% 정도 설정

         (ex. 정정범위: 5~40%) 

@보충설명

발전기보호 같은 경우 변압기와 달리 여자돌입전류가 없으므로 2, 4고조파를 검출해서 동작억제할 필요가 없고,

발전기는 1차측과 2차측이 같은 전류이기 때문에 같은종류의 CT를 사용하고 전류비도 서로 같으므로

오차가 발생할 요소가 좀 더 적기 때문에, 변압기보호의 비율차동계전기 보다는 좀 더 타이트하게 정정을 해주게 된다.

그래서 그림.4와 같이, 발전기보호 동작특성곡선에서는 변압기와 달리 Slope 2를 일부러 2배까지 해서 계전기동작을

둔감하게 만들기 위한 별도의 셋팅을 해줄 필요가 없는 것이다.

@보충설명

우리나라 변전소 모선보호 방식에는 주로 차동보호 방식을 적용한다.

전류차동방식은 변류기와 계전기의 오차로 인해 오동작 가능성이 있어 우리나라 모선보호방식으로 채용하지 않는다.

이러한 단점을 보완한 것이 바로 전류 비율차동방식이며 이를 우리나라 154kV 모선보호방식으로 채용하며,

345kV에서는 154kV에 적용하는 전류 비율차동방식보다 신뢰성이 더 높은 전압차동방식을 채용하고 있다.

이번 글에서는, 왜 전압차동방식이 신뢰성이 높은지에 대해 중점적으로 살펴볼 예정이다.

1. 개요

    전력계통에서 전력은 모선에 집중되고 다시 선로를 통해 분배되는 흐름을 갖고 있다.

    모선에서 고장이 발생하는 경우 고장의 파급은 변전소 전체 및 전계통으로 확대되므로,

    적절한 모선보호방식에 의해서 신속히 고장이 검출되어 고장으로부터 계통이 분리되어야 한다.

    □ 모선보호 방식 종류

        - 전류차동 방식

        - 전류 비율차동 방식 (한전 154kV 모선보호방식)

        - 전압차동 방식 (한전 345kV 모선보호방식)

        - 공심 리액터 방식 

        - 위상비교 방식

2. 모선보호 방식

    1) 전류차동 방식

        전류차동회로를 만들어서 고장을 검출해내는 방식으로,

        CT와 계전기의 오차로 인한 불평형에 의해 오동작의 가능성이 있어, 우리나라 모선보호방식에 적용되지 않는다.

        즉, 너무 민감한 방식이라서 디지털계전기에서도 완벽히 오차가 없을 수는 없기 때문에 

        이러한 단점을 개선한 방식이 바로 전류 비율차동방식으로, 기존 전류차동방식에 억제코일을 추가한 방식이다.

        즉, 오차에 의해 흐르는 아주 작은 차전류(불평형)에 대한 억제코일에서의 억제전류가

        동작코일에서의 동작전류와의 비율에서 일정수준 이상이면 동작하게 하는 방식이 전류 비율차동 방식이다.

 @위 보충설명

전류차동 방식은 1과 같이 내부고장 시 차전류로 인해 동작코일이 여자돼서 계전기 동작을 하게 되지만,

2와 같은 외부고장 혹은 정상상태의 경우 전류의 크기는 동일할테니 차전류는 없어야 정상이나,

CT와 계전기가 갖는 오차로 인해 아주 작은 차전류가 흐를테고, 이로 인해 오동작 가능성이 있다는 것이다.

이를 방지하고자 억제코일 RC를 달아서 비율을 통해 동작 여부를 결정하는 것이 전류 비율차동 방식이다.

    2) 전류 비율차동 방식

        전류차동 방식을 개선한 방식으로, 각 선로마다 CT를 설치하고 동상 간을 병렬로 결선하여

        동작요소(OC)와 억제요소(RC)를 두어, 그 비율을 정하여 동작 여부를 결정하는 방식이다.

        이 방식은 외부에 사고가 발생하게 되면 고장전류가 그 선로에 집중되게 되므로

        해당 선로 측 CT가 포화될 가능성이 있고 이로 인해 오동작할 우려가 있는 방식이다.

        고장전류가 클수록 CT포화를 고려하여 동작 비율을 다르게 정정해서 사용해야 한다.

        그리고, PCM전류차동방식이 전류차동방식이 아닌 전류비율차동방식을 말하는 것이다.

@좌 보충설명     보호범위 구간인 BUS(모선)에서 사고가 발생하면 차전류로 인해    비율차동계전기는 정상적으로 동작할 것이다.    그런데, 만약 좌 그림처럼 보호범위 외부에서 사고가 발생할 경우    모든 전류는 1번 선로로 흐를 것이고 이로인해 1번선로의 1번 CT는    굉장히 큰 전류로 인해 포화될 가능성이 높다.     포화가 안되면 상관이 없는데, 만약 포화가 된다고 가정해보자.    그럼 나머지 2,3,4,5,6 CT는 자기 전류가 흐를테니 포화가 안될거고    1번 CT만 포화될 것이기 때문에, 이를 두 개의 CT로만 나타내면    다음의 그림과 같을 것이다.

@좌 보충설명     1번 선로에 고장이 발생할 경우, 1번 CT에 흐르는 1차전류와    2,3,4,5,6 병렬합성 CT에 흐르는 전류는 똑같을 것이고,    그 상태에서 만약 1번 CT가 포화가 안됐다면 1번 CT의 2차전류와    2,3,4,5,6 CT의 2차전류는 같을 것이기 때문에 차전류가 없어서    계전기 동작을 안할 것이다. 그렇지만 만약 1번 CT가 포화됐다면    2,3,4,5,6 CT의 2차전류는 변류비에 의해 적절한 값이 나오지만    포화된 1번 CT의 2차전류는 정상적인 변류비보다 작은 2차전류값이    나온다. 결국 같은 1차전류가 흐르더라도 1번 CT는 포화됐기 때문에    2차전류값이 2,3,4,5,6의 2차전류값보다 작아서 차전류로 인해    불평형이 나타나서 87계전기가 동작할 우려가 있는 것이다.

        그래서, 전류차동 방식의 오동작 가능성에 대비한 위와 같은 전류 비율차동방식이라 하더라도

        위 보충설명처럼 CT가 포화될 경우 오동작의 가능성이 여전히 존재하기 때문에

        전류 비율차동방식은 154kV에서만 모선보호방식으로 적용을 하고,

        좀 더 높은 신뢰성이 요구되는 345kV에서는 전압차동방식을 적용하고 있다.

        그렇다면, 전압차동방식은 전류비율차동방식이 갖고 있는 오동작의 가능성까지 대비하는 방식이란 것을 유추할 수 있다.

        · 전류차동방식의 오동작 가능성 : CT, 변류기 자체의 오차로 인한 차전류 발생

        · 전류 비율차동방식의 오동작 가능성 : 억제코일로 전류차동방식의 오동작 가능성에 대비한 방식이라 하더라도

                                                                                       CT가 포화될 경우 차전류 발생

    3) 전압차동 방식 (고임피던스 방식)

         앞서 살펴본, 전류 비율차동방식 계전기의 동작코일(OC)은 저임피던스인 반면에 전압차동방식 계전기의 

         동작코일(OC)는 의도적으로 임피던스를 매우 크게 만든 것이다. 결론적으로, 오동작을 막기 위함이다.

         이 방식은 계전기의 임피던스가 1,000~3,000Ω로 매우 커서, 고장선로의 CT가 포화가 됐다 하더라도

         차전류가 생기지 않으므로 계전기의 오작동을 방지하는 계전방식이다.

         이 방식은 오동작의 가능성이 거의 없다시피 한 신뢰도가 가장 좋은 방식이기 때문에

         우리나라 345kV 변전소에서, 1 계열이든 2 계열이든 모선보호에 주로 적용하는 방식이다.

         이 방식은 신뢰성을 보다 더 높이기 위해, 단락사고 고장검출계전기인 저전압계전기(27)와 AND조건으로 동작시킨다.

         그러면, 동작코일 임피던스가 높으면 어떻게 차전류가 생기지 않아 계전기가 오동작하지 않는 것인지 살펴보자.

@보충설명.1 (모선 내부고장시 동작원리)

   우선 아래와 같이 변류기의 등가회로부터 그려보자.

   변류기의 일반회로에서, 1차측 전류가 흐르고 변류비에 의해 이상적인 2차측 전류가 흐를 것이다.

   2차전류는 계전기로 들어갈 실제 전류와 여자임던스로 여자전류의 합이 될 것이다.

   그리고 Rct 임피던스가 있을 것이다. 원래는 Rct 성분과 Xct 누설리액턴스성분이 같이 있는데, 작아서 무시해도 좋다.

   CT는 전류원이기 때문에 아래와 같은 등가회로를 그릴 수 있다.

@보충설명.2 (모선 내부고장시 동작원리)

   실제와 유사한 모델에서 모선 내부사고시 등가회로는 아래와 같다.

   그리고 보호에 쓰이는 이러한 CT들은 정격과 부담 클래스 등 모두 동일한 CT를 사용한다.

  ②는 전류원 각 6개 CT의 합성치를 나타낸 것이며, 각 CT의 여자임피던스를 병렬로 합성된 것이 ③이다.

   그리고 저항성분과 누설리액턴스가 병렬로 합성된 임피던스가 ④이고, 부하인 계전기는 고임피던스 ⑤이다.

   그래서 ⑤는 차동회로이기 때문에 ①과 같이 내부에서 사고가 발생하면 차전류가 유입돼서 

   차전류가 얼마든지 간에 계전기는 고임피던스이기 때문에 굉장히 큰 전압이 걸려서 비로소 동작하게 된다.

   그래서 전압차동방식 이라고 하는 것이다.

   내부사고가 발생하면 큰 전류가 고임피던스에 그대로 곱해져서 굉장히 큰 전압이 걸리므로 

   계전기가 과전압으로 소손될 우려가 있기 때문에, 이 전압을 낮춰줄 수 있는 ⑥(ZnO소자)를 병렬로 넣어준다.

   이를 MOV라고 하는데 한마디로 말하면 피뢰기다. 전압이 높아지면 이 소자가 동작해서 병렬 합성 저항값은

   둘 중 작은 값보다 작게 되므로, 결과적으로 합성 저항치를 확 낮추게 하므로 높은 전압이 걸리는 것을 제한해 준다. 

   내부사고가 발생하면 고임피던스 계전기로 아주 큰 차전류가 유입되는데, 임퍼던스가 매우 크기 때문에

   차전류가 유입되자마자 고전압이 발생하고, 이때 굉장히 큰 전압이 걸리기 때문에 CT회로는 개방된 것과

   다름없는 상태가 된다. 일반적으로 변류기는 회로가 개방되면 아래와 같이 굉장히 큰 서지전압이 발생하게 된다. 

   바로 이러한 이유 때문에 부하임피던스(계전기 임피던스)가 커지면 커질수록 CT의 과전류정수가 낮아져서

   굉장히 빨리 포화가 되는 것이다.

   즉, 변류기는 바로 포화가 돼서 아래와 같이 스파이크 모양을 띈 서지 형태로 서지전압이 나타나게 되는데,

   이러한 서지 과전압에 의한 계전기 소손을 막기 위해서 병렬로 MOV와 같은 전압제한장치를 삽입해 주어야만 한다.

   그러면 이 전압제한장치가 스파이크 전압을 일정부분 제한하게 되고,  

   아날로그 값인 이 측정전압값들을 디지털계전기(87)가 필터링하고 디지털화해서

   자체 연산을 통해 연산된 값이 설정치 전압보다 크게 되면 계전동작을 하게 되는 것이다.

   그러면, 도대체 왜 전압차동방식은 보호범위 외부에서 사고가 발생하고, CT까지 포화되는 경우라 하더라도

   계전기가 오동작하지 않는지 살펴보자.

@보충설명.3 (외부고장시 CT포화에도 오동작 하지 않는 이유)

   외부사고가 발생할 경우, 어느 CT도 포화가 되지 않는다면 차동회로로 차전류가 유입하지 않으므로

   계전기는 동작하지 않고 결론적으로 오동작할 우려가 없다.

   그런데 만약! 고장선로의 해당CT가 포화가 된 경우라고 가정하면, 전류 비율차동방식인 경우에는 외부 사고에도

   오동작할 우려가 있을 텐데, 바로 이 전압차동방식에서는 동일한 경우에도 오동작할 우려가 없다는 것이다.

   왜 그럴까 살펴보자.

   우선, CT는 포화가 되면 아래와 같이 임피던스가 거의 0에 가까워진다는 사실이 핵심 포인트이다.

   즉, 고장선로의 해당 CT가 완벽하게 포화됐다 가정할 경우, 해당 CT의 임피던스는 제로(단락상태)와 같게 된다.

   위와 같이 외부에서 사고가 발생하고 고장선로의 해당 CT까지 포화됐다 가정하고 등가회로를 그려보자.

   ①은 포화된 CT에 대한 등가회로이며,

   ②는 나머지 선로의 정상적인 CT에 대한 합성 등가회로이다.

   포화된 CT의 여자임피던스는 위 변류기 자화곡선에서 볼 수 있듯이 제로에 가깝게 되어 단락회로와 마찬가지가 된다.

   대신, 포화된 CT의 권선저항과 누설리액턴스는 그대로 등가회로에 남겨둔다.   

   나머지 5개(n-1)의 정상적인 CT의 등가회로는 위와 같이 1/5인 병렬합성 여자임피던스, 저항, 누설리액턴스가 된다.

   이러한 등가회로에서, 고장이 발생하면 분명히 불평형으로 인해 차전류가 발생하고, 87계전기로 차전류가 유입될 것인데

   고임피던스(수천Ω)이다보니 차전류가 계전기내부 차동 동작코일로 흘러들어가지 못하고 포화된 CT의 단락회로

   0Ω 쪽으로 흐르게 돼서 차전류는 등가회로를 겉돌게 돼서 계전기의 오동작의 가능성이 없는 것이다.

   결국 고임피던스(개방) VS 0Ω(단락상태) 이므로 고임피던스인 차동회로로 차전류가 들어가는 것을 억제해 준다. 

   전류비율차동방식의 경우, 차동 동작코일의 임피던스가 저임피던스이기 때문에 아무리 고장선로의 CT가 포화됐다

   하더라도, 완벽히 포화되어 단락상태까지 가버리지 않는 한 저임피던스인 동작코일과 어느정도 비슷한 저항값을

   가질 수 있으므로, 전압차동방식처럼 전류가 완벽히 한쪽으로만 흐를 수 있는 구조가 아니게 된다. 즉 차전류가

   저임피던스인 동작코일로도 일부 유입이 돼서 오동작할 가능성이 있다는 것이다.

   반면에 전압차동방식은 고임피던스를 사용함으로써 차전류가 아예 흘러들어가지 못하게 만든 방식이므로,

   포화된 CT를 상대적으로 완벽히 단락상태로 만들어버릴 수 있기 때문에, 차전류가 전혀 동작코일로 유입되지 않는다.

   이러한 원리로, 전압차동방식은 외부사고에도 보호범위에 있는 모든 CT들의 전류가 동일하기 때문에 차전류가 

   발생하지 않아 오동작할 일이 없고, 설사 고장선로의 CT가 포화된 경우라 하더라도 전류비율차동방식과는 다르게

   동작코일이 고임피던이기 때문에, 포화로 인한 차전류가 발생하더라도 동작코일 쪽으로 차전류가 흘러들어갈 수 없는

   구조인 것이다.

   하지만, 완벽하게 전류가 유입되지 못하는 것은 아니다. 아주 작은 차전류가 유입될 것이다.

   왜냐면 변류기가 100% 포화돼서 100% 임피던스가 제로가 된다는 보장도 없고 실제 완벽히 그렇게 되지는 않는다.

   그래서 아주 작은 미세한 차전류가 동작코일에 흘러들어가긴 하는데, 계전기에서 설정한 설정 전압값 이하일 테니

   동작하지 않는다는 것이다.

   즉, 신뢰성이 가장 높은 모선보호 방식으로 우리나라에서 적용되고 있는 이유는 바로 이러한 원리에서 비롯된다.

4) 공심 리액터 방식 

     변류기의 포화 문제로 인해서 오동작을 방지하기 위해 철심이 없는 공심 리액터를 사용한 방식이다.

     철심을 사용하지 않으니 포화가 되지 않는다는 장점이 있지만, 감도가 너무 낮아서 잘 사용하지 않는다.

1. 개요

   1) 모선의 역할과 정의

       모선은 주변압기, 송전선, 배전선, 조상설비와 부속설비가 접속되는 공통의 도체이다.

       변전소에서 모선의 역할은 전력조류의 집중과 배분을 담당한다.

   2) 변전소 모선의 구성방식 선정

       변전소의 모선구성 방식은 모선의 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 전력공급의 신뢰성, 유지보수, 경제성,

       계통운용의 융통성을 종합하여 선정하여야 한다. 

   3) 우리나라 변전소 모선전압 별 모선구성방식 

        - 765kV 변전소 : 모선전압 765kV(2B-1.5CB)

        - 345kV 변전소 : 모선전압 345kV(2B-1.5CB), 모선전압 154kV(2B-1CB)

        - 154kV 변전소 : 모선전압 154kV(2B-1CB, *2B-1.5CB), 모선전압 22.9kV(2B-1CB)

           * 2017년 이후 적용

2. 변전소 모선 구성의 방식

    1) 단모선 방식

        모선이 하나만 있는 방식으로 구성이 매우 간단하고 경제적이지만 

        신뢰성과 운영상 융통성이 낮아 소규모에서만 제한적으로 사용을 하며, 대부분 2중 모선을 적용한다.

        과거  단모선으로 구성되어 있던 기존 민간기업용 변전소도 2중모선으로 개조공사를 많이 진행하기도 했다.

    2) 2중모선 1차단 방식(2B-1CB)

        · 차단기를 가장 적게 소요하므로 경제적인 방식이다.

        · 1개의 모선에서 고장이 발생하더라도 선로를 정전시킬 필요가 없다. (장점)

        · 예를들어 선로차단기'A' 점검시 해당선로는 정전시켜야 한다. (단점)

        · 선로차단기 차단 실패시 한쪽 모선 전체 정전된다.

          (아래 그림2.와 같이, 'A'선로에서 고장이 발생한 경우 'A'차단기의 차단실패시, 사고는 어떻게든 제거되어야 하므로,

          해당 한쪽 모선에 걸려있는 'B'차단기와 BUS TIE인 'C'차단기가 차단되어야 한다.)

        · BUS TIE의 차단 실패시 변전소 전체가 정전된다.

          (위 그림2.와 같이 'A'에서 고장이 발생하면 'A'차단기가 차단돼서 사고가 끊어지면 다행인데,

           만약 'A'차단기의 차단 실패 시 위 처럼 'B'와 'C'차단기가 동작하면 그나마 다행인데,

           만약 BUS TIE인 'C'차단기도 차단이 실패하게 될 경우 반대편 모선에 걸린 차단기도 모두 OPEN되어야 하므로

           결국 변전소 전체가 정전이 되는 상황이 초래한다. (굉장히 심각한 단점)

        · 아래 그림3.은 BUS1의 차동보호Zone과 BUS2의 차동보호Zone을 표시해 놓은 것이다.

          (보통 BUS TIE의 CB와 DS는 전부 CLOSE(투입) 상태로 운전한다.)

    3) 2중모선 1.5차단 방식(2B-1.5CB)

        · 2개의 선로당 총 3대의 차단기가 설치되므로, 1차단 방식보다는 신뢰성이 높고, 2차단 방식보다는 건설비가 저렴하다.

        · 1개의 모선 고장시에도 선로의 정전이 없음 (2중모선의 공통적인 장점)        

        · 한쪽선로의 고장시 해당선로차단기와 중앙차단기 두대가 차단된다.

          반대편선로의 고장시에도 반대편선로차단기와 중앙차단기 두대가 차단된다. 그래서 중앙차단기가 0.5차단 역할을 한다고 본다.

        · 선로차단기 점검시 해당선로의 정전 없이도 가능하다.

        · 선로차단기 차단실패시 해당선로와 해당모선 전체가 정전된다.

          (위 그림4.와 같이 선로에 고장 발생 시 'A'선로차단기와 'B'중앙차단기가 동시에 OPEN 되어야 하는데,

          만약 'B'중앙차단기만 차단이 되고 'A'선로차단기가 차단실패할 경우, 사고는 반드시 제거되어야 하므로 BUS1에 걸린

          'C'선로차단기와 'D'선로차단기까지 모두 차단되어야 한다.)

        · 중앙차단기 차단실패시 2개 선로 모두 정전된다.

          (위 그림4.와 같이 선로에 고장 발생 시 'A'선로차단기와 'B'중앙차단기가 동시에 OPEN 되어야 하는데,

          만약 'A'선로차단기만 차단이 되고 'B'중앙차단기가 차단실패할 경우, 사고는 반드시 제거되어야 하므로

          'E'선로차단기가 차단되어야 한다.

          ※ 그렇다 하더라도 2중모선 1차단방식에서처럼 BUS TIE CB가 차단실패할 경우 변전소 전체가 정전되지만

             위와 같은 2중모선 1.5차단방식에서는 중앙차단기 CB가 차단실패하더라도 변전소 전체가 정전되지 않고

             2개 선로만 정전이 되는 장점이 있다.

        · 두 모선 정전시에도 중앙차단기를 통해 계통연결이 가능하다.

        · 154kV(2017년 이후), 345kV, 765kV 모선 구성방식으로 채용하고 있다.

    ▩ 2중모선 1.5차단방식 참고자료(1)

        송전선로에서 사고가 발생할 경우 고장이 없어지기 위해 트립되어야 하는 차단기가 무엇인지,

        만약 차단기가 트립에 실패할 경우 BF(Breaker Failure)요소에 의해 트립되어야 하는 차단기는 무엇인지,

        결국 어느 부분까지 정전되는지 알 수 있다.

    ▩ 2중모선 1.5차단방식 참고자료(2)

        1번 선로에서 고장이 발생하면 선로보호용 CT인 2번과 3번 CT를 이용하여 차동보호하고, 

       4번과 같이 모선에서 고장이 발생하면 모선보호용 CT인 5번과 6번 CT를 이용하여 차동보호 한다.

       그리고, 154kV 계통에서는 모선에만 PT가 설치되는데 반해, 

       345kV 계통에서는 아래와 같이 모선과 선로에 PT가 설치된다.

    ▩ 모선보호 차단실패 보호 참고자료

        · 154kV 경우, 차단기 트립신호는 나가는데(1) 차단실패로 차단기가 트립되지 않으면(0)

          아래 조건에 의해 (1)이 나가서 7.5사이클 정도 기다렸다가 86락아웃 계전기에 의해 인근 차단기들이 차단된다.

        · 345kV 경우, 고장이 발생하면 큰 전류가 흐르고 있어서 과전류계전기가 동작해서  50BF 신호(1)가 나가고 있는데,

          차단기 차단실패로 인해 BFI신호(1)를 받으면 아래 조건으로 (1)이 나가서 12사이클 정도 기다렸다가

          86락아웃 계전기에 의해 인근 차단기들이 차단된다. 

          - 154kV 모선보호 차단실패 보호방식보다 신뢰성이 있는 방식이다.

*아래 방식 부터는 그냥 참고만 해라. 실제로 적용되고 있는 방식은 아니다.

    4) 2중모선 1.5차단 방식(2B-1.5CB)     

        · 1개의 선로에 2대의 차단기가 설치되는 방식으로, 이중 모선방식 중에서 차단기를 가장 많이 소요하여

          경제적으로 불리한 방식이다.

        · 1개의 모선에서 고장이 발생해도 선로의 정전이 없다.

        · 선로차단기 점김시 해당선로의 정전 없이 점검이 가능하다.

        · 차단기 차단실패시 해당선로만 정전되고 한쪽모선 전체가 정전된다.

        · 차단기 및 단로기 설치대수가 1차단 방식에 비해 2배정도, 모선운용과 모선보호용 제어회로 측면에서 복잡해진다.

        · 특별히 매우 높은 신뢰성이 요구되는 대용량 변전소에 적용한다.

    5) 절환모선(Transfer Bus) 방식     

        2중모선 1.5차단방식을 사용하기에는 변전소 부지가 부족한 경우,

        2중모선 1차단방식의 기설 변전소에 주로 개조해서 적용하는 방식이다.    

        · 2중모선 1차단 방식에서 절환모선을 추가한 방식        

        · 선로차단기 점검시에 해당선로의 정전없이 점검이 가능하다.

            * 단모선 방식에서 동일한 이유로 절환모선을 추가하여 사용하기도 한다.

    6) 환상모선(Ring Bus) 방식   

        · 2중모선 방식에 비해서는 변전소를 차지하는 소요면적이 작다.

        · 모선의 부분정지 혹은 차단기 점검시에 편리하다

        · 제어회로 및 보호회로가 매우 복잡해서 오동작 할 가능성애 매우 높아 적용하는 경우가 별로 없다.

        · 1개 선로에서 고장발생시 양쪽 2개의 차단기가 오픈되어야 하는데, 만약 한개의 차단기라도 차단실패시

          추가로 한개의 후방 차단기를 차단해야 하므로, 즉 2개의 선로가 정전되게 된다.

@기본 보충설명

송전선로에 순시고장이 발생하면 우선 고장을 끊고, 고장점에서 소이온이 될 때까지 일정시간 기다린다.

그 시간동안 아크가 완전히 없어져야 다시 투입해도 정상적인 전력공급이 가능하다. 

단상재폐로나 단상재폐로방식은 고장난 상만 끊고 건전한 상으로 정상적인 전력을 공급하는 방식인데, 

이 때, 건전한 상이 고장난 상으로부터 전압에 의한 정전유도 혹은 전류로 인한 전자유도가 발생해서 

아크가 소이온이 되지 않고 정전유도/전자유도의 에너지에 의해 일부 전압이 걸리게 되면서 계속 전류가

흐르는 상태 즉 소이온 되지 않고 고장전류(아크)를 계속 유지시키려는 힘이 발생하게 된다.

이렇게 되면 다시 투입을 해도 고장이 남아있는 것으로 판단하기 때문에 단 1회의 재폐로는 실패해서

결국 건전한 상까지 모두 함께 차단시켜야 하는 상황이 오게 된다.

이러한 현상을 막기 위해 고속도 접지개폐기(HSGS : High Speed Ground Switch)가 필요하다.

고장이 발생한 상을 끊고 일정시간(765kV 경우 60Hz(1초))을 기다리는 동안 아크가 완벽히 소이온 될 수 있도록,

고장상이 건전상에 의해 정전유도, 전자유도 되어도 빠른 시간 내 끊어진 선로를 고속도로 접지시킴으로써

고장(아크전류)을 유지 및 잔류하려는 에너지를 없애주기 때문에 다시 재폐로 하는데 있어 문제가 없게 된다.

송전선로는 단 1회만 재폐로 하기 때문에 일정시간 내 반드시 아크는 소이온 되어야 한다.

즉, 소이온되는 시간을 더 짧게 만들어 주는 기기가 바로 고속도 접지개폐기다.

GIS를 예를 들어 설명하면, 우리가 단로기를 열어서 도체에 직접 손을 댈 수 없는 이유는 잔류전하가 남아있기 때문이다.

그래서 접지를 함으로써 도체의 잔류전하를 없애고 유지보수를 한다던지 도체를 만질 수 있는 것이다.

이와 유사한 개념이다. 고장이 발생해서 고장난 상을 끊어낸다 하더라도 여전히 잔류전하가 남아있다던지

정전유도 혹은 전자유도로 인해 고장점으로부터 아크가 끊어지지 않고 지속이 될 수 있기 때문에 접지를 함으로써

이를 해결하는 것이다. 단 1회의 재폐로만 허용되므로 일정시간 후 재 투입되기 전까지, 반드시 고장이 발생한 상은

다시 투입이 되어도 문제가 없는 상태가 되어야만 하는 것이다.

1. HSGS가 필요한 이유

  · 765kV 2회선 송전선로에 고장이 발생할 경우, 2상(2M방식) 또는 3상(3M방식)이 건전하다면 회선 전체를 차단하지 않고,

    고장난 상만 차단하는 다상 재폐로 방식을 적용하여 전력공급을 안정화시킨다.

  · 고장발생 후 차단이 되고 재폐로 될 때까지 계통은 불평형 상태가 돼서 영상, 역상전류가 흐르게 되고

    이로 인해, 후비보호 계전기의 오동작 또는 발전설비 고장발생의 원인이 되므로 가능한 신속한 재폐로 성공이 필요하다.

    (1상이라도 끊어지게 되면 즉, 결상이 발생하면 영상분 전류도 많이 발생하지만 역상분 전류가 굉장히 많이 발생해서

     불평형률이 100%까지 달하게 되고, 뿐만 아니라 역상분은 회전기에 영향을 크게 주기 때문에..)

  · 재폐로 시간은 고장점의 아크 소멸시간(소이온시간)에 따라 정해지게 되는데, 

    765kV 급에서는 3상 재폐로 시 0.5초, 단상 재폐로시 1초 이상이 소요되기 때문에 신속히 소이온 시킬 수단이 요구된다.

    (345kV 경우에서도 마찬가지로, 단상 재폐로 방식일 경우 고장상으로부터 정전/전자유도 때문에 건전상이 

    아크 소이온 되기까지 3상재폐로방식보다 재폐로되는 시간이 더 긴 이유이다. (재폐로시간_단상:48Hz, 3상:24Hz)

  · 765kV가 차단되게 되면 우리나라 전체 광역정전이 되기 때문에, 3상 재폐로가 아닌 다상재폐로 방식을 적용하며,

    전력공급의 중요성이 매우 크기 때문에 고속도 접지개폐기를 설치하는 등 특별히 더 신경을 많이 쓰는 이유이다.

  · 고장점 아크가 완전히 소이온 되지 않는 이유는, 건전상에 의한 정전유도와 전자유도에 의해 아크가 오랫동안 지속되는 것이다.  

   (건전상에 걸리는 전압에 의한 정전유도와,

    건전상에 흐르는 전류에 의한 시간에 따라 변화하는 자기장은 페러데이법칙에 의해 전자유도돼서 고장상에 유도전압이 발생함.)

2. HSGS 동작 순서

    ① 위 그림2. 와 같이 2회선 송전선로에서 2상(A, C'상) 지락고장 발생되면

    ② 양단 차단기가 트립돼서 차단기 내부 1차 아크가 차단되고, 

        고장점 아크(2차아크)는 건전상에 의한 정전유도와 전자유도로 인해 아크가 자동 소이온 되지 않고 고장이 지속된다.

    ③ 2차아크가 지속되려는 에너지를 끊어내기 위해, 선행 HSGS를 투입하고 후행 HSGS를 투입해서 2차아크를 소호한다.

    ④ 선행 HSGS를 개방하고, 후행 HSGS를 개방한다.

    ⑤ 재폐로시간 1초(60Hz) 이내 차단기를 자동 투입하여 전력공급을 안정적으로 지속한다.

  · 정전유도 및 전자유도의 크기는 송전선로의 크기에 비례하므로,

    - 80km 초과 송전선로의 경우, 양쪽 단에 HSGS 설치함

    - 80km 이하 송전선로의 경우, 한쪽 단에만 HSGS 설치함

  · 고속도 접지개폐기는 정전유도 및 전자유도 전압, 전류를 투입하기도 하고 차단하기도 하는 일종의 차단기로 볼 수 있으며,

    정격 단시간전류 통전능력 및 정격 단락전류 투입 능력을 보유한다. 

  · HSGS의 동작책무 : C - 0.4s - O

   (일단 고속으로 닫고, 정전유도 및 전자유도에 영향받는 아크가 소이온 될 때까지 0.4초 동안 기다렸다가, 다시 재빠르게 오픈한다.)

3. HSGS 동작시퀀스 및 시간

    송전선로에 고장이 발생하게 되면,

    일단 릴레이에서 고장을 검출하고 차단기가 트립되는데까지 5Hz가 소요된다. (송전선로 차단기는 3cycle 내 차단한다.)

    HSGS가 투입되는데 12Hz가 소요되고,

    0.4초 기다리는 시간과 HSGS를 개방하는 시간까지 31Hz(0.51초)가 소요된다.

    다시 재투입하라는 79 릴레이 신호가 발생하고 (6Hz 소요)

    차단기가 재투입 되기까지 6Hz가 소요된다.

4. 관련사진

출처 : IPST 05-096 Montreal 2005

출처 : CIGRE 2004, A3-308

@기본 보충설명

   우리나라 가공 송전선로, 가공 배전선로에서는 재폐로방식을 사용하고 있다.

   가공선로에 고장이 발생하면 순시적으로 우선 차단을 하고, 일정시간을 기다린 후 자동으로 다시 재 투입하는 방식이다.

   가공 배전선로에서는 리클로저(Recloser)가 가장 대표적인 차단기며, 

   가공선로에서는 송전에서든 배전에서든 낙뢰 등 으로 인해 큰 전류가 일어나더라도 스스로 소멸이 되는

   순간고장이 대부분이기 때문에, 차단을 하고 전력공급을 끊어버리게 되면 전력공급에 막대한 피해가 발생한다.

   배전의 경우는 일부분만 차단되므로 그나마 괜찮지만, 송전의 경우는 광역정전 등 정전범위와 피해규모가 막대하다.

   이러한 피해를 막기 위해, 송전에서도 재폐로 방식을 적용하는 것이며, 송전선로 고장의 대부분이 순간고장이기 때문에

   재 투입 후에는 정상적인 전력공급이 보통 가능하다.

   배전의 경우에는 2F(Fasf) 2D(Delay)로 여러번 재폐로 하며, 3상 재폐로 방식을 적용하지만

   송전의 경우는 여러번 재폐로 하지 않고 단 1회만 재폐로 하며, 단상과 다상 그리고 3상 재폐로 등 다양한 방법이 있다. 

   재폐로를 하는 이유는 배전에서 리클로저의 목적과 유사하다.

   순간고장이 발생하면 차단을 하고 일정 지연시간을 두면, 지연시간 내에 고장지점에서의 아크가 대부분 소이온이 된다.

   배전같은 경우 순시동작 후 약 2초 정도의 지연시간을 갖지만, 변전소의 경우에는 0.3초 정도의 지연시간을 갖는다.

   이렇게, 재폐로방식이 어디에 적용되느냐에 따라 재폐로 방식과 시간이 다르게 적용되고 있다.

1. 개요

    가공 송전선로 고장의 대부분은 낙뢰, 이물접촉과 같은 이유로 순간고장(순간지락 고장이 전체고장의 약 70% 수준)이

    발생하므로, 계통안정도를 높이고 효과적인 전력공급의 신뢰성을 높이고, 유지보수 기회를 줄이기 위해 순시트립이

    발생된 이후에 일정 지연시간 후 자동으로 재 투입하는 방식을 적용한다.

2. 재폐로 방식

    @보충설명(재폐로 시간)

       재폐로 시간은 고장이 발생한 순간부터 고장을 감지하는 보호계전기(릴레이) 감지시간과 차단기 차단동작시간 그리고

       일정 지연시간 후 투입하는 순간까지의 시간을 말한다.

    1) 단상 재폐로 (345kV 가공 송전선로)

        · 1상 지락고장 발생시 고장이 발생한 한 상만 Trip 후 재폐로 시행

          - 재폐로 시간은 48Hz로, 건전상으로부터의 정전/전자 유도전압에 의한 영향으로 소호시간 및 지연시간이 다소 길어짐

        · 2상 이상의 단락이나 지락고장시 3상 동시 차단하고 재폐로 하지 않음

        · 건전상 2상으로 전력공급을 지속할 수 있기 때문에 3상 재폐로보다 안정도가 높고, 한 상만 재폐로 하기 때문에 재폐로시

          양단 전압의 위상/크기 등 동기를 확인하지 않아도 된다.

          (3상 재폐로는 3상이 다 끊어지기 때문에 전력공급이 끊어지고, 재폐로 시 양단의 동기를 확인해야 한다.)

    2) 3상 재폐로 (154kV, 345kV 가공 송전선로)

        · 고장의 종류에 관계없이 회선단위로 3상을 모두 차단 후 3상을 동시에 재폐로 시행

        · 양단계통의 동기 확인이 필요함(모선전압과 LINE PT 전압 비교)

          - 동기확인 투입조건 :

             - 154kV : 위상차 ±25º 이내, 전압차 10% 이내

             - 345kV : 위상차 ±30º 이내, 전압차 10% 이내

                 * 정격전압 : 80% 이상 

                 * 동기시간 : 0.2초(변전소), 2초(발전소)

    3) 다상 재폐로 (765kV 가공 송전선로)

        · 765kV는 우리나라 주간선으로 2회선 송전선로에서 낙뢰에 의해 동시에 2회선 고장이 발생된 경우에도

          전력공급의 지장을 초래하지 않기 위해 2상 또는 3상 이상만 건전하면 회선 전체를 차단하지 않고,

          고장 상만을 차단 후 재폐로 하는 방식

        · 2M 방식과 3M 방식의 선택 적용

          - 2M 방식 : 2회선 중 2상 이상이 건전상일 경우 재폐로 시행

          - 3M 방식 : 2회선 중 3상 이상이 건전상일 경우 재폐로 시행

        · 재폐로는 1회만 실시하며, 재폐로 시간은 고속도 접지스위치(HSGS)의 동작시간을 고려하여 60Hz로 한다.

        [참조] 2019년 신태백 765kV T/L 직격뢰에 의해서 1회선 중 2상 차단, 2회선 중 1상 차단 (건전한 3개 상은 전력공급 지속함)

                  → 재폐로 성공 (2회선 총 6상에서 2상 이상이 건전상이었으므로 재폐로 조건이 성립되었음)

        위 신문 검색 "765kV 전력망 초유의 2회선 동시고장"

@보충설명

   앞에서 다뤄본 거리계전기 만으로는 우리나라 송전선로의 주보호로 사용될 수 없는 문제점들이 있었다.

   그래서 3단계 한시차 거리계전방식을 송전선로의 후비보호로 채용하고 있으며, 주보호 방식에는 아래 세 가지 방식이 채용되고 있다.

   - PCM전류차동방식, 방향비교방식, 전송차단방식

   이러한 방식들은 거리계전기의 문제점을 어느정도 해결한 방식에 해당한다. 거리계전기는 계전기 자체에 대한 오차와

   CT의 오차 그리고 오버리치와 언더리치 등의 오차를 가지므로 신뢰성이 매우 높은 방식이라고 보기에는 어려운 점이 있다. 

   그래서 자기 보호구간을 100% 보호할 수 있는 보다 명확한 보호방식이 반드시 요구된다. 이를 위해서는 선로 양단에 통신설비를

   구축하여 양측의 정보를 서로 주고 받으면서 계전기 알고리즘을 통해 계전기 동작여부를 결정하며,

   이를 파일럿(Pilot) 계전방식이라고 한다.

1. 개요

   송전선로 계전기의 주보호는 단순히 *거리계전기만 적용할시 문제가 되는 오차로 인하여, 선로 양단에 통신설비를 설치하고

   서로 고장점을 확인하여 동작함으로써, 송전선로를 100% 확실히 보호할 수 있는 **파일럿(Pilot) 계전방식을 적용하고 있으며,

   후비보호로 3단계 한시차 거리계전방식을 채용하고 있다.

   1) 주보호

       - PCM 전류차동방식(비율차동방식)

       - 방향비교방식(BLK)***

       - 전송차단방식(PUTT)****

   2) 후비보호

       - 3단계 한시차 거리계전방식

* Zone 1 : 85% (계전기오차, CT/PT오차, 오버리치, 언더리치 등)

** 통신매체로 광선로 또는 전력선(PLC) 사용

*** BLK : Directional Comparison Trip Blocking Scheme(방향비교 트립저지 방식)

****PUTT : Permissive Under reaching Transfer Trip(제어 언더리치 전송차단 방식)

@보충설명(파일럿(Pilot) 계전방식)

   송전선로 양측에 차단기가 있고 통신설비를 구축하여 계측한 정보를 주고받기 위해 통신선로가 구축이 된다.

   통신선로에는 광선로(PCM)와, 전력선에 특정 주파수를 실어서 보내는 전력선(PLC:Power line Cariier) 두 가지가 있는데,

   현재는 주로 광선로(PCM)를 채용하고 있으며, 이렇게 양측에 구축된 통신설비로 측정된 정보를 주고받아서 연산 및 비교를 통해 

   계전동작을 판정하는 방식을 파일럿 계전방식이라 하며 아래의 세 가지 방식으로 나뉜다.

   1) PCM 전류차동방식

   2) 방향비교방식

   3) 전송차단방식 (우리나라에서는 Zone 1 요소를 이용함으로써 ,PUTT방식이라고도 한다)

2. 송전선로 보호계전방식

    1) PCM 전류차동방식 (PCM : Pulse Code Modulation)

        기기보호(변압기, 발전기)에 주로 사용하던 비율차동계전기 원리를 광통신(각 단자의 전류를 샘플링하여 부호화 한 후 신호전송)과

        디지털 기술의 발달로 송전선로 보호에 확장하여 사용하는 방식이다. 이 방식은 상대단의 전류 정보를 디지털 신호로 수신하여

        자기단의 측정치와 비교함으로써 동작여부를 결정하는 방식이다. 이 방식은 자기구간을 확실하게 보호 가능하고, 검출이 빠르고

        정확하여 우리나라에서 송전선로 주보호에 가장 많이 적용되고 있는 방식이다.

@보충설명

   변압기나 발전기는 양측의 CT를 하드와이어링(Hard Wiring)할 수가 있어 비율차동계전기를 통해 동작을 시킬 수가 있지만,

   송전선로는 양단의 거리가 굉장히 멀기 때문에 통신설비와 광 통신선을 통해 서로의 정보를 연산 비교하여 동작을 한다. 

@비율차동방식 보충설명

   CT의 극성점은 보통 아래와 같이 보호대상 방향으로 찍으며, 계전기 극성코일 극성도 동일하게 찍는다.

   (물론 같은 방향으로 극성점을 찍어서 나타내는 경우도 있으며, 극성점을 어떻게 찍느냐에 따라 해석하는 방법은 물론 달라진다.)

   @-1) 내부에서 고장이 발생할 경우

       내부에서 고장이 발생하는 경우 Ia와 Ib의 전류방향은 아래와 같으며, 전류가 유입하는 쪽에 극성점이 찍혀있으므로 둘 다 + 값이다.

       벡터로 계산을 할 것이기 때문에 +냐 -냐를 따지는 것은 굉장히 중요하다.

       2차전류(Ia', Ib')는 유출되는 쪽에 극성점이 찍히므로 아래와 같으며 그대로 계전기 동작코일로 흘러 들어가게 되고,

       계전기 동작코일 극성점이 찍힌 단자에서 전류가 빠져나가므로 계전기 코일에서의 전류(Ia'', Ib'')의 흐름은 아래와 같다.

       결국 계전기 극성코일 측면에서 Ia''와 Ib''는 같은 방향의 전류로 측정이 된다.

       그럼 계전기 동작전류 Id는 우리가 보통 차전류 라고 부르지만, 사실 빼기의 개념이 아니라 벡터합의 개념이다.

       그리고, 비율차동계전기이기 때문에 억제전류 Ir이 있다. 여기서 억제전류 Ir은 스카라합 이다. 

       결론적으로, 억제전류와 동작전류의 비가 어느 특정한 셋팅된 비율을 넘어가면 동작하는 계전기가 비율차동계전기다.

   @-2) 외부에서 고장이 발생할 경우

       외부에서 고장이 발생한 경우, Ia와 Ib 전류의 크기는 같을 수밖에 없으며, Ib의 전류는 극성점에서 빠져나가므로 - 값이다.

       결국 계전기 극성코일 측면에서 Ia''와 Ib''는 아래와 같이 서로 다른 방향의 전류로 측정이 된다.

       결론적으로, 억제전류와 동작전류의 비가 0이기 때문에 비율차동계전기는 동작하지 않는다.

@보충설명(비율차동계전기를 쓰는 이유)

   비율차동이 아닌 단순 전류차동계전기를 사용하게 될 경우, 

   계전기(5%)와 CT(5%, 5%)의 오차가 포함돼서, 기본적으로 15%의 오차가 계산에 포함되기 때문에,

   비율이 아닌 단순히 차전류로 계산할 경우 정확히 0이 나오지 않을 가능성이 있으므로 동작하지 않아야 할 경우에도

   오동작 할 가능성이 높기 때문에, 전류차동방식이 아닌 비율차동방식을 사용하고 있는 것이다.

@보충설명(비율차동계전방식의 동작곡선)

   계전기 오차, CT 오차를 고려해서 약간 off set을 주고, 어느 각 이상에서부터는 비율로 동작하고, 대전류 영역으로 넘어가면

   어느 한쪽의 CT가 포화될 가능성이 있으므로 포화가 되면 기본적으로 오차가 더 심해지므로 비율을 좀 더 높여서

   아래와 같이 비율차동계전기 동작곡선 내에 들어오면 동작이 되게끔 세팅한다.

   기본적으로 양단 전류만 보고 동작하는 게 아니라, 이 비율차동계전방식 안에서도 CT가 포화될 경우 등으로 인한 오차가 

   나타날 수 있으므로 아래와 같은 동작곡선(정정곡선) 하에서 계전기가 세팅되어야 한다는 내용이다.

    2) 방향비교방식

        송전선 양단에 설치된 방향요소를 가진 거리계전기(Mho형, Offset-Mho형)를 사용하여 내부방향과 외부방향

        계전기를 사용하여 고장 방향을 판단하고, 그 정보를 통신장치에 의해서 상대단에 트립저지 신호를 전송함으로써

        보호구간 내부인지 외부인지 판별하는 방식으로 우리나라에서는 방향비교 트립저지 방식*(BLK)을 적용하고 있다.

        2-1) 내부고장 시 방향비교방식

        @위 보충설명

           각각 양단에 내부방향계전기와 외부방향계전기를 한 개씩 설치한다. (왼쪽 각각 한 개씩, 오른쪽 각각 한 개씩)

           그리고 일반적으로 내부고장요소는 Zone 2(150%) 혹은 Zone 3(225%)를 이용하고, 외부고장요소는 Zone 4를 이용한다.

           위와 같은 내부 고장 시 왼쪽 차단기 근처에서 고장이 발생했으므로, 왼쪽 측의 내부방향계전기는 동작하고 외부방향계전기는

           동작하지 않는다. 그리고 오른쪽 측의 내부방향계전기는 동작하고 외부방향계전기는 동작하지 않는다.

           이러한 결과값을 통신설비를 통해 1과 0으로 부호를 변환하고, 광 통신선을 통해 서로 정보를 주고받으며 위와 같은 별도의

           알고리즘에 의해 반대편 차단기를 트립할지 말지 결정한다. 

           즉, 위와 같이 내부 고장 시 왼쪽 차단기는 내부 방향 계전기에 의해 트립되고, 오른쪽 차단기도 알고리즘을 통해 Trip 된다.

        2-2) 외부고장 시 방향비교방식

    @위 보충설명

        각각 양단에 내부방향계전기와 외부방향계전기를 한 개씩 설치한다. (왼쪽 각각 한 개씩, 오른쪽 각각 한 개씩)

        그리고 일반적으로 내부고장요소는 Zone 2(150%) 혹은 Zone 3(225%)를 이용하고, 외부고장요소는 Zone 4를 이용한다.

        위와 같은 외부 고장 시 왼쪽 차단기 외부에서 고장이 발생했으므로, 왼쪽 측의 내부방향계전기는 동작하지 않고

        외부방향계전기는 동작하며 결국 왼쪽 차단기는 Trip 되지 않는다. 그리고 오른쪽 측의 내부방향계전기는 자기 내부영역에 고장이

        포함되므로 동작하고 외부방향계전기는 동작하지 않는다.

        이러한 결과값을 통신설비를 통해 1과 0으로 부호를 변환하고, 광 통신선을 통해 서로 정보를 주고받으며 위와 같은 별도의

        알고리즘에 의해 반대편 차단기를 트립할지 말지 결정한다. 

        즉, 위와 같이 내부 고장 시 왼쪽 차단기는 트립되지 않으며, 오른쪽 차단기의 내부방향계전기가 동작할지라도,

        알고리즘을 통해 Trip이 저지된다.

    3) 전송차단방식

         전송차단 방식은 송전선로의 양단 중의 어느 한쪽 단에서 고장점을 정확히 판단하였을 때 이 조건을 상대단에 전송하여

         양단을 고속으로 차단시키는 방식이다.

         우리나라에서 사용하는 PUTT방식은 각 단자에 설치된 내부사고 검출계전기(거리계전기 Zone 1)를 설치하여

         동작범위의 일부를 겹치게 하고 내부사고가 발생하면 사고발생지점에 가까운 계전기는 반드시 동작하게 되고,

         그 신호를 상대단에 트립신호로 전송해서 양단을 확실하게 차단하게 된다.

         (참고로, Zone 1요소를 우리는 일반적으로 언더리치라고 부른다)

@제어 언더리치 전송차단(PUTT : Permissive Under reaching Transfer Trip)의 예시