서당개웅슬라

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.)

@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.