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.
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.
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.