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28. 차단기 선정과 과전류계전기 정정의 적정성 판정

테솔라나 — Thu, 25 Aug 2022 01:55:15 +0900

아래의 문제와 풀이를 통해,

배전반의 VCB 차단기가 알맞게 선정되었는지 여부와,

과전류계전기(50/51) 정정이 제대로 이루어졌는지 판정할 수 있는, 기본적인 개념과 지식을 쌓을 수 있다.

[문제]

수변전소에 3상변압기(용량 25MVA, 154/11kV, X=5%, R=0) 2차측에 주차단기(정격 25kAsym rms, 1sec)가

설치되어 있다. 고장직전의 변압기 2차측 전압은 11kV이고, 154kV 수전전원 측의 단락용량은 5,000MVA(X/R=무한대)

일 때, 아래와 같은 조건에서 2차측 모선에 3상 단락 고장전류 발생 시 다음 세 가지 사항을 설명하시오

- VCB 차단기에 설치된 변류기의 정격 : 2000/5A, C200

- 순시과전류계전기의 정정치 : CT 2차전류 50A에 정정

- 강반한시 과전류계전기 정정치 : CT 2차전류 40A, 1초

- CT 2차측 전선 사양 : 왕복거리 10m, 0.2Ω/m

- 과전류계전기 임피던스 : 3Ω

1) 차단기 정격선정의 적정성 여부

2) 순시과전류계전기의 동작여부

3) 한시과전류계전기의 동작여부와 차단기 정격내에서 단락전류 차단 가능여부

@ 문제에 대한 보충설명

C200 CT는 2차측 단자전압이 200V까지는 포화가 안되고 200V가 넘으면 CT는 포화된다는 것이다.

계전기가 제대로 정정되었는지 판단하는데 있어서 이 부분이 가장 중요한 핵심 포인트이다.

그리고, CT 2차전류 50A에 순시정정을 하고, 한시정정을 40A에 하고 타임레버를 1초로 선정했다.

그리고, 과전류계전기 임피던스 3Ω과 CT 2차측 케이블의 임피던스 2Ω을 합쳐서 부담은 총 5Ω이다.

그리고, 전원의 임피던스가 단락용량으로 주어지기도 하고 %Z로 주어지기도 하는데, 단락용량으로 주어진 경우

%Z로 환산하는 방법은 아래와 같다.

가능하면 기준용량을 변압기용량을 기준으로 적용하는 것이 좋다.

변압기의 %Z를 그대로 적용하는 것이 편하기 때문이다.

그리고, 단락용량에서 X/R가 무한대라는 것은 아래에서 보듯이 R=0이면 X/R가 무한대가 된다.

즉, 전원 측 임피던스를 전부 리액턴스 값으로 취급하여 계산하라는 의미이다.

왜냐하면 변압기 임피던스도 리액턴스 값으로만 주어졌기 때문이다. (Z=R+jX에서 X:리액턴스)

[풀이]

1. 차단기 정격선정의 적정성 여부

1.1) 3상 단락전류(기준용량 : 25MVA)

1.2) 검토

계산된 고장전류가 약 23.8kA(대칭)이기 때문에 25kA(대칭) VCB차단기를 선정한 것에는 문제가 없다.

하지만 현업에서는 25kA로 선정하면 안된다. 왜냐하면 고장전류는 비대칭전류이며, 차단기는 보통 3주기(3cycle)

이후에 동작한다. 3주기에도 DC성분이 조금 남아있는 상태에서 차단기가 동작하므로 일반적으로 비대칭계수

1.2배를 적용시켜주어야 한다. (참고로 비대칭전류 초기에는 1.6배를 적용한다.)

그러면 약 28kA의 고장전류가 나오므로 현업에서는 그다음 정격인 31.5kA 차단기로 선정하는 것이 바람직하다.

2. 순시 과전류계전기의 동작여부 검토

2.1) 변류기의 부담

- Zb = (0.2 X 10) + 3 = 5Ω

- C200의 변류기를 적용하였기 때문에, 변류기 2차측에 흐를 수 있는 최대전류는 40A 이다.(∵40A X 5Ω = 200V)

즉, 2차측으로 40A가 넘는 전류가 흐르게 되면 CT는 포화된다는 의미이다.

2.2) 순시 정정치(50A)에서 변류기 단자전압

- Vb = 50A X 5Ω = 250V

- C200 변류기에 연결된 계전기는 절대로 40A 이상을 검출해낼 수가 없다. 왜냐하면 CT는 40A에서 포화되기 때문이다.

CT 2차측에 50A가 흐르더라도 계전기는 실제로 50A를 읽어낼 수가 없다.

- 변류기의 등가회로와 함께, CT가 정상일 때의 전류파형과, CT가 포화됐을 때의 전류파형을 보면 쉽게 알 수 있다.

40A가 넘어서 전류가 흐르면 변류기는 포화되므로, 40A를 초과하는 전류분은 Zb로 흐르는 것이 아니라 Z0으로

흘러버린다. 즉 계전기가 50A를 제대로 읽어내야 순시동작이 가능해지는데, 변류기 포화로 인해 40A 이상을 읽어낼

수가 없으므로 순시로 동작하지 못하고 한시로 동작해버리는 문제가 생기는 것이다.

아래 C200 변류기에서 부담이 작은 경우와 큰 경우, 아래그림과 같이, 부담이 크면 2차전류가 조금만 흘러도

변류기는 포화되므로, 전류를 정상적으로 읽지 못하고, 포화되기 시작하는 전류부터는 전류값을 0으로 읽어버린다.

그래서 계전기는 아래의 왜곡된 전류파형을 RMS 평균치로 읽어버리기 때문에 실제 2차전류로 50A가 흘러도

계전기는 아래파형을 평균치로 읽어버리기 때문에, 포화없이 흐를 수 있는 최대전류인 40A 보다도 작게 인식해버린다.

그래서 결국, 50A가 흐르면 원래 순시정정으로 계전기가 동작해야 하는데, 순시동작도 못하게 될 뿐만 아니라,

변류기 포화로 인한 전류파형의 왜곡으로, 계전기는 40A의 1초로 셋팅된 한시정정보다도 더 느리게 동작해서

차단기의 열적한계를 초과하게 된다.

(∵ 40A를 초과하면 전류파형은 왜곡되며, 파형의 RMS 평균값은 40A 이하가 된다.)

2.3) 3상 단락전류의 CT 2차측 환산

- I2 = 23,857A X 5/2000A = 59.64A

- 3상 단락전류를 2차측 전류로 환산해보면 59.64A니까, 순시 정정치를 50A로 셋팅한 것은 잘한 것이다.

그런데, C200에 부담이 5Ω인 변류기는 40A를 넘으면 포화되기 때문에, 실제론 59.64A가 흐르더라도 계전기는

순시동작을 하지 못하게 된다.

그래서, 변류기를 선정 시, 최대 단락전류에 포화되지 않는 CT를 선정해야만 한다.

2.4) 순시계전기 동작여부에 대한 검토

순시계전기는 변류기 포화로 인해 동작하지 않는다.

(변류기가 C200으로, 2차전압이 200V까지 포화없이 사용 가능한 변류기이다. 그러나 순시정정치인 50A에선

2차단자에 250V가 걸리므로 200V를 초과하기 때문에 변류기는 포화가 된다. 그러므로 3상 단락전류가 흐르는

경우에는 계전기정정조건에 의하면 분명히 순시로 동작하여야 하는데, 변류기 포화로 인해 한시로 동작해버리는

문제가 있다. 이마저도 계전기는 왜곡된 전류파형을 읽기 때문에 40A가 아닌 그보다 작은 전류로 검출함으로써

결국 1초보다 더 느리게 동작하게 되고, 이는 차단기의 열적한계를 초과하게 되는 문제가 생기는 것이다.

그래서 초기 DC성분에 의한 변류기 포화까지 고려한다면 C400 이상의 변류기로 적용하는 것이 바람직하다.

즉, 반드시, 3상 단락고장에도 포화되지 않는 정격을 가진 변류기를 선정해야만 한다.)

3. 한시 과전류계전기의 동작여부와 차단기 정격(25kA, 1초)내에서 단락전류 차단 가능여부

3.1) 한시 정정치(40A)에서 변류기 2차 단자전압

- Vb = 40A X 5Ω = 200V

3.2) 3상 단락전류, 변류기 2차측으로 환산

- I2 = 23,857A X 5/2000A = 59.64A

3.3) 검토

- 한시 과전류계전기는 변류기 2차측 전류 기준, 40A 이하에서는 원활하게 동작하고, 40A를 초과하면 변류기의

포화로 인해 정정된 시간보다 더 지연되어 동작함.

- 차단기의 정격은 25kA, 1초의 열적내력을 가지므로, 3상 단락전류가 흐르면 변류기는 포화되어, 계전기 동작시간은

1초 이상 소요되므로 차단기의 열적한계를 초과함.

(변류기가 포화되면, 40A 보다도 더 작은 전류로 계전기가 읽어내기 때문에, 40A(1초)로 정정된 한시동작보다도

훨씬 더 느리게 한시동작을 하게 되는 것이다.)

[참고자료]

27. 접지방식에 따른 영상전류 검출 방법(잔류회로, 3권선CT, ZCT)

테솔라나 — Sat, 13 Aug 2022 23:13:01 +0900

영상전류를 검출하는 이유는 지락보호를 하기 위함이며 접지방식에 따라 영상전류를 검출 방식이 다르다.
즉, 접지방식이 무엇이냐에 따라 지락전류의 크기가 달라진다는 것이다.
직접접지 및 저저항접지방식에서는 지락이 발생하면 지락전류가 굉장히 크게 흐르기 때문에
일반 CT를 사용해서도 지락전류를 쉽게 검출할 수 있으며, 계전기 입장에서도 감도가 좋은 반면,
고저항접지 및 비접지방식에서는 선택지락계전기를 적용하더라도 감도가 떨어져서 계전기가 부동작할 수도 있다.
SGR계전기의 감도가 떨어지는 경우와 원인에 대해서는 {보호계전기_26번} 게시글에서 설명하였다.
그래서, 비접지계통에서는 이렇게 지락에 대한 보호가 완벽하지 않기 때문에, 비접지계통을 직접접지계통으로
바꿔서 운용하는 경우도 있다.

1. 직접 접지계통, 저저항 접지계통
1.1) 잔류회로 결선을 통한 영상전류 검출

· 가장 저렴하며, 가장 일반적인 방식에 해당한다.
· 각 상에 OCR을 설치하고, 위 그림에서 잔류결선을 통해 OCGR이 영상전류를 검출해낸다.
- 잔류결선에는, A상 B상 C상의 전류가 합성되어 흐르게 되는데, 이 잔류결선에 흐르는 각 상의 전류를 보면
정상분도 있고, 역상분도 있고, 역상분도 있을 것이다. 이 중에서 정상분과 역상분은 3상 평형성분에 해당한다.
정상분과 역상분은 서로 위상차가 120˚ 차이가 나서 상회전하는 방향만 다를 뿐이지 서로 크기도 같기 때문에
3상평형성분이다. 그래서 잔류결선에 흐르는 각 상의 전류는 정상분과 역상분이 흐를 수가 없다.
왜냐하면 잔류결선에는 각 상의 전류가 합성되어 흐르는데, 정상분과 역상분은 서로 3상평형성분이기 때문에,
합성되면 0이 된다. 즉, 잔류결선회로에 유일하게 흐를 수 있는 전류는 영상분전류다.
반면, 영상분전류는 각 상 모두 크기와 위상이 같아서, 세 상이 합성되어서 잔류결선에 유일하게 흐를 수 있다.

· 평상시에는 정상분과 역상분 성분이 3상 평형이기 때문에 서로 합성되어 잔류결선에는 어떠한 전류도 흐르지 않지만
지락이 발생할때는 영상분이 존재하므로, 잔류결선에 각 상의 영상분전류가 합성되어 흐르게 된다.
그래서, 지락보호를 위해서 Three CT를 설치하고 잔류결선을 만들고 OCGR을 설치해서 영상전류를 검출한다.
그리고, 일반적인 단락과 과부하에 대해서는 OCR을 통해 보호한다.

1.2) 중성점 변류기 설치방식을 통한 영상전류 검출

· Y결선된 변압기와 발전기에는 중성선이 있으므로 이곳에 일반 CT를 설치해서, 지락전류가 흐르면 OCGR이
영상전류를 검출할 수 있도록 해준다.
· 직접접지나 저저항 접지계통에서는 지락전류가 크게 발생하기 때문에 잔류회로나 중성점 변류기 설치방식을
통해서도 계전기는 충분한 감도를 얻을 수 있다. 각 상의 과전류계전기를 통해서 단락사고를 검출하고,
쓰리CT 잔류회로를 통해서 지락사고를 검출한다.
· 즉, 선로에서는 잔류회로를 통해 지락보호를 하고 중성점에서는 중성점 변류기를 설치해서 지락에 대한 보호를
다양하게 병행시킨다.

2. 고저항 접지계통
· 추후 발전기편에서도 다룰 내용이지만, 발전기 중성점에 NGR을 직접 설치하거나, 접지변압기를 설치해서 2차측에
NGR을 설치하는 등 고저항접지방식을 사용하게 된다. 왜냐하면 직접접지 방식에서 지락이 발생하면 지락전류가
굉장히 크게 흘러 기기가 손상되는 것을 방지하기 위해 이런식으로 고저항접지방식을 적용한다.
· 이렇게, 접지는 되어있지만 고저항으로 접지가 되어있다보니, 지락이 발생하면 지락전류가 비접지방식보다는 많이
흐르긴 하지만, 지락전류가 작게 흐르므로 변류비가 큰 일반CT로는 충분한 2차 영상전류를 얻어내기가 어렵다.
즉, 변류비가 커질수록 2차측으로 흐르는 영상전류값은 더 작아지기 때문에, 잔류회로에 아무리 영상전류가 흐른다
하더라도 OCGR이 충분히 동작할 만큼 감도를 얻기는 어려운 수준이다.
즉, 부하가 커지면 일반CT의 변류비도 큰 것으로 적용해야 하므로, 커진 CT 변류비를 갖고서는 이렇게 작게 흐르는
지락전류의 영상분전류는 아무리 잔류결선을 통해 OCGR로 흘러들어간다 하더라도 계전기 입장에서는 굉장히 부족한
전류에 해당하므로 OCGR이 부동작할 가능성이 높다.
· 그래서, 고저항접지계통에서는 3권선 CT를 이용해서 2차권선은 단락보호로만 사용하고 잔류결선은 적용하지 않는다.
대신 3차권선에 △결선을 통한 영상분로접속을 하고 변류비가 낮은 CT를 설치하고 OCGR을 설치해서 영상전류를
검출하는 방식을 적용한다.
이렇게 하면 OCGR은 충분한 감도를 얻을 수 있으므로, 지락시 계전기가 부동작 할 가능성이 없어지게 되어,
고저항접지방식이라 할지라도 안전하게 지락보호를 할 수 있게 된다.

2.1) 잔류회로+OCGR 적용 (변류비가 작은 경우)
아래 2.2항과 같이 3권선 CT까지 적용할 필요 없이,
일반 CT를 Y결선하고, 각 상에 OCR을 설치하고, 잔류결선을 만들고, OCGR을 설치한다.
(왜냐하면, 변류비가 작으면, 예를들어 500/5A처럼 변류비가 큰 CT가 아닌 200/5A or 100/5A처럼 변류비가 작은
일반 CT는, 작은 지락전류라 하더라도 500/5A에서 흘러나오는 2차 지락전류보다야 아무래도 의미있는 수준의 크기로
변환된 2차 지락전류가 OCGR로 흘러 들어가기 때문에, 계전기입장에서는 어느정도 감도를 얻어낼 수 있다는 것이다.)

2.2) 3권선 CT이용 & 영상분로접속+OCGR 적용 (변류비가 큰 경우)
· 잔류결선을 통해서 충분한 영상전류를 얻기 힘든 경우
· 일반적으로 변류비가 300/5A를 초과하는 경우
→ 주로 100/5A 변류비를 갖는 CT를 3차권선에 적용함.
→2차 권선은 부하에 맞게 큰 변류비를 가진 CT를 설치한다 하더라도, 3차권선에는 전용으로 지락을 보호하기
위해, 2차권선에 적용한 변류기보다는 변류비가 보다 낮은 변류기(ex. 100/5A)를 설치해준다.
· 2차 권선은 과부하와 단락보호로 사용함.
· 3차 권선은 영상분로 접속하고, 잔류결선을 만들고, OCGR을 설치해서 영상전류를 검출함.

3. 비접지계통
· 영상변류기(ZCT) 적용
- 절연이 문제가 되지 않는 계통은 3상 일괄하여 영상변류기에 통과시켜 고감도로 영상전류를 검출한다.
ZCT의 표준으로는, 정격 영상 1차전류를 200mA로 사용하고, 정격 영상 2차전류를 1.5mA로 사용한다.

26. 비접지계통에서 선택지락계전기의 감도가 저하되는 경우와 원인

테솔라나 — Fri, 12 Aug 2022 20:45:52 +0900

선택지락계전기(SGR)는 비접지계통에서 지락이 발생했을때 전용으로 보호해 주는 계전기다.

지락계전기(GR)가 있지만, 선택지락계전기는 선택적으로 고장이 발생한 FEEDER만 차단할 수 있는

대표적인 방향성 계전기다.

그렇다 하더라도, 선택지락계전기는 아래의 세 가지 경우에 의해 감도가 떨어져서 부동작하기도 한다.

그래서 비접지계통에서의 지락고장에 대한 보호는 상당히 어려운 보호에 해당한다.

선택지락계전기를 설치했다 하더라도 완벽하게 지락을 보호하지는 못한다는 것이다.

■ 6.6kV or 3.3kV 비접지계통의 선로에서 1선 지락시 선택지락계전기의 감도가 떨어지는 경우

1. 6.6kV or 3.3kV 지중선로가 길어지는 경우

2. 지락점저항이 큰 경우

3. 동일회로에 GPT가 여러 대 설치되는 경우

1. 1선 지락시 대칭분 등가회로

· 위 그림과 같이, 비접지계통에서는 영상임피던스가 정상/역상분임피던스보다 훨씬 커서,

정상분(Z1)과 역상분임피던스(Z2)는 무시해도 좋다.

대칭분 등가회로를 그리고 이해할 줄 알아야 하며, 오른쪽은 더욱 간략화시킨 등가회로이다.

오른쪽의 등가회로를 통해, 비접지계통의 1선지락과 관련한 대부분의 이해가 가능해진다.

* Rn : 1차측 중성점접지로의 환산저항값 (6.6kV, CLR 25Ω인 경우 약 10,000Ω)

* C : 상당 대지정전용량

* Rg : 지락점저항

※ 참고설명 (SGR계전기의 감도가 떨어지는 원인)

· 영상분임피던스(Z0)에 걸리는 영상전압(V0)의 저하가, SGR계전기 감도저하의 직접적인 원인이 된다.

· 아래 그림과 같이, 방향성계전기는 두 가지 자속이 개입되고, 자속간 위상차에 의해 동작토크(T)가 결정된다.

토크의 크기가 클수록 방향성계전기는 민감하게 동작하게 되고, 토크의 크기가 작을수록 방향성계전기의

감도는 떨어져서, 계전기가 부동작하게 되는 원리이다.

SGR계전기의 경우, 영상전압(V0)은 GPT로부터 입력받고, 영상전류(I0)는 ZCT로부터 입력받는다.

· 만약 GPT로부터 받는 영상전압(V0)이 낮아지게 되면, 당연히 3차권선에 흐르는 전류(Iv)도 작아지고,

작아진 전류로 인한 자속 파이1도 비례해서 작아진다. 그러면 결국 동작토크의 크기도 작아진다.

즉, 영상전압이 작아지게 되면 감도가 떨어져서 계전기가 동작을 안할수도 있고 느리게 동작할 수도 있다.

2. 선택지락계전기의 감도가 저하되는 경우와 원인

2.1) 지중선로가 길어지는 경우

· 대용량 공장 혹은 부하가 증대하는 경우, 지중케이블은 많이 포설되고 길이도 길게 설치된다.

즉, 대지정전용량이 커지면 커질수록 영상전압이 작아져 선택지락계전기의 감도가 떨어지게 된다.

· 이러한 경우로 인해 계전기의 감도가 떨어지는 것은 인위적으로 제어할 수 없는 변수에 해당된다.

· 대지정전용량(C)가 커지게 되면 용량성리액턴스(Xc)는 매우 감소하게 된다.

3Rn과 Xc의 병렬회로에서, Xc가 작아지면, 병렬합성임피던스는 둘 중 작은것보다 작아지게 되므로

결국 합성 영상임피던스(Z0)는 작아지게 된다.

· 결국, 영상전압이 작아지게 되면 계전기의 동작토크(T)가 작아지게 되고, 계전기의 감도는 저하된다.

2.2) 지락점저항이 큰 경우

· 완전지락조건인 지락점저항(Rg)이 0Ω 일때, 계전기는 감도저하없이 가장 민감하게 동작하지만,

지락점저항이 커지면 커질수록 영상전압이 작아져, 선택지락계전기의 감도가 떨어지게 된다.

· 이러한 경우로 인해 계전기의 감도가 떨어지는 것은 인위적으로 제어할 수 없는 변수에 해당된다.

· 전원전압(E)는 영상분임피던스(Z0)와 지락점저항(3Rg)에 분압되어 전압이 걸리게 된다.

그런데, 지락점저항이 커지면 대부분의 대지전압이 지락점저항인 3Rg에 걸리게 되고, 상대적으로

영상분임피던스(Z0)에 걸리는 전압(영상전압)은 작아지게 된다.

결국, 영상전압(V0)이 작아지면 계전기의 동작토크(T)가 작아지게 되고, 계전기의 감도는 저하된다.

2.3) 동일Bank 동일회로에 GPT가 여러 대 설치되는 경우

· 동일Bank에 GPT를 여러 대 설치할수록 영상전압이 작아져서 선택지락계전기의 감도가 저하된다.

· GPT 3차 오픈델타결선에 연결되는 CLR은 보통 6.6kV에서는 25Ω이 설치되는데,

이 저항값을 1차측으로 환산하게 되면 약 10,000Ω의 저항이 1차측 Y결선 중성점접지에 걸리는것과

마찬가지가 된다. 그런데 만약 같은 Bank에 GPT가 두 대 이상 설치된다면 10,000Ω과 10,000Ω이

병렬합성돼서, 1차측으로 환산된 환산저항값 3Rn이 5,000Ω으로 낮아지게 된다.

즉, 3Rn이 5,000Ω으로 낮아지게 되면, 3Rn과 C의 병렬합성 영상임피던스(Z0)은 5,000Ω보다 더 작아진다.

결국, 영상임피던스(Z0)에 걸리는 전압(영상전압)이 작아지게 되고, 이는 계전기의 동작토크 감소로 이어져

계전기의 감도는 저하된다.

3. 선택지락계전기의 감도가 저하되는 각 경우에 대한 추가 설명

3.1) 6.6kV or 3.3kV 지중선로가 길어지는 경우

지중선로가 길어지면 대지정전용량(C)이 증가하여 충전전류(Ic)가 증가한다.

대지정전용량이 증가하면 용량성리액턴스(Xc)는 작아지고, 3Rn와의 병렬합성저항값은 더 작아진다.

그러므로, 등가회로를 보더라도, 산정식을 보더라도 영상전압은 감소함을 알 수 있다.

3.2) 지락점 저항이 큰 경우

지락점 저항(3Rg)이 증가하면 등가회로를 보더라도, 산정식을 보더라도 영상전압이 감소함을 알 수 있다.

영상전압이 작아지면 SGR의 감도가 떨어져서 동작하지 않을 수 있다.

3.3) 동일회로에 GPT가 여러 대 설치되는 경우

GPT 설치대수가 증가하면 영상임피던스가 병렬로 연결되어 병렬합성 영상임피던스가 감소하고

이로 인한 영상전압의 저감으로 결국 SGR의 감도저하에 영향을 준다.

25. 비접지계통에서의 1선지락시 지락전류와 영상전압의 이해

테솔라나 — Fri, 12 Aug 2022 00:27:27 +0900

비접지 계통에서의 1선지락 고장시 발생하는 지락전류와 영상전압에 대해 알아보자.

이를 통해, 비접지계통에서 SGR(선택지락계전기)의 감도가 떨어지는 이유에 대해서도 알 수 있다.

전체적인 개념을 이해하기 위해서는, 1선지락시의 대칭분 등가회로만 잘 그려도 무난하게 이해할 수 있다.

1선 지락시 대칭분 등가회로는 아래 그림과 같으며, 추후 고장계산 카테고리에서 상세하게 다룰 예정이다.

1. 1선 지락시 대칭분 등가회로

· 아래 등가회로와 같이, 1선지락이 발생하게 되면, 대칭분 등가회로에는 정상분과 역상분 그리고 영상분이 존재하며

이들은 서로 직렬로 연결된다는 것을 반드시 기억해야 한다. 그리고 지락점 저항값(3Rg)도 등가회로 모델링에 넣었다.

· 그리고, 등가회로에서 영상분의 3Rn과 C는, 아래와 같이 비접지계통에서 GPT 1차측 중성점접지의 저항값과 건전상의

대지정전용량이 서로 병렬연결되어 있으므로, 이를 등가 병렬회로로 나타낸 부분이다.

그리고, 중성점접지저항의 Rg에는 지락전류(Ig=3Io)가 지나가므로 3Rn으로 표시했으며,

지락발생점 저항 Rg에도 지락전류가 흐르므로 3Rg 로 표현한 것이다.

* C : 상당 정전용량

* 3Rn : CLR 상당 1차 환산 저항

* 3Rg : 지락점 저항

· 그리고, 위의 등가회로를 더 간략하게 해석하기 위해, 아래 그림의 오른쪽과 같이 더 간략한 등가회로로 변환해준다.

간략화된 등가회로를 통해 더 쉽게 개념을 잡을 수 있으며, 영상분임피던스(Z0)을 구하는 식을 도출할 수 있다.

참고로, 병렬회로 혹은 C가 들어간 회로는 어드미턴스의 역수로 병렬 합성저항을 구하는 것이 편리하다.(아래 필기 참고)

※ 참고로, 더 간략한 등가회로로 변환 시 다음과 같은 가정을 전제로 한다.

- Z0에 해당하는 3Rn과 C의 합성임피던스가, 정상분과 영상분보다 훨씬 크다. ()

- Z0(영상분임피던스) ≫ Z1(정상분임피던스) = Z2(영상분임피던스)

- 그래서, 정상분과 영상분은 무시해도 좋다. (∴ Z1=0(단락회로), Z2=0(단락회로))

2. 1선 지락전류(Ig) 산출식

· 영상전류(I0)의 3배가 지락전류(Ig)이다.

· 공식을 도출하는 과정으로, 문자로 표현되어 복잡해 보이지만 숫자로 계산하면 금방 결과가 나오기 때문에,

한번 훑어보고만 넘어가고, 다음의 내용만 기억해두자.

- 만약, 1선 완전지락이 발생한 경우(Rg=0), 지락전류 Ig=Ir+jIc이다. (지락전류=저항성전류+충전전류)

3. 영상전압(V0) 산출식

· 영상분임피던스(Z0)에 걸리는 단자전압(E)을 영상전압(V0)이라고 한다.

즉, 영상분임피던스(Z0)와 지락점저항(3Rg) 중에서, 영상분임피던스(Z0)에 분압되어 걸리는 단자전압이다.

· 참고로, 선택지락계전기(SGR) 감도가 저하되는 원인은 바로 영상전압의 감소이다.

(보호계전기_26번 게시글의 상세 설명 참고)

4. 요약

· 결국, 비접지계통에서의 지락전류를 구하기 위해서는 영상전류를 구할줄 알아야 하며, 영상전류를 구하기 위해서는

1선 지락시 대칭분 등가회로를 그리고 이해할 줄 알아야 하며, 이를 통해 계산된 영상전류의 3배가 지락전류가 된다.

· 또한, 1선지락시 영상전압의 감소 여부에 따라, 비접지계통에서의 선택지락계전기(SGR) 감도저하 원인이 된다는 것을

다음 {보호계전기-26번} 게시글에서 좀 더 자세히 알 수 있다.

24. 선택지락계전기(SGR, 67G)의 필요성과 구성방식 및 동작특성

테솔라나 — Wed, 3 Aug 2022 22:14:18 +0900

선택지락 계전기(SGR: Selective Ground Relay)의 구성방식과 동작특성을 알아보기에 앞서 선택지락계전기의 필요성에 대해 살펴보자.

선택지락 계전기(SGR)는 대표적인 방향성 계전기다. 그렇다면, 방향성계전기가 필요한 이유는 무엇일까.?

1. 선택지락 계전기(방향성계전기)가 필요하게 된 배경

비접지계통에서 지락을 검출하기 가장 쉬운 방법은, 미세한 전류가 흐르더라도 검출할 수 있도록 CT를 ZCT로 적용한다.

단락보호의 경우는, 직접접지계통이든 비접지계통이든 크게 다르지 않지만

지락보호의 경우는, 지락이 발생하더라도 귀로할 수 있는 회로가 없기 때문에 즉, 전원측회로(아래그림에서는

변압기의 2차측 델타결선)와 폐회로가 구성되지 않기 때문에 지락전류가 매우 작은 것이고, 이 미세한 지락전류를

ZCT를 통해 검출해서, 일정크기 이상이면 지락계전기(GR)가 동작하도록 계전기를 셋팅한다.

그런데 이 방법의 단점은 바로, 크기만으로 동작여부가 결정되는 무방향성 보호라는 것이다.

▼아래 그림.1과 같이,

FEEDER가 여러개인 배전계통에서는 위와 같이 무방향성보호를 하면 안된다.

하나의 FEEDER에서 지락이 발생해도 나머지 다른 FEEDER도 동시에 차단되기 때문이다.

즉, 고장이 발생한 FEEDER만 차단하는 선택성을 구현할 수 없어서 정전범위가 넓어지게 된다.

그림.1

▼아래 그림.2와 같이,

지락이 발생한 경우, 비접지계통이라 지락전류가 흐르지 못한다고 대부분 알고 있지만

실제로는 아래와 같이 대지정전용량을 통해서 대지로 연결되는 의미있는 회로가 있다.

반면에, 접지계통에서는 아래와 같이 대지정전용량을 통해 대지로 연결되는 회로가 동일하게 있지만

일반적으로 표현하지 않는다. 왜냐하면, 접지계통에서는 의미없는 회로이기 때문에 표현하지 않는 것이다.

대부분의 지락전류는 접지된 접지회로로 흘러 들어가기 때문이다.

그림.2

▼아래 그림.3과 같이,

비접지계통에서는 이 회로가 굉장히 의미있는 회로가 된다.

지락전류가 흐를수 있는 유일한 회로이며, 의미있는 크기의 전류가 흐르기 때문에 의미있는 회로라 한다.

지락전류(Ig)는 병렬로 나눠져서 대지정전용량 회로로 흘러 들어가고 이를 충전전류(Ic)라 한다.

그림.3

▼아래 그림.4와 같이,

대지정전용량으로 들어간 충전전류(Ic)는 다시 고장점으로 돌아가서 폐회로를 구성한다.

그러면, 왼쪽 FEEDER-1의 ZCT-1 입장에서는, ①②의 충전전류와 다시 돌아오는 ①'②'의 충전전류가 서로 상쇄되어

검출할 수 없고 결국 ③'④'의 충전전류만 검출할 수 있게 된다.

오른쪽 FEEDER-2의 ZCT-2 입장에서는, ③④의 충전전류만 검출이 된다.

다만, ZCT-1의 ③'④'충전전류와 ZCT-2의 ③④ 충전전류는 크기는 같고 위상(방향)만 반대이다.

결국, 지락계전기GR은 무방향성계전기이기 때문에, 영상전류만 검출되면 바로 동작해버리게 되어

CB-1과 CB-2 차단기가 모두 동작되버리게 된다. 즉, 고장이 발생한 FEEDER뿐만 아니라 멀쩡한 FEEDER도 차단된다.

FEEDER가 3번 4번 5번 6번 쭈욱 있다고 가정해보면, 모든 차단기가 동작된다는 것이다.

즉, ZCT와 지락계전기(GR)로만 계통을 지락보호 하게 되면, 선택성 없이 모두 차단되게 되므로,

이러한 현상을 막고자 필요한 것이 바로 방향성계전기(선택지락계전기;SGR)다.

이렇게 계통을 보호하는 일부 변전소들이 여전히 있다. 이런 곳은 SGR로 보호방식을 변경하도록 추천해야 한다.

그림.4

2. 그래서 등장하는 것이 바로 방향성계전기인 선택지락계전기(SGR)이다.

선택지락계전기의 구성방식과 동작특성에 대해 살펴보자.

선택성을 갖기 위해서는 방향성계전기를 사용해야 가능하다.

방향성계전기라는 것은, 전압의 위상을 기준으로 전류의 상대적인 위상을 보며 동작하는 것이다.

위에서 설명했듯이, 크기는 같지만 위상(방향)이 서로 반대인 전류의 위상특성에 따라 계전기를 동작시킬지 말지

즉, 선택성을 부여하는 것이다. 그래야만 고장난 FEEDER와 건전한FEEDER를 구별할 수 있다.

▼아래 그림.5와 같이,

방향성을 갖기 위해서는, 지락계전기(GR)를 선택지락계전기(SGR)로 바꿔준다.

선택지락계전기는 ZCT로부터 전류요소를 받으면 되고, 그럼 방향성의 기준이 될 전압요소는 어디서 받으면 되나?

PT로부터 받으면 된다. 그런데 복잡해진다. 그래서 접지변압기(GPT: Grounded Potential Transformer)를 설치한다.

1차측은 Y결선이고 중성점은 접지되어 있다. 2차도 접지된 Y결선이고 계전기의 전원을 공급하기 위한 용도이기 때문에

별도로 아래 그림에 표현하지 않았다. 3차는 오픈델타(Open Delta) 결선이다.

즉, 선택지락계전기는 GPT 3차 오픈델타결선에서 전압요소를 받으며, 이 전압의 위상을 기준으로 상대적인 전류요소의

위상을 보면서 동작되는 방향성계전기다.

참고로 GPT는 FEEDER가 10개라고 해서 10대를 설치하는게 아니라, Bank(Power TR)당 1대씩만 설치한다.

GPT를 많이 설치하면 오히려 SGR의 감도가 낮아져 부동작의 원인이 되기도 한다.

그림.5

▼아래 그림.6과 같이,

· 오픈델타결선이 개방되어 있다 하더라도 동작은 정상적으로 하지만, 좀 더 안정적인 동작을 위해

한류저항기(CLR)를 설치해준다. 3차 오픈델타에 한류저항기가 들어가면 1차측으로 환산된 저항치는 더 큰값이 된다.

즉, 비접지계통을 그대로 유지해줘야 하기 때문에, 1차측 Y결선의 중성점이 직접접지가 아닌 380mA가 흐를 수 있는

회로로 만들어 주는 것이다. 즉, 1차측 중성점접지는 직접접지되었지만, 3차측 오픈델타결선에 설치된 한류저항기의

저항치에 의해, 실질적으로 1차측 중성점접지는 직접접지형태가 아닌 저항접지형태가 된다는 것이다. 한마디로,

1차측중성점 접지방식은 직접접지처럼 보이지만 실제로는 380mA만 흐를 수 있는 비접지방식으로 여겨진다는 것이다.

그래서 CLR은, 완전지락이 발생했을때 GPT 1차측 중성점접지에 최대 380mA가 흐를 수 있는 저항값이 설치돼야 한다.

· 비접지계통의 대표적인 공칭전압은 3.3kV와 6.6kV계통이다.

6.6kV 계통에서 GPT의 CLR값은 25Ω을 적용해야 GPT 1차측 중성점접지로의 지락전류가 380mA로 제한되고,

3.3kV 계통에서 GPT의 CLR값은 50Ω을 적용해야 GPT 1차측 중성점접지로의 지락전류가 380mA로 제한된다.

· 고장이 없는 3상평형일 때에는 영상전류도 영상전압도 뜨지 않지만,

1선지락이 발생하면, ZCT로부터는 영상전류가 측정되고, GPT 3차 오픈델타로부터는 영상전압이 측정된다.

SGR은 이렇게 1선지락 발생시 영상전압을 기준으로 검출된 영상전류의 위상을 보고 동작여부가 결정된다.

그림.6

▼아래 그림.7과 같이,

비접지방식에서 지락발생시 지락전류(Ig)가 흐를 수 있는 길은 기존의 대지정전용량을 통해서 대지로 접지된

의미있는 회로 뿐만 아니라, GPT의 1차 중성접접지로도 흘러들어갈 수 있다. 즉, 새로운 길이 하나 더 추가되었다.

여기서 주의할 점은, GPT의 1차 중성점접지는 직접접지가 아니란 것이다. 3차 오픈델타결선의 한류저항기에 의해

1차 중성점접지는 직접접지가 아닌 비접지방식으로 봐야 한다. 왜냐하면 한류저항기의 저항치가 1차측으로 환산되면

상당히 큰 저항치가 있는것과 다름없기 때문이다. 예를들어 6.6kV의 계통이라 하면 한류저항기는 25Ω이 적용되고,

이를 1차측으로 환산하면 약 10,000Ω이 되기 때문에 비접지방식과 다름없게 되는 것이다.

즉, 계통의 비접지방식이 그대로 유지되기도 하며, 동시에 기존 충전전류의 길도 그대로 의미있는 회로가 된다.

실제로, 대지정전용량으로 흘러들어가는 충전전류(Ic)가 GPT 1차측 중성점접지로 흘러들어가는 저항성전류(Ir)보다

전류크기가 큰 경우가 훨씬 많다. 그만큼 1차측 중성점이 비접지방식과 다름없고, 380mA 이하로 매우 미세하게 흐른다.

즉, GPT가 없는 경우, 지락전류는 의미있는회로(대지정전용량)를 통해 흘러들어가는 충전전류성분(Ic)밖에 없었지만,

방향성을 갖기 위해 선택지락계전기를 설치하는 경우, 즉 위상 기준이 될 전압요소가 필요하여 GPT가 설치된 경우의

지락전류 흐름은, 기존 충전전류성분(Ic)루트 외에 추가로 저항성성분(Ir) 루트가 생긴 것이다.

GPT 1차측 중성점접지는 직접접지처럼 보이나, 실제로는 GPT 3차 오픈델타에 설치된 한류저항기에 의해, 1차측으로

환산된 저항이 있는것과 다름없는 비접지방식이다. 때문에 이 중성점으로 흘러들어가는 지락전류를 저항성성분(Ir)이라

하는 것이다.

그림.7

▲위 그림7.과 같이,

지락전류는 GPT 1차측 중성점접지를 통해 흘러들어가고, 1차측 Y결선의 3병렬회로에 의해 1/3로 나누어져 흐르고

폐회로가 구성되어 다시 고장점으로 돌아오게 된다. 이 흐름이 바로 ⑤⑥⑦ 번 저항성전류(Ir)의 흐름이다.

결국, 고장 FEEDER의 ZCT는 저항성전류(⑤⑥⑦)과 충전전류(③'④')를 측정하며,

건전 FEEDER의 ZCT는 충전전류(③④)만 측정하게 된다.

충전전류 ③'④'와 충전전류 ③④는 크기는 같지만 위상(방향)만 서로 180˚ 차이가 난다.

바로 이렇게, 전압위상(GPT 3차 오픈델타결선의 영상전압)을 기준으로 영상전류의 서로다른 위상을 보고,

고장이 어느 FEEDER에서 발생했는지 판별하여, 고장난 FEEDER만 선택해서 차단시킨다.

3. 옛날 기계식계전기(EM Type) 경우, 어떤 방식으로 동작되는지 ?

· 유도원판형 기계식계전기의 경우, 전자기력으로 동작을 시킨다.

기계식계전기로 방향성계전기를 구현하려면, 방향(위상)이 어느 기준에 맞을때만 동작하도록 만들어줘야 한다.

결국, 방향성 기계식계전기는 자기배열토크를 이용해서 동작원리를 구현하였다.

한마디로, 기계식계전기는 유도원판형이기 때문에, 어떠한 것이 돌아가야(즉, 토크가 만들어져야) 동작하게 된다.

· 방향성계전기는 비접지계통에만 쓰이는 것이 아니라 접지계통에서도 쓰이며, 단락과 지락보호용으로 모두 쓰인다.

다만, 비접지계통에서는 CT가 아닌 ZCT를 사용한다는 것이 차이점이 된다.

· PT코일에 전압이 걸리면 전류가 흐르고 이 전류가 계전기로 흘러들어가 자기장을 생성한다.

CT코일에 흐르는 전류가 계전기로 흘러들어가 마찬가지로 자기장을 생성한다.

· 얻어진 두개의 자기장에 의해 토크가 생길 수 있는 가장 기본적인 조건은 마련되는 것이며, 두개 자기장의 위상이

서로 다른 정도에 따라 토크의 크기가 좌우된다.

· 토크라는 것은 벡터이기 때문에, 왼쪽으로 돌아갈수도 있고 오른쪽으로 돌아갈수도 있다.

예를들어, 왼쪽으로 돌아가는 것이 정방향이고, 오른쪽으로 돌아가는 것이 역방향이라고 하면

정방향으로 돌아가는 토크에 대해서만 동작토크로 설정하고, 역방향으로 돌아가는 토크에는 계전기가 동작하지 않도록

부동작 셋팅해준다. 즉 이러한 방식으로 방향성을 갖는다.

▼아래 참고자료(왼쪽 그림)과 같이,

· 자기배열토크를 얻기 위해서는 두개의 자기장이 있어야 하며, 그 두개의 위상은 서로 벌어져 있어야 한다.

두 자기장의 위상차이가 90˚가 벌어졌을때 가장 큰 토크를 얻어낼 수 있다. (∵Sin90˚=1)

즉, 최대토크가 나오는 위상각을 최대감도각이라고 부른다. (최대감도각; MTA: Maximum Toque Angle)

그래서, 계전기를 셋팅할때 고장이 나게되면 갈수있는 예측되는 장소에다가 최대감도각을 설치해준다.

예를들어, 3상단락이 발생하는 경우 전압과 전류의 위상차가 80~90˚ 사이로 벌어지기 때문에 이러한 정보를

바탕으로 80~90˚ 사이에 최대감도각 MTA를 설치해주면 토크가 가장 크니까 가장 민감하게 동작할 수 있게 된다.

▲위 참고자료(오른쪽 그림)와 같이

· 전압은 변하지 않는 요소이기 때문에 전압을 기준으로 한다.

전력계통은 정전압 계통이기 때문에, 전압은 늘 일정하고, 전류는 부하에 따라 달라진다. 그래서 전압을 기준으로 한다.

· PT전압(Vpt)이 기준이 되며, PT전류(Iv)는 지상회로이기 때문에 PT전압(Vpt)보다 위상이 뒤져서 흐른다.

(∵VLI ← L회로에서 I는 V보다 늦는 지상이다.)

즉, PT전류(Iv)가 파이1(자기장1)이 되고, 파이2(자기장2)는 CT전류(I)이므로, CT전류가 어떻게 흐르느냐에 따라

동작위치가 정해지게 된다. 정상부하일때의 위상위치와 단락일때의 위상위치 그리고 지락일때의 위상위치가

서로 다 다르게 놓여질 것이다. 즉 PT전류(Iv)를 기준으로 CT전류(I)의 상대적인 위상을 보고 동작여부가 결정된다.

· 즉, PT전압(Vpt)에 의해 PT전류(Iv)가 결정되고, PT전류(Iv)가 기준이므로 0˚가 된다.

다만, 3상 단락일때와 지락일때 그리고 단락일때의 CT전류(I)가 다 다르고, 위상이 다 다를것이므로

목적에 맞게 최대감도각(MTA)를 조정해서 계전기가 동작되도록 셋팅해주면 된다.

즉, 최대감도각을 조정하기 위해서는 기준전류인 PT전류(Iv)를 미세하게 조정해가며 최대감도각이 90도가 되도록 한다.

· 만약 아래 그림.8과 같이, 자기장2(CT전류)가 0~180˚도 이내인 약 60˚ 부근으로 떨어졌다면, 이는 전류파형의 + 영역이므로

계전기 동작영역(정방향토크)에 해당한다. 반대로 180~360˚ 사이에 전류가 떨어지면 부동작영역이므로 부동작 한다.

그림.8

· 그런데, 동작영역에 떨어졌다고 해서 즉, 방향만 맞다고 해서 모두 동작해버리면 오동작의 원인이 되기도 한다.

그래서, 위 참고자료의 오른쪽 그림을 보면, 최소동작전류선을 원점에서 살짝 이동시켜놓은 것을 볼 수 있다.

전류의 크기도 어느정도 넘어야만 동작한다는 것이다. 방향이 중요한것은 맞는데, 전류의 크기도 최소한의 값

이상으로는 흘러줘야 한다는 것이다. 그래서 최소 동작전류선이 어느 정도 옆으로 Shift된 이유이다.

결국 방향성계전기의 선택성의 정확도가 높아지게 된다.

즉, 최대감도각으로 전류 위상이 떨어진다면, 그 전류는 크기가 작더라도 동작영역에 쉽게 들어간다.

MTA 기준으로 보면, 원점으로부터 최소동작전류선까지의 거리가 가장 짧기 때문이다. 한마디로 전류의 크기가

작더라도 MTA라인으로 전류의 위상이 떨어지면 동작영역에 쉽게 들어간다는 것이다. 즉 민감하게 동작할수있다.

반면에, 방향이 맞았다 하더라도 위상이 멀리 떨어지면 그만큼 전류의 크기도 어느정도 커야 동작영역으로 들어갈수가 있다.

고장이 아닐수도 있기 때문에 크기도 그만큼 많이 흘러야 동작하게 되는 개념이다.

위 참고자료 오른쪽 그림을 보면 쉽게 이해할 수 있는 부분이다. (빨간색 긴 전류선과 짧은 전류선의 차이를 보아라)

▼아래 추가 설명그림.9 참고.

추가 설명 그림.9

이로써, 선택지락계전기(SGR, 67G)에 대한 전반적인 설명을 마치겠다.

위의 내용을 전반적으로 이해할 수 있다면 방향성계전기인 선택지락계전기에 대해 어느정도 개념을 잡을 수 있을 것이다.

다음은, 선택지락 계전기(SGR, 67G)에 대한 개요와 구성방식 그리고 동작특성에 대해 살펴보겠다.

4. 개요

· 비접지 계통의 지락사고를 검출하여 고장회로만을 선택차단하는 방향성계전기다.

· SGR은 지락사고시 GPT로 영상전압과 각 선로상 ZCT를 통해 영상전류를 검출하여 선택차단한다.

5. 구성

5.1) GPT(Ground Potential Transformer)

5.1.1) 설치목적

지락시 영상전압을 검출하여 SGR(67G)의 입력으로 사용하며, Y-Y-△ 변압기의 3차측 △결선의

지락보호용 OVGR((64)의 경보알람용 입력으로도 사용한다.

5.1.2) 정격(6.6kV 계통)

· 1차(Y결선) : 6,600V/r3 *중성점 접지

· 2차(Y결선) : 190V/r3 (=110V) *보호계전기 전원공급

· 3차(Open △결선) : 190V/3 (=63V) *영상전압 출력

· 정격부담 : 상당 483[VA], 3상 1,448[VA] *VA=6,600/r3 x 0.38/3 = 483[VA]/phase

5.2) 한류저항기(CLR : Current Limiting Resistor)

5.2.1) 설치목적

· SGR 동작에 필요한 지락전류의 유효분전류(Ir 저항성성분전류)를 발생시키기 위해.

· GPT 3차의 델타 결선내에서 3고자파를 순환시켜, 3고조파에 의한 계전기(SGR, OVGR)의 오동작을 방지하기 위해.

· 지락고장 제거 후 정상 복귀시 대지 정전용량의 불균형에 의한 중성점 전위의 진동을 억제하기 위해

→ 저항이 빠르게 진동에너지를 흡수한다.

5.2.2) 정격

· 저항의 크기

1선 완전 지락고장시 380mA 이하로 지락전류를 제한할 수 있는 저항이다.

- 3.3kV 계통의 한류저항기는 50Ω이며,

- 6.6kV 계통의 한류저항기는 25Ω이며, 이를 1차측 중성점저항으로 환산하면 약 10,000Ω 이어서

1차측 중성점으로 흘러들어가는 지락전류는 380mA 이하로 제한된다.

5.3) 영상변류기(ZCT : Zero sequence Current Transformer)

5.3.1) 설치목적

지락고장시 선로에 흐르는 영상전류를 검출하여 SGR의 입력으로 사용한다.

5.3.2) 정격

· 정격 영상1차전류 : 200mA

· 정격 영상2차전류 : 1.5mA

6. 동작특성

임의의 피더에서 지락사고가 발생하면 선로의 대지 정전용량을 통해서 충전전류(Ic)와,

GPT 중성점 접지를 통해서 저항성전류(Ir)가 흐른다.

· 지락고장 Feeder

고장 Feeder 에는 충전전류(Ic)와 저항성전류(Ir)가 동시에 흐르며, ZCT는 이를 검출한다.

· 건전 Feeder

건전 Feeder에는 충전전류(Ic)만 흐르며 ZCT는 이를 검출한다.

이때, 충전전류의 위상은 고장 Feeder의 충전전류와 서로 180˚ 차이가 있다.

참고로, 고장이 아닌 정상상태에서, 평소 ZCT는 검출하는 전류가 없다가

지락이 발생하면 영상전류가 생기게되고, ZCT는 바로 이 영상전류를 검출한다. 동시에 저항성성분도 검출한다.

23. 대용량 유도전동기의 과전류계전기(50/51) 정정

테솔라나 — Fri, 29 Jul 2022 23:56:44 +0900

대용량 고압 유도전동기의 과전류계전기(50/51) 정정하는 법에 대해 다음의 예제를 통해 살펴보겠다.

@아래 문제에 대한 보충설명

- 구속은 영어로 하면 LOCK이다. 구속전류는 기동전류와 같은 의미로, 회전자가 LOCK되어 있을때의 전류를 말한다.

그래서, Locked Rotor Current(LRC)라고 한다.

- 가속시간은 전동기가 기동하는데까지 걸리는 시간을 의미한다. (=정상적인 운전점까지 도달하는데 걸리는 시간)

- SST(Safe Stall Time)이 13초라는 것는, 전동기가 기동하는 순간에 기동전류가 흐를텐데 이 기동전류의 13초까지는

전동기가 열적으로 이상없이 견딘다는 의미이다. 즉, 13초 안에서 전동기가 보호가 되도록 정정을 하면 된다.

- 51(한시)은 전동기 과부하에 대한 보호이며, 50(순시)은 단락에 대한 보호이다.

[문제]

3상 유도전동기의 정격 552[kW], 6.6[kV], 역률 92.2%, 효율 93.22%, 구속전류는 정격전류의 6배,

가속시간 8초, SST(Safe Stall Time) 13초이다. 100/5A CT의 2차측에 전동기 보호용 50/51 계전기가

연결되어 있다고 할 때, 50/51 계전기의 정정치를 구하고, 시간탭(Time Dial) 설정 방법을 그림으로 설명하시오.

[움짤로 보는 GIF 풀이]

움짤로 보는 설명

[풀이]

① T-C 곡선을 그려놓고, 51(한시) 계전기 정정곡선부터 그려보자.

② 모터보호 계전기를 정정할때 가장먼저 나타내야 할 것은 바로 모터의 기동특성(기동전류)을 나타내야 한다.

③ 기동전류 Ilrc는 가속시간 8초동안 흐를 것이다.

④ 8초의 시간이 지나면 정상적인 운전점인 부하전류(=최대전류, =정격전류) FLC로 그려진다.

⑤ 51정정곡선은 이보다 위에 있어야 한다. 기동특성곡선과 겹치면 기동할때마다 계전기는 동작될것므로..

정정전류는 정격전류보다 커야 한다. 과부하에 대한 보호이기 때문에.. 그래서 정격전류의 105~125%로 정정한다.

보통 1.25배로 정정해준다.

⑥ 그리고, 가속시간이 8초라고 문제에서 주어졌으므로, 기동전류를 기준으로 3~4초정도 위에 있어야 한다.

4초를 더해서, 기동전류때 12초가 되도록 시간탭을 설정해주면 된다.

⑦ 한가지 더 고려해야할 부분이 바로 SST(열적한계특성곡선 점) 이다. SST가 13초라는 것은 기동전류가 13초까지

흘러도 전동기가 열적으로 견딜수 있는 시간을 의미한다. 그래서, 정정곡선이 이보다는 낮아야 열적으로 보호가 된다.

⑧ 보통 1~2초 정도 낮게 한다. 그러면 이렇게 한시정정은 다 끝난것이다.

⑨ 순시정정의 경우는, 기동전류Ilrc의 175~200%로 정정해준다. 일반적으로 두배로 정정해준다.

이제, 전부하전류(FLC)와 기동전류(LRC)를 구하면 되는데, FLC만 구하면 LRC값을 알 수 있다.

왜냐하면, 문제에 나와있듯이, 기동전류(구속전류)는 전부하전류의 6배이기 때문이다.

▼ 전부하전류(FLC)와 기동전류(LRC) / 한시정정 / 순시정정

22. 대용량 유도전동기 보호방식(50/51, 49, 87, 50G, 46, 47, 27)

테솔라나 — Fri, 29 Jul 2022 21:31:38 +0900

· 순시 과전류계전기(50)

· 한시 과전류계전기(51)

· 회전기 온도계전기(49)

· 비율차동계전기(87)

· 지락계전기(50G)

· 역상 과전류계전기(46)

· 역상 과전압계전기(47)

· 저전압계전기(27)

1. 개요

공장의 생산설비에 사용되는 전기설비의 대부분은 전동기이며, 그 중에서 90%는 유도전동기다.

전동기 고장을 적절하게 보호하지 못하면, 공장 생산 차질로 인한 손실과 전동기 교체 및 수리비용이 매우 크다.

대용량 고압 유도전동기 보호 종류와 보호 방식은 다음과 같다.

1.1) 고정자 권선 과열에 대한 보호 : 한시 과전류계전기(51), 회전기 온도계전기(49)

1.2) 내부단락 및 지락고장에 대한 보호 : 비율차동계전기(87), 순시 과전류계전기(50), 지락계전기(50G)

1.3) 불평형에 대한 보호 : 역상 과전류계전기(46), 역상 과전압계전기(47)

1.4) 저전압에 대한 보호 : 저전압계전기(27)

2. 대용량 전동기의 보호방식

2.1) 전동기 고정자 권선 과열에 대한 보호

2.1.1) 한시 과전류계전기(51)

전동기의 열적한계곡선(Thermal limit curve)을 고려해서 계전기 정정곡선을 작성하는데,

Cold Locked Rotor 곡선보다는 아래에 있어야 하며, Hot Locked Rotor 곡선보다는 위에 위치하도록 한다.

· 동작설정

전동기 전부하전류(FLC)의 105~125%에 동작하도록 선정하고, Time Lever는 전동기 기동시간에서

3~4초 정도 여유를 주어 선정을 하되, SST(Safe Stall Time) 보다는 1~2초 정도 여유를 주어 하단에 위치

하도록 선정해준다. 그리고 기동전류(LRC)의 175~200%, 즉 2배 정도에서 순시정정을 한다.

*SST(Safe Stall Time) = LRT(Locked Rotor Time)

*구속전류 = LOCK전류 = 기동전류 = Loced Rotor Current(LRC)

2.1.2) 회전기 온도계전기(49)

· 고정자 권선의 슬롯에 RTD온도센서를 부착해서 과열에 대한 보호를 한다.

· 주위온도가 높거나, 냉각장치의 고장 또는 빈번한 기동 등으로 인해 권선의 온도가 상승되면 전동기를 보호한다.

2.2) 내부 단락 및 지락고장에 대한 보호

2.2.1) 비율차동계전기(87)

전동기 내부의 단락과 지락을 고속으로 검출하기 위해서 대용량 전동기에 채용한다.

만약 보호대상이 대용량이 아닌 소용량의 전동기인 경우 비율차동계전기 없이 아래의 과전류 계전기로만 보호한다.

2.2.2) 순시 과전류계전기(50)

· 전동기 Feeder에 단락사고가 발생하는 경우 신속하게 제거하기 위해 적용된다.

· 돌입전류 혹은 외부고장시, 전동기 기여전류의 비대칭 전류에 동작하지 않도록,

전동기 기동전류의 1.75~2배로 정정한다.

2.2.3) 지락계전기(50G)

· 전동기 내부에 지락이 발생하는 경우 신속하게 제거하기 위해 적용된다.

· 일반적으로, ZCT를 설치해서 고감도로 영상분을 검출하여, 순시 또는 필요에 따라서 시간지연(0.2~0.5초)을

두고 동작시킨다.

· 직접접지 계통인 경우, 한시정정은 정격전류의 10~20% 정도로 정정하고,

최대 1선지락전류에서 0.2~0.5초가 되도록 Time Lever를 선정하고, 순시는 한시정정치의 10배로 정정한다.

2.3) 결상에 대한 보호

결상이되면 불평형률은 100%가 되고, 매우 큰 역상분전류가 흘러, 과열과 진동으로 인한 전동기의 손상을 보호한다.

불평형이 커지면 커질수록, 역상분전류는 점점 더 커진다.

미국 NEMA 규정에서는 전동기의 불평형에 대해 다음과 같이 규정하고 있다.

"" 유도전동기는 1% 미만의 전압 불평형률에 대해서는 별다른 문제가 되지 않지만, 1~5% 정도의 불평형 전압에서는

전동기의 출력을 줄여서 운전해야 하며, 5% 이상의 전압 불평형에서는 전동기를 운전하는 것은 바람직하지 않다""

따라서 5~6%에 계전기를 정정하여 전동기를 보호해야 한다.

2.3.1) 역상 과전류계전기(46)

역상분 전류를 검출하여 보호한다.

* FLC(전부하전류)의 10~15%, 5~10초 지연동작

* FLC(전부하전류)의 20~25%, 2~5초 지연동작

2.3.2) 역상 과전압계전기(47)

역상분 전압을 검출하여 보호한다.

2.4) LOCK과 STALL 보호

유도전동기에서 발생하는 STALL과 LOCK의 전기적특성은 동일하고, 다만 LOCK은 기동시 발생하고,

STALL은 운전 중 발생한다는 차이점이 있다.

전동기의 기동시간을 초과하면 LOCK 요소는 감시를 중단하고 STALL 요소가 활성화 된다.

2.4.1) LOCK 보호

전동기가 기동에 실패하는 경우가 있는데, 이는 전동기가 기동하기 전에 과도한 부하토크가 걸려있는 경우 및

전동기의 기계적고장, 부하 베어링의 고장, 낮은 공급전압 등이 전동기 기동 실패의 원인이 되는데,

이러한 현상을 회전자 구속(LOCK)이라고 한다. 회전자가 정지된 상태에서 고정자에 전압이 인가되면 전동기의

고정자 권선에는 정격전류의 5~8배 수준의 전류가 흐른다.

2.4.2) STALL 보호

유도전동기가 정상적인 운전 중 부하토크가 전동기의 토크보다 커서 전동기의 회전속도를 줄여 정지시키거나

정격속도 이하의 어떤 운전점 속도로 떨어지는 것을 말한다. 이 때 전동기 전류는 구속전류에 도달할 때까지

빠르게 증가하며 전동기의 임피던스는 구속 임피던스에 접근해 간다.

2.4.3) LOCK 요소와 STALL 요소의 정정

· LOCK 요소의 정정

전동기 정격전류의 2배정도로 정정을 하되, 상단과 시간협조를 보고, 또 특성곡선이 기동전류보다 상단에

위치하되, Cold Safe Stall Time보다 작도록 정정해야 한다.

· STALL 요소의 정정

전동기 정격전류의 2배 정도에 정정을 하되, Hot Safe Stall Time 이내로 정정한다.

2.5) 저전압에 대한 보호

주어진 부하에 대해 전동기는 일정전력(kVA) 기기로 간주된다. 전류의 변화는 전압의 변화에 반비례하고,

평형 3상 저전압은 평형 3상 과전류를 야기한다. 장기간의 저전압이 발생하면 회전력의 부족이나, 고정자

전류의 증가로 인해 과열소손의 우려가 생긴다.

2.5.1) 저전압계전기(27)

저전압검출 계전기로 저전압계전기가 사용되며, 동작은 정격전압의 80%에 2~3초 지연동작으로 정정한다.

" 만약 기동시 전압강하가 보다 클 경우 불필요한 동작을 방지하기 위해 이보다 작은 값에 정정 할 수 있다.

시간지연은 보통 2~3초를 준다. 하지만 이 경우 순시전압 강하가 발생할 경우 전동기 부하로 유입되는 전류가 증가하여

상단에서 과전류계전요소가 동작할 우려가 있다. 이를 방지하기 위해서, 중요도가 떨어지는 부하는 시간지연을 작게주고,

매우 중요한 부하에 시간지연을 많이 주는 방식으로 적용한다."

21. 발전기 보호계전기 종류(24, 32, 60, 81, 21, 78)와 보호방식

테솔라나 — Thu, 21 Jul 2022 21:07:12 +0900

· 과여자계전기(24)

· 역전력계전기(32)

· 전압평형계전기(60)

· 주파수계전기(81)

· 거리계전기(21)

· 동기탈조계전기(78)

1. 과여자계전기(24)

발전기가 과여자되는것을 검출하는 계전기로, 계자전류가 너무 많이 증가하는 것을 방지하기 위해 설치하는 계전기다.

계통 주파수 저하가 과여자의 원인이며, 전압과 주파수의 비(V/Hz)를 검출해서 어느 이상이 되면 계전기가 동작하도록 한다.

과여자 되면 과전압상태가 되므로, 과여자계전기(24)를 적용하는 경우에는 과전압계전기(59)를 생략할 수 있으며,

과전압계전기(59) 적용시 정격전압의 130%에서 순시동작하도록 한다.

1.1) 과여자 원인

· 계통의 주파수 저하가 주요 원인으로, 발전기의 전압은 계속 유지한채 부하가 증가하면 주파수가 떨어져 과여자 된다.

· AVR용 PT의 퓨즈가 용단되는 경우, 전압이 정확히 측정되지 않고 훨씬 낮게 측정되므로 AVR(자동전압조정기)은

전압이 낮아진것으로 오판해서, 계자자속을 계속 증가시키게 만들고, 이에 따라 발전기는 과여자되는 것이다.

· AVR이 오동작하는 경우도 과여자의 원인이 된다.

주파수 저하시 계자전류 증가하여 전압은 일정하게 유지

1.2) 과여자 영향

· 과여자는 발전기 철심 과열의 원인이 됨

· 승압변압기 및 보조변압기(소내용변압기 등)에 영향을 준다.

- 철심에 과잉 자속은 히스테리시스 및 와류손으로 과열

- 변압기 정격전압의 140% 정도에서 여자전류는 전부하전류와 비슷한 크기까지 증가한다.

(보통, 정격전압에서의 여자전류는 정격전류의 1% 정도 이지만, 정격전압의 140% 정도까지 과전압상태가 되면

여자전류는 전부하전류와 비슷한 크기로 증가한다. 더욱이 여자전류는 고조파성분을 많이 포함하므로,

온도상승에 미치는 영향이 굉장히 크다. 그래서 과여자에 대한 피해는 발전기보다 변압기가 더 크다.)

1.3) 과여자 보호 방법

과여자계전기(24)를 적용해서 과여자를 검출한다. 과여자계전기를 볼트헤르츠(V/Hz) 계전기라고 부르기도 한다.

대형발전기의 경우 V/Hz=1.05 이상에서 과여자가 나타나므로, 발전기의 특성을 고려해 동작치를 설정하여 검출하고,

한시로 보호한다.

(주파수가 일정한 상태에서 과전압이 생겨도, V/Hz는 상승하고,

전압이 일정한 상태에서 주파수가 떨어져도, V/Hz는 상승한다.)

2. 역전력계전기(32)

발전기(동기발전기)는 유효전력을 전력계통에 공급해야 정상인데, 반대로 유효전력을 소비하는 상태가 되면

발전기가 전동기(동기전동기)화 된다.

2.1) 보호 목적

발전기가 전력을 흡수하는 모터링(Motoring)화 되면, 터빈에 열적 기계적 손상이 발생되므로, 역전력을 검출해 보호한다.

2.2) 모터링의 영향

증기터빈의 경우, 발전기가 모터링화 되면, 터빈으로의 증기공급이 중단되거나 증기공급이 급격히 줄어들게 되고,

이때 터빈 내부에 고온의 증기가 들어있는상태에서 터빈의 블레이드는 계속 회전하기 때문에 풍손(마찰손)이 생기고,

이 열은 원활히 빠져나가지 못하고 누적되어 과열로 발전기는 소손된다.

(ex. 물이 계속 흐르고 있는 상태에서는 물레방아가 원활히 잘 돌아가지만, 갑자기 물레방아에 물이 공급되지 않으면,

물레방아를 이전과 동일한 속도로 회전시키려고 할때 굉장히 큰 저항력이 발생하는 것이다.)

2.3) 역전력 보호 방법

· 역전력계전기(32)로 역전력을 검출하여 경보 또는 트립시킨다.

· 발전기 역전력은 복수터빈의 경우 명판정격의 3% 정도가 동작의 기준이 되며, 계전기의 정정은 이 값의 50%로 정정시킨다.

3. 전압평형계전기(60)

3.1) 보호 목적

PT Fuse Failure로 전원 상실시, 전압을 제대로 검출하지 못해 계전기(59, 24, 81, 21, 51V, 40, 32 등)들이 오동작할 가능성이 있고,

AVR도 전압을 낮게 검출함으로써, AVR은 발전기 단자전압을 일정하게 유지시키고자 여자값을 계속 조정한다.

즉, AVR이 여자전류를 계속 공급하게 돼서 발전기는 결국 과여자가 된다.

이렇게, 계전기와 AVR이 오동작하는 현상을 방지하기 위해 전압평형계전기를 사용한다.

3.2) 보호 방법

2개의 PT는 각각 보호계전기와 AVR 제어를 위해 사용되며, PT 2차측의 전압을 서로 비교하여 전압차 유무를 검출한다.

PT는 상과 대지사이에 설치되어 보통 코일에서 지락이 빈번히 발생한다. 지락이 발생하는 경우 발전기 후단의 차단기가

동작해서 발전기 후단은 결국 정전되게 된다. 이를 방지하고자 PT 전단에 반드시 파워퓨즈(Power Fuse)를 설치한다.

지락이 대지를 타고 흘러들어가지 못하게 PT전단에서 퓨즈가 먼저 개방되도록 하는 것이다. 그런데 이 파워퓨즈는 잘

떨어지는 현상이 있다. 즉, 파워퓨즈에 대한 신뢰성이 없기 때문에, 파워퓨즈가 떨어져 PT후단의 계전기와 AVR이 오동작

하지 않도록 전압평형계전기를 설치해서, 퓨즈가 이유없이 떠어지더라도, PT 2차측 전압이 서로 다르지 않으면

계전기 트립회로를 개방시키고, AVR의 동작도 저지하는 것이다.

4. 주파수계전기(81)

발전기가 주파수 60Hz 근처를 잘 유지하며 동기를 유지한채 정격속도로 운전하고 있는 상태에서,

부하가 증가(주파수 저하)하거나, 부하가 감소(주파수 증가)하게 되면, 발전기의 회전속도가

정격속도(2극기인 경우 3600rpm)보다 느려지거나 빨라져서 공진점에 가까워지기만 해도 진동이 생긴다.

고속으로 회전하는 터빈에 진동이 발생하고 그 진동이 점점 더 커지면 터빈날개의 끝부분이 휘어지는 등 손상이 발생한다.

· 저주파수계전기(81U, UFR)는 계통의 주파수가 저하되어 터빈 발전기의 고유 진동수와 공진하는 경우,

심한 진동에 의해 터빈날개(특히, 저압터빈은 날개가 굉장히 큼)의 손상을 방지하기 위한 목적으로 사용한다.

· 과주파수계전기(81O, OFR)는 회전자의 과속도 운전에 대한 보호를 위해 사용된다.

· 발전기는 주파수에 따라서 운전한계 시간이 정해져 있다. (아래 자료 참고)

- 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준을 보면, ±1.5Hz까지는 연속운전을 해야 한다고 되어 있다. 그리고 이보다도

주파수가 떨어졌을때는 20초 동안 유지하여야 한다고 되어 있다. 즉 제조사는 발전기 설계를 그렇게 해야 한다.

- 그리고, 한전의 송전용 전기설비이용규정을 보면, 3Hz를 초과해서 주파수가 떨어지는 경우는 발전기가 견딜수 있는

상황이 아니라고 보고, 즉각적으로 발전기는 차단되어야 한다고 되어 있다. 그렇지 않으면 터빈은 고장나게 된다.

5. 거리계전기(21)

발전기 인접하는 계통에서 고장이 발생했을 경우, 발전기용 거리계전기는 후비보호 용도로 사용된다.

발전기는 고장전류를 공급하는 공급원이기 때문에, 고장이 제거되지 않으면 발전기는 그 고장점에 계속 고장전류를

공급하므로, 송전선로보호가 적절하게 동작하지 못한 경우 이에 대한 후비보호로 동작하는 것이다.

이 발전기용 거리계전기는, 발전기 보호에 대한 후비보호로 사용된다기 보다는, 전력계통 고장에 대한 후비보호로

사용된다.

송전선로에서는 후비보호를 3단계 한시거리계전기를 사용한다. 그래서, 후비의 후비의 후비가 Zone3로 동작한다.

Zone3로 동작한다는 것은 100Hz(100cycle=1.6초) 정도 기다렸다가 동작하는 것으로, 1.6초가 지나도 Zone3에

의해 동작하지 않으면, 그제서야 발전기용 거리계전기가 동작해서 후비보호역할을 하는 개념이다.

· 인접계통 모선 및 송전선로의 사고가 주보호 장치의 동작에 실패할 경우, 발전기는 계속해서 고장전류를 공급하기

때문에, 발전기를 개방하는 후비보호 조치가 필요하다

· 이를 위해 사용되는 계전기는, 거리계전기(21) 또는 전압억제부 과전류계전기(51V)를 적용한다

(51V와 21은 동시에 사용하지 않고, 21이 51V보다 후비보호에 협조가 잘 되므로, 주로 21을 사용한다)

· Off-set Mho형 거리계전기를 적용해서, 발전기 전기자권선의 고장의 일부 또는 전력계통 전체에 대한 후비보호를 겸함.

①과 같이, 발전기 전기자권선의 고장에도 일부 거리계전기가 동작되도록 계전기 정정범위 중 후방영역에,

발전기 전기자권선의 임피던스가 포함되도록 Zone1 범위를 설정한다.

②와 같이, 승압용변압기 임피던스 수준에서 약간 작은정도로 Zone1 정정범위를 설정한다.

③과 같이, 송전선로 보호용 거리계전기의 Zone3에서도 고장이 실패할 경우, 후비보호 되도록 발전기용 거리계전기의

Zone2 정정범위로 설정한다.

즉, 계통보호에 대한 후비보호 역할을 하면서, 발전기보호에 대한 후비보호 역할도 겸하는 계전기다.

6. 동기탈조계전기(78)

미소한 부하변동이 아니라, 계통의 급격한 외란(대형 부하의 On/Off 등 급격한 부하변동, 계통의 3상단락 사고발생)이

발생하면, 발전기의 상차각이 이동되는 현상이 발생한다. 이렇게, 부하의 급격한 변동으로 인한 발전기의 상차각이

이동되고 난 후 일정시간이 흐르면, 발전기는 대부분 동기상태로 돌아가고 안정된 상차각을 다시 찾아간다.

즉, 과도적으로 흔들리기는 했지만 정상상태를 대부분 찾아간다.

하지만, 정상상태를 찾아가지 못하는 발전기의 경우 상차각이 180도까지 벌어지게 되면서 동기탈조현상이 나타난다.

· 계통의 급격한 외란이후에 안정한 상태인 동기로 회복되지 못하는 발전기를 차단할 목적으로 사용한다.

· 동기탈조시 임피던스궤적은 발전기의 관성으로 인해, 진동과 함께 굉장히 천천히 이동하는 특성을 가지므로,

방향성거리계전기로 이를 검출해낸다.

· 송전선로보호에 쓰이는 거리계전기의 오동작 원인 중 하나가 바로 발전기의 통기탈조현상이 있었다.

즉, 송전선로용 거리계전기는 발전기 동기탈조현상에 의해 오동작되지 말아야 한다는 것이다.

임피던스가 2Ω 이동하는데 걸리는 시간이 4~5Hz 이상이라면, 이는 발전기의 동기탈조현상으로 판단해서

송전선로용 거리계전기가 오동작되지 않도록 한다.

20. 발전기 보호계전기 종류(87G, 59N, 40, 64F, 46)와 보호방식

테솔라나 — Tue, 19 Jul 2022 22:54:49 +0900

· 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.

발전기 비율차동계전기(87G)

· 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.

계자상실계전기(40)

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.

계자지락계전기(64F)

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.

와전류로 인한 피해

[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.

19. 변압기 과전류계전기(OCR 50/51, OCGR 51N) 정정의 이해

테솔라나 — Thu, 14 Jul 2022 01:22:01 +0900

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.)

2차측 3상 단락전류 계산

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

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

2차측 3상 단락전류에 대한 1차측 환산

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.

1차측 선간 단락전류(1차측 3상 단락전류의 86%)

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.

변압기 여자돌입전류와 열적한계곡선

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.

열적한계곡선 및 ANSI POINT

그러면, 변압기의 %임피던스가 4~7%인 경우,

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

변압기 ANSI POINT 계산(%Z가 4~7%인 경우)

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.

여자돌입전류와 ANSI POINT를 고려한 계전기정정곡선

▒ 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)

18. 변압기의 기계적 보호방식(브흐홀쯔 계전기, 충격압력 계전기 등)

테솔라나 — Mon, 11 Jul 2022 06:18:52 +0900

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.

Buchholz relay(브흐홀쯔 계전기) / 출처: MB Drive Services

· 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.

17. 변압기 전기적 보호 계전방식 (주보호, 후비보호, 단락보호, 지락보호)

테솔라나 — Fri, 8 Jul 2022 07:44:22 +0900

그림 1. LS ELECTRIC 초고압 변압기 (154/22.9kV)

1. 변압기 보호 계전방식

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

그림 2. 154/22.9kV 변압기 보호단선도 예시

@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)

그림 3. 345/154kV 변압기 보호단선도 예시

@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

그림 4. 변압기 내부 철심 및 권선

16. 변압기 여자돌입전류로 인한 비율차동계전기(87T) 오동작 대책

테솔라나 — Wed, 6 Jul 2022 07:28:56 +0900

@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.

변압기 무부하 투입시 여자전류 발생

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.

그림 1. 변압기 여자돌입전류

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.

그림 2. 변압기 여자돌입전류 대책 (고조파억제코일 추가)

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.

그림 3. 변압기 여자돌입전류

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.

그림 4. 변압이 여자돌입전류 대책 (고조파억제코일 추가)

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.

그림 5. 변압기 여자돌입전류 대책 (감도 저하법)

3) 비대칭 억제법

여자 돌입전류의 파형이 비대칭이라는 점을 착안하여 비율차동계전기의 동작코일과 직렬로 저지계전기를 삽입해서

비대칭전류가 흐르면 저지계전기가 동작해서 비율차동계전기의 동작을 Lock 시키는 방식이다.

15. 변압기 비율차동계전기(87T) 적용시 고려해야 할 사항

테솔라나 — Wed, 6 Jul 2022 06:26:16 +0900

@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.

변류비 부정합(mismatch)

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)

변압기 OLTC(On Load Tap Changer)

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.

변류기 포화에 따른 차전류 발생

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 정정곡선

14. 변압기 비율차동계전기(87T) 동작비율 정정 계산

테솔라나 — Fri, 1 Jul 2022 01:38:38 +0900

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)

문제用 주변압기 특성

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.)

비율차동계전기 적용시 주의사항

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.

그림 1. 변류비 부정합으로 인한 오차 보상을 위한 보상CT 및 보상탭 적용의 필요성

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%

비율차동계전기 보정탭 정정을 통한 동작비율 설정

[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.

13. Ynd1 변압기보호를 위한 비율차동계전기 CT 결선 방법

테솔라나 — Wed, 29 Jun 2022 20:53:01 +0900

@보충설명

본 게시글은 아래의 이전 게시글을 참고하면 이해하는데 도움이 된다.

12. Dyn11 변압기보호를 위한 비율차동계전기 CT 결선 방법

@보충설명 디지털계전기와 다르게 아날로그 기계식계전기는 비율차동계전기의 CT결선 시 차이점이 있다. 왜냐하면, 디지털계전기는 계전기 내부에서 위상과 크기의 정보들을 알고 있기 때문에

tesolarna.tistory.com

1. Ynd1 변압기 결선

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

그림 1. Ynd1 변압기의 내부 결선방식

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.)

그림 2. Ynd1 변압기 보호회로

12. Dyn11 변압기보호를 위한 비율차동계전기 CT 결선 방법

테솔라나 — Wed, 29 Jun 2022 00:45:04 +0900

@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.

그림 1. 변압기 비율차동계전방식

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.

그림 2. 변압기 비율차동계전기 전류간 크기와 위상에 따른 차전류 발생 유무

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.

그림 3. 변압기 위상차에 따른 비율차동계전기 CT결선방법

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.

그림 4. 델타결선 각변위 판별 위한 등가회로

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

그림 5. 변압기 델타결선 방법

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.

그림 6. 변압기 감극성 기준

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.

그림 7. 변압기 델타 결선 방식(1)

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.

그림 8. 각변위 판별법을 통한 델타결선방식 검토

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

그림 9. 변압기 델타 결선 방식(1)

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.

그림 10. 각변위 판별법을 통한 델타결선방식 검토

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

그림 11. Dyn11 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.

그림 12. 변류기의 극성 (감극성)

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.

그림 13. Dyn11 변압기 보호회로

@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.

11. 변압기보호반(RCP) 비율차동계전기 원리와 동작특성

테솔라나 — Tue, 28 Jun 2022 02:25:07 +0900

@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.

그림 1. 전류 차동계전기 원리

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.

그림 2. 전류 비율차동계전기

2. 동작원리

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

극성방향을 잘 기억하고, 차전류는 벡터합이며 억제전류는 스칼라합이란 것을 유념하자.

그림 3. 비율차동계전기 동작원리

3. 동작특성

그림 4. 변압기보호 비율차동계전기 특성곡선

· 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%)

그림 5. 변압기 여자돌입전류 파형

그림 6. 변압기 철심 포화곡선

@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.

실무 응용을 위한 전기이론 대장정

테솔라나 — Mon, 27 Jun 2022 10:22:41 +0900

[전기기술사 과정] 대장정

10. 모선보호반(RCP) 모선보호방식(전류비율차동계전 & 전압차동계전)

테솔라나 — Fri, 24 Jun 2022 22:20:24 +0900

@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.

[그림] 모선 내부사고시 등가회로

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.

[그림] 변류기 포화시 스파이크전압 발생 현상과 디지털계전기의 설정치 및 연산

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.

[그림] 변류기 자화곡선

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

[그림] 모선 외부사고시 등가회로

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.

[그림] 공심 리액터 방식

9. 변전소 모선 구성방식과 1.5차단방식(단모선, 이중모선, 절환모선, 환상모선)

테솔라나 — Fri, 17 Jun 2022 22:52:32 +0900

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)

그림1. 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.)

그림2. 선로차단기 차단실패시 한쪽모선 전체 정전

· 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.)

그림3. 모선별 모선 차동보호 Zone

3) 2중모선 1.5차단 방식(2B-1.5CB)

그림4. 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.

그림5. 2중모선 1.5차단방식 차단실패시 정전되는 범위

▩ 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.

그림6. 2중모선 1.5차단방식_선로보호와 모선보호 차동보호방식

▩ 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.

그림7. 모선보호 차단실패 보호방식(154kV, 345kV)

*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.

그림8. 2중모선 2차단방식(2B-2CB)

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.

그림9. 절환모선방식

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.

그림10. 환상모선방식

8. 송전선로(765kV)에 적용하는 고속도 접지개폐기(HSGS)

테솔라나 — Tue, 14 Jun 2022 22:59:10 +0900

@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.)

그림1. (예시)765kV가공 송전선로 2회선 동시고장

그림2. 765kV 다상 재폐로 방식 및 건전상으로부터의 정전유도와 전자유도

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.

그림3. HSGS 동작 순서

· 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.

그림4. HSGS 동작시퀀스 및 소요시간

4. 관련사진

그림5. KEPCO 765kV HSGS

출처 : IPST 05-096 Montreal 2005

출처 : CIGRE 2004, A3-308

7. 가공 송전선로 고속 재폐로방식(단상, 다상, 3상 재폐로)

테솔라나 — Sun, 12 Jun 2022 23:24:59 +0900

@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

구분	154 kV	345 kV	765 kV
재폐로 방식	3상	단상, 3상	다상
재폐로 횟수	1회	1회	1회
재폐로 시간	18Hz (0.3초)	단상 : 48Hz(0.8초), 3상 : 24Hz(0.4초)	60Hz(1초)

@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"

6. 송전선로 보호방식(PCM전류차동방식, 방향비교방식, 전송차단방식)

테솔라나 — Sat, 11 Jun 2022 19:44:51 +0900

@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)

계통전압	송전방식		주보호	후비보호
154 kV	지중		PCM	3단계 한시차 거리계전 방식
	가공 5km 이하		PCM
	가공 5km 이상		PCM
	가공 5km 이상		BLK
345 kV	지중	1st (1계열)	PCM
	지중	2nd (2계열)	PCM
	가공	1st (1계열)	BLK
	가공	2nd	PUTT
765 kV	가공	1st (1계열)	PCM
765 kV	가공	2nd (2계열)	PCM

@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.

PCM 전류차동방식

@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

5. 거리계전기(Distance protection) 적용시 문제점

테솔라나 — Thu, 9 Jun 2022 00:30:38 +0900

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.

4. 3단계 한시차 거리계전방식(3 step distance protection)

테솔라나 — Tue, 7 Jun 2022 21:30:53 +0900

송전선로 각 구간의 거리계전기 상호간에 적당한 시간차를 두어 협조시킴으로써, 고속차단 및 선택성을 가진

계전방식으로 우리나라에서는 송전선로(154, 345, 765kV) 보호의 후비보호로 적용하는 방식이다.

@보충설명

각 계전기 설치점에서 자기보호범위를 100% 완벽히 보호하지 못한다. 왜냐하면 CT, PT, 계전기 등에서

오차가 있기 때문이다. 보수적으로 각각 5%의 오차가 있다 하면 전체 15%의 계산상의 오차가 있기 때문에

자기보호범위의 85%만큼은 확실하게 순시(임의의 지연이 아닌 3Hz(50ms))로 동작한다.

3단계 한시차 거리계전방식

1) Zone1

- 목적 : 자기구간(A S/S)의 고장에만 동작

- 보호범위 : 자기구간의 85%(단락), 75%(지락)까지 보호함.

- 동작시간 : 3Hz(50ms) 순시동작

2) Zone2

- 목적 : 자기구간(A S/S)은 반드시 동작하고, 다음구간(B S/S)의 50%까지도 동작한다.

- 보호구간 : 자기구간(A S/S)의 100%와 다음구간(B S/S)의 50%를 합한 150%까지 보호함.

- 동작시간 : 154kV는 20Hz(0.33초), 345/765kV는 24Hz(0.4초) 지연동작

3) Zone3

- 목적 : 다음구간(B S/S)에도 반드시 동작하고, 그 다음구간(C S/S)의 25%까지도 동작한다.

- 보호구간 : 자기구간(A S/S)의 100%와 다음구간(B S/S)의 100%와 그 다음구간(C S/S)의 25%를 합한 225%까지 보호함.

- 동작시간 : 100Hz(1.67초)

※적용 예시

· F1 지점 고장 시 : A S/S의 Zone-1 요소로 순시동작

· F2 지점 고장 시 : A S/S의 Zone-2 요소로 지연동작

· F3 지점 고장 시 : B S/S의 Zone-1 요소로 순시동작하고 만약 동작실패 시 A S/S의 Zone-2요소로 지연동작

· F4 지점 고장 시 : C S/S의 Zone-1 요소로 순시동작하고 만약 동작실패 시 B S/S의 Zone-2요소로 지연동작하고,

그래도 동작실패 시 A S/S의 Zone-3 요소로 지연동작한다.

※참고자료

3. 거리계전기(21, Distance protection relay) 원리 및 적용

테솔라나 — Mon, 6 Jun 2022 14:01:11 +0900

@보충설명
거리계전기는 임피던스계전기로, 임피던스를 측정하려면 기본적으로 전압과 전류를 측정해야 임피던스를 계산할 수 있다.
그래서 21(거리계전기)는 CT와 PT의 입력을 받아야 한다.
이렇게 계산된 임피던스와 계전기에 셋팅된 임피던스 값과 비교해서 계전기동작을 할것인지 말것인지 결정한다.
거리임피던스의 단위는 [옴/km]로써 송전선로 거리에 따라 임피던스값이 달라지며 거리에 따라 임피던스값은 선형적으로 비례한다.
그래서 측정된 임피던스를 보면 어느지점에서 고장이 발생한 것인지 알 수 있다.
자기 구간 내에서 고장이 발생하면 계전기동작을 하는 것이고, 자기구간 외의 고장이면 타 변전소에 설치된 계전기가 동작하는 것이다.

즉, 계전기 설치점에서 고장점까지 전기적거리(임피던스)를 측정하여 자기보호범위 내 계전기의 동작여부를 결정하는 방식으로
- 전력계통이 정상일 경우 거리계전기의 측정임피던스값은 부하까지의 거리(임피던스)이다.
고장이 없으니 중간에 단락이나 지락이 없으니 부하임피던스까지 포함한 거리(임피던스)가 측정된다.
- 전력계통에 고장이 발생한 경우 거리계전기의 측정임피던스값은 고장점까지의 거리(임피던스)이다.

거리계전기에 셋팅된 임피던스(Zs)보다 고장점까지의 임피던스(Zf)가 작으면(거리가 짧으면) 자기 보호구간 내 고장이므로 동작하며,
반대로, Zs보다 Zf가 크면(거리가 멀면) 동작하지 않는 것이다.

보다 명확한 이해를 위해 아래 참고자료를 통해 따져보도록 한다.

위와 같이 계전기의 셋팅임피던스는 4옴으로,
측정된 임피던스가 4옴보다 작으면(거리가 짧으면) 보호범위 내 고장이 발생한 것이므로 계전기동작을 통해 차단기를 오픈시킨다.

1. 개요
사고시에 계전기에 걸리는 전압과 전류의 비를 측정하여 계전기 설치점에서 고장점까지의 임피던스(Zf)를 계산하여
전기적인 거리에 따라 동작하는 계전방식이다.
거리계전기는 송전선로의 보호(후비보호)에 주로 사용되고, 발전기, 변압기의 후비보호로 사용된다.

2. 동작원리
1) 정상시
계전기 설치점에서 측정한 전압, 전류값은 정상범위내의 값으로 측정될 것이며, 계산된 임피던스는 부하까지 포함이 된다.
2) 고장시
계전기 설치점에서 측정한 전압은 감소하고 전류값은 증가한 값으로 측정될 것이며, 계산된 임피던스는 낮아지고
고장점까지의 임피던스만 계산되며, 이는 고장점까지의 거리를 의미한다.
이 값이 자기보호구간 내이면 동작한다.
· 동작조건 : 측정 임피던스(Zf) < 정정 임피던스(Zs)

3) 정정곡선
정정곡선은 그림과 같이 R-X평면상에 나타낸다. 정정 임피던스(Zs)

@보충설명
1)
· 정정곡선은 R-X 평면도에서 나타낸다. (X축: 저항, Y축:리액턴스 허수부)
· 왼쪽 그림과 같이 크기는 같고 위상은 다른 임피던스 평면도가 나타나게 된다.

2)
· 임피던스 페이저는 전압페이저의 전류페이저다.
· 항상 전압을 기준으로 하며, 전류가 전압보다 늦은 경우 -세타로 나타낸다.
크기는 임피던스Z가 되며, 위상 임피던스각은 세타가 된다.

3)
· 전압을 기준으로 전류가 어떤 위상이냐에 따라 크기는 같고 위상이 다른
아래 그림과 같이 다양한 임피던스가 나타날 수 있다.

4)
· 정상적인 부하이면 부하선이 아래와 같이 나타나며, 이 각을 역률각이라고 한다.
· 대부분 부하같은 경우 역률이 좋기 때문에 X보다는 R쪽에 가깝게 기울어져 있다.

5)
· 송전선로의 경우 아래와 같이 X축, 90도에 가깝게 기울어져 있다.
154kV경우 보통 가공송전선로 ACSR 410sqmm-2번들 복도체를 사용하며, RX비는 8정도 되며
345kV경우 480sqmm-4번들 복도체를 사용하며 , RX비는 17정도 된다.
세타를 계산해보면 154kV는 83도, 345kV는 87도가 된다.
즉, 거의 송전선로 임피던스 특성은 X축으로 치우쳐져 있다.
· 여기서 알아두어야 할 점은, 거리계전기는 방향성요소를 가질 수 있는 계전기라는 것이다.
전압과 전류를 동시에 측정하기 때문에, 항상 전압을 기준으로 전류의 위상을 비교한다.
임피던스 크기는 비록 같을 지라도 위상의 위치는 다르기 때문에, 위상에 따라서 동작시킬수도 있고 아닐수도 있다는 의미다.

6)
· 그래서, 부하운전을 하는 정상적인 경우에는 임피던스가 굉장히 크고 역률각은 굉장히 작은데 반해,
계통에 3상단락과 같은 사고가 발생할 경우, 부하선의 운전점이, X축에 가까운 송전선로 83도 혹은 87도의 송전선로 라인위
고장점으로 이동되며 동시에 위상이 커지는 것이다.
· 즉, 사고 시 선로의 임피던스만 남기 때문에 송전선로 임피던스 라인으로 그대로 들어오게 된다.
고장발생 거리가 멀수록 1위치에서 3위치 방향으로 고장점이 들어오게 된다. (3위치는 셋팅임피던스를 벗어나므로 계전기동작 안함)

· 여기서 최대감도각에 가장 가까워졌을 때는 3상단락일 가능성이 매우 높다는 의미로, 계전기는 가장 민감하게 동작한다.

3. 거리계전기의 종류

1) 임피던스형 거리계전기	1. 무방향성 거리계전기(전방, 후방 구분없이 동작함) 2. 아크 및 고정점 저항에 영향이 낮음 3. 정정원이 가장 커서 전력계통의 동요에 쉽게 응동하는 단점 @보충설명 · 아래와 같이 임피던스 크기만 보고 동작하는 임피던스형 거리계전기이므로, 방향(전압기준 전류의 위상)을 보지 않고 동작범위(정정원) 내에만 고장점이 들어오면 어느곳에서든 동작하기 때문에, 양방향전원인 전력계통에서 고장전류의 방향을 판별하기 불가능한 원초적 거리계전기다. · 아래와 같이 자기보호범위를 보통 전방이라고 하며, 자기 외 보호범위를 후방이라고 한다. 고장전류의 방향이 양쪽에서 올 수 있기 때문에 방향을 보고 계전기동작 결정을 내려야 하는데 아래처럼 계전기 설치점 기준, 후방에서 고장이 발생해도 고장점까지의 임피던스 크기가 정정원 임피던스값 내에만 있으면 동작해 버리게 되는 문제점이 있다. · 그래서 아래와 같이, 전방(자기보호범위)에서 고장이 발생해도 계전기가 동작하고, 후방(자기보호범위 외)에서 고장이 발생해도 계전기가 동작하는 문제점이 있다. · 이러한 원초적 거리계전기의 단점이 있어 송전선로 보호에 사용되지 않으며, 위 단점을 보완하기 위해 만들어진 것들이 다음의 계전기 종류들이다.
2) Mho형 거리계전기	1. 방향성이 있어서 자기방향만 선택적으로 보호할 수 있음 2. 정정원이 가장 작아서 전력계통의 동요에 강함 3. 계전기 설치점 근처 3상단락 고장시에 부동작 가능성 있음 4. 아크저항, 지락저항 성분에 의해 임피던스 reach에 영향을 줌 5. 아크저항이 큰 경우에도 Underreach 할 수 있음 @위 3항 보충설명 · 계전기설치점에 가까운 곳으로 고장이 발생할 수록 전류는 커지고 전압은 작아지므로, 3상단락이 계전기설치점에 아주 가까운 곳에 발생할 경우 전압이 0이 될 수 있다. · 즉, 임피던스값이 0이 되므로, 정정원 경계선과 0점이 겹치므로 계전기 부동작 가능성 있다. (정정원 안에 들어와야 계전기가 동작함) @위 4,5항 보충설명 · 아크저항이나 지락저항과 같은 고장성분의 저항도 임피던스 측정에 포함되므로, 계산의 오류를 불러올 수가 있다. 때문에 계산된 고장점이 정정원 내 위치하지 않고 X축 즉, 저항성분의 영향으로 예를들면 1에서 1'처럼 정정원 밖으로 밀려날 수가 있고 심하면 2위치에 놓여질수도 있어, 계전기가 reach(동작여부 결정)할 수 없게 된다. · 이러한 이유로 거리계전기는 보통 주보호로 쓰이지 않고 후비보호로 쓰인다.
3) Off-set Mho형 거리계전기	1. 원점을 포함하여 정정하므로, 계전기 설치점 근처 3상단락 고장시에 부동작 하지 않음 2. 후방의 고장도 일부 포함하게 됨 3. 기타 Mho형 특성과 동일 @보충설명 · 고장이 아닌 부하운전 중에도, 부하증가 시 부하전류의 증가로 인해 임피던스가 작아져서 정정원 내부로 들어올 수 있다. 즉, 전력계통의 응동에 쉽게 동작하는 단점이 있다.
4) 렌쯔형 거리계전기	1. off-set Mho 형의 개선형 2. 장거리 송전에서 부하전류가 큰 경우 오동작 우려 감소 3. 정정원이 보다 작아 계통동요에 강함
5) 리액턴스형 거리계전기	1. 리액턴스 특성이 고장점 아크저항의 영향을 받지 않으므로 단거리 송전선로 보호에 적합 2. 상시 부하전류에도 동작할 수 있고 3. 계통 동요가 있을 때 응동하기 쉬우므로 오동작을 막기 위해서 Mho형과 조합해서 사용함 @보충설명 · 옛날 기계식계전기(EM:Electro Magnetic)는 지금의 디지털계전기와 달리 자유자재로 사변형을 조정할 수 없기 때문에, 단독이 아닌 Mho형 계전기와 조합하여 사용하였다.
6) 저항형 거리계전기	1. 송전선로의 저항 성분을 검출하여 동작 2. 사변형계전기의 구성요소로 사용함 @보충설명 · 위와 유사함.
7) 사변형 거리계전기	1. 리액턴스형과 저항형 거리계전기를 조합한 형태로 Mho형 계전기의 단점을 보완하고 리액턴스 계전기의 장점을 사용 2. 최신 디지털 계전기의 대부분이 사변형 특성을 구현하고 있음. @보충설명· 지금의 디지털계전기는 정정 사변형을 자유자재로 셋팅할 수 있다.

2. 과전류계전기(OCR, Over Current Relay) 동작 특성

테솔라나 — Sat, 4 Jun 2022 11:16:27 +0900

동작특성에 따른 분류

1) 정한시(Definite)

정정된 값 이상의 전류가 흐를 때 크기와 무관하게 일정시간 지연 후 동작

2) 순시(Instantaneous)

정정된 최소동작전류 이상의 전류가 흐르면 의도적 지연 없이 동작

50ms 이내로 동작

3) 반한시(Inverse)

- 정정된 값 이상의 전류가 흘러서 그 크기와 동작시간이 반비례하여 동작

- 특성곡선의 기울기에 따라 표준반한시, 강반한시, 초반한시, 장반한시로 나뉜다.

@보충설명

· 위 T-C곡선에서 정정전류는 어느 전류 값 이상을 넘어서면 계전기가 동작 한다는 최소동작전류의 의미이다.

이 값 이상부터 계전기를 동작하는 형태를 어떻게 가져갈 것인지에 따라 정한시, 순시, 반한시로 나뉘게 된다.

· 단락전류 보호는 순시와 반한시를 조합하여 셋팅한다.

순시 정정전류(셋팅전류)를 넘어서면 순시로 동작하고 그 이하의 값은 반한시로 동작하는 동작특성을 이룬다.

· 순시 50ms는 의도적으로 시간을 지연시키는 것이 아니지만, 정한시는 의도적으로 지연을 시키는 것이다.

· 단락전류는 열적데미지(I제곱*R*T)가 크므로 이를 최소화하기 위해 계전기 동작시간을 최소로 한다.

· 단락전류가 아닌 과전류를 보호하기 위해 일반적으로 반한시 특성곡선을 적용한다.

· 정정전류는 일반전류의 약 1.5배이다.

반한시 특성곡선을 이용하여 전위계전기와 후위계전기 간 보호협조를 만든다.

계전기 제조회사에서 반한시 특성곡선을 계전기에 입력할 때 아래와같이 IEC에서 제시하는 식과 유사하게 셋팅한다.

반한시 특성에 따른 구분(IEC 60255)

@보충설명

· 보통 강반한시(VI)를 보호협조에 가장 많이 사용한다.

· 모터의 경우 모터 기동특성과 협조를 해야 하기 때문에 장반한시(LI)를 사용한다.

1. 보호계전기(Protection relay) 역할과 구비조건

테솔라나 — Fri, 3 Jun 2022 23:25:04 +0900

1. 보호계전기 역할

1) 신속한 고장 제거

2) 사고파급 방지

3) 신속한 계통복구

2. 보호계전기의 구비조건

1) 신속성(Speed)

고장이 발생 시 계통의 안정과 설비손상 및 고장구간을 최소화하기 위해 신속히 차단한다.

2) 검출강도(Sensitivity)

고장을 검출할 수 있는 최소한의 감도 이상이어야 한다.

3) 선택성(Selectivity)

고장 구간만 선택 차단하여 다른 건전 구간의 운전을 유지한다.

@보충설명

· 계전기는 일반적으로 PT, CT로부터 신호를 받아 동작한다.

· OCR은 전류만 필요하고 OVR은 전압만 필요로 하지만 방향성계전기는 전류,전압 모두 필요로 한다.

예를들어 OCR은 일정전류 크기를 넘어가게되면 동작하고, OVR은 일정전압 크기를 넘어가면 동작한다.

· 반면 방향성계전기는 크기뿐만 아니라 위상까지 함께 본다.

· 통상 전력계통은 양단전원이기 때문에 크기만 보고 동작하면 정전범위가 너무 넓어지니

꼭 필요한 부분만 차단시키기 위해서는 크기와 위상특성을 함께보는 방향성계전기를 적용한다.

4) 신뢰성(Reliability)

보호구간 내 고장에 대해 오동작 하지 않고 정동작하여야 한다.

- 정동작: 계전기가 동작해야 할 경우에 동작하는 것

- 정부동작: 계전기가 동작하지 말아야 할 경우에 동작하지 않는 것

- 오동작: 계전기가 동작하지 말아야 할 경우에 동작한 것

→ 산업용계통(two out of two, two out of three)

- 오부동작: 계전기가 동작하여야 할 경우에 동작하지 않는 것

→ 유틸리티(one out of two)

@보충설명

· 보통 산업용계통(공장)에서 오동작이 발생하지 않기 위해 계통 신뢰성을 확보하기 위해

아래와 같이 계전기 3개를 이용하여 two out of three를 적용하며 AND조건으로 구성한다.

· 오부동작이 절대 발생하지 않아야 하는 유틸리티(한전계통)에서는.

차단되어야 하는 상황에서 차단되지 않으면 사고의 파급이 발생하기 때문에

계전기 둘 중 하나만 동작해도 동작하는 one out of two를 적용하며, OR조건으로 구성한다.

5) 후비보호(Backup)

고장구간의 계전기, 차단기 등의 불량으로 부동작 할 때, 타 보호장치 또는 다른 변전소의

계전기로 제거할 수 있어야 한다.

(현장백업, 원단백업)

6) 중첩성(Overlapping zone)

· 보호되지 않는 구간(Blind zone)이 존재하지 않도록 보호구간(Zone)을 중첩한다.

· CT의 설치위치는 차단기와 보호구간을 포함한다.

@보충설명

만약 보호구간을 아래와 같이 잡았을 경우 차단기 근처에서 고장이 발생해도 어느 변류기도 감지하지

못하는 보호맹점이 존재하게 된다.