[전력공학] 12. 계전기와 변성기

1. 보호 계전기

1) 보호 계전 시스템

 보호 계전 시스템은 전력 계통의 전기적인 운전 상태를 계기용 변압기(PT), 계기용 변류기(CT)를 통해서 보호 계전기에 입력해 보호 대상이 이상이 있음을 검출한 경우 차단기의 트립 코일(TC)을 여자하여 차단기를 개방함으로써 고장구간을 차단하는 시스템을 말합니다.

<보호 계전 시스템>

 일반적으로 위와 같은 형태로 시스템을 구성하며 빨간색 테두리의 부분을 보호 계전 시스템이라고 말합니다.

 

2) 보호 계전기의 구비 조건

 보호 계전기는 고장을 감지하는 만큼 계통 내에서 중요한 역할을 하기 때문에 다음과 같은 구비 조건을 지켜야 합니다.

 - 고장 상태를 식별하여 정도를 파악할 수 있을 것.

 - 고장 개소를 정확히 선택할 수 있을 것.

 - 동작이 예민하고 오동작이 없을 것.

 - 적절한 후비 보호 능력이 있을 것.

 - 경제적일 것.

 

3) 보호 계전기의 동작 시간에 의한 분류

 고장에 대해 어떻게 동작하는지에 따라 순한시, 정한시, 반한시 계전기로 분류하고 있습니다.

<계전기의 한시 특성>

 - 순한시 계전기 : 고장 즉시 동작.

 - 정한시 계전기 : 고장 후 일정 시간 경과 후 동작.

 - 반한시 게전기 : 고장 전류의 크기에 반비례하여 동작.

 - 반한시 정한시 계전기 : 반한시와 정한시 특성을 동시에 가짐.

 

 

4) 보호 계전기의 종류

 어떤 고장으로부터 보호를 하는지에 따라 적절한 계전기를 사용해야 합니다.

 (1) 과전류 계전기(OCR, Over Current Relay)

 일정 값 이상의 전류가 흘렀을 때 동작하는 계전기입니다.

 

 (2) 과전압 계전기(OVR, Over Voltage Relay)

 일정 값 이상의 전압이 걸렷을 때 동작하는 계전기입니다.

 

 (3) 부족 전압 계전기(UVR, Under Voltage Relay)

 전압이 일정 값 이하로 떨어졌을 경우 동작하는 계전기 입니다. 대형 유도 전동기 등에서 갑자기 공급 전압이 내려갔을 때 지나친 과전류가 흐르지 않도록 동작합니다.

 

 (4) 단락 방향 계전기(DOCR, DSR, Directional Short Circuit Relay)

 어느 일정한 방향으로 일정 값 이상의 단락 전류가 흘렀을 경우 동작하는 계전기입니다.

 

 (5) 선택 단락 계전기(SSR, Selective Shor Circuit Relay)

 병행 2회선 송전 선로에서 한쪽의 1회선에 단락 사고가 발생하였을 때 2중 방향 동작 계전기를 사용해 고장 회선을 선택 차단할 수 있는 계전기입니다.

 

 (6) 거리 계전기(ZR, Distance Relay)

 계전기가 설치된 위치로부터 고장점까지의 전기적 거리에 비례하여 한시 동작하는 계전기로 복잡한 계통의 단락 보호에 과전류 계전기의 대용으로 사용합니다.

 

 (7) 지락 계전기(Ground Relay)

 영상 변류기(ZCT)에 의해 검출된 영상전류에 의해 동작하는 계전기로 지락 고장 보호용으로 사용합니다.

 

 (8) 방향 지락 계전기(DGR, Distantional Ground Relay)

 과전류 지락 계전기에 방향성을 준 계전기입니다.

 

 (9) 선택 지락 계전기(SGR, Selective Ground Relay)

 병행 2회선 송전 선로에서 한쪽의 1회선에 지락 사고가 일어났을 경우 이것을 검출하여 고장 회선만을 선택 차단 할 수 있도록 동작하는 계전기로 선택 단락 계전기의 동작 전류를 특별히 작게한 계전기입니다.

 

 

2. 계기용 변성기

 계기용 변성기는 전압과 전류를 계전기 또는 전압계와 전류계와 같은 계기에 적절한 크기로 공급하기 위해 사용합니다.

 

1) 계기용 변압기(PT, Potential Transformer)

 고전압을 저전압으로 변성하여 계기나 계전기에 공급하기 위해 사용합니다.

 

2) 계기용 변류기(CT, Current Transformer)

 회로의 대전류를 소전류로 변성하여 계기나 계전기에 공급하기 위한 목적으로 사용되며 2차측 정격전류는 보통 5[A]를 사용합니다.

 

 (1) 정격 부담

 변류기 2차측에 접속되는 부하의 한도를 말하며 단위는 [VA]로 표시합니다.

 

 (2) 변류비 선정

 

 (3) 2차측 개방

 변류기의 2차측은 개방하면 안됩니다. 변류기 2차측을 개방하면 1차 전류가 모두 여자전류가 되어 2차측에 과전압이 유기되고, 절연이 파괴되어 소손될 우려가 있기 때문에 CT 2차측 기기를 교체하는 경우 반드시 CT 2차측을 단락시켜야 합니다.

 

 (4) 변류기 결선

 - 가동 접속 (정상 접속)

<가동 접속>

 여기서 I1은 부하 전류, Ia, Ib, Ic는 CT 2차 전류입니다. 그리고 Ia+Ic는 전류계의 지시값으로 CT 2차측 전류와 같은 크기의 전류값을 지시합니다.

 

 - 차동 접속 (교차 접속)

<차동 접속>

 여기서 Ia-Ic는 전류계의 지시값으로 전류계는 CT 2차 전류의 루트3배를 지시합니다. 따라서 I1을 구하면,

 위와 같이 구할 수 있습니다.

 

3) 계기용 변압 변류기(MOF, Metering Out Fit)

 계기용 변압기와 변류기를 조합한 것으로 전력 수급용 전력량을 측정하기 위해 사용합니다. 옥내 수전실이나 큐비클 등 밀폐된 공간에 설치하며 에폭시몰드나 가스 절연 또는 실리콘 절연 등의 난연성 제품을 사용합니다.

 

4) 영상 변류기(ZCT, Zerophase Current Transformer)

 지락 사고시 지락 전류(영상 전류)를 검출하기 위한 변류기로 지락 계전기와 조합하여 차단기를 차단시킵니다.

 

5) 접지형 계기용 변압기(GPT, Ground Potential Transformer)

 비접지 계통에서 지락 사고 시 영상 전압을 검출합니다. 정상 운전시에는 영상전압이 평형상태가 되어 0[V]이지만 1선 지락고장의 경우 지락상의 전압이 0[V]가 되면 나머지 건전상의 2차 전압 110[V]가 Y결선이기 때문에 차전압이 되어 190[V]의 영상전압이 생기게 됩니다.

 

 

3. 비율 차동 계전기

변압기 내부 고장 시 1차 전류와 2차 전류의 차이를 이용하여 내부 고장을 전기적으로 검출하는 계전기 입니다.

1) 변압기 내부 3상 단락 사고

 변압기 내부에서 3상 단락 사고가 발생하게 되면 2차 전류가 0이 되어 비율 차동 계전기의 동작 코일에 1차 전류의 크기만큼의 전류가 흐르게 되어 비율 차동 계전기가 동작하게 됩니다.

2) 변압기 외부 3상 단락 사고

 변압기 외부에서 3상 단락 사고가 발생하게 되면 비율 차동 계전기의 동작 코일에서는 i1-i2만큼의 전류가 흐르게 됩니다. 이때 이 값이 정정값 이하가 되어 비율 차동 계전기는 동작하지 않습니다.

 

 즉, 비율 차동 계전기는 발전기 또는 변압기의 내부고장과 모선보호용으로 사용하게 됩니다.