제9장 보호 계전 방식

9.1 계통 보호의 목적과 기능 ★★

9.1.1 계통 보호의 목적

전력 계통 어느 지점에서 고장이 났는데 신속하게 고장 구간을 분리하지 않으면:

• ①과도한 고장 전류가 흐르고, 이상 전압이 생기거나 위상이 변동한다.
• ②전력 설비가 크게 손상된다.
• ③고장이 인접 구간으로 파급되어 사고 범위가 넓어진다 → 초고압 설비·대용량 발전기까지 연쇄 파급되면 전력 계통 붕괴 위험.

그래서 발전기·변압기·송배전선·부하 설비 등 모든 설비에 보호 계전 설비를 갖추어 이상 상태를 항시 감시하고, 고장이 나면 검출해서 계통에서 신속하게 분리한다.

계통 보호 계전기의 사명 : “전력 계통의 안정 공급 유지”

9.1.2 보호 계전 시스템의 역할과 기능

사고 시 피해를 줄이고 영향이 파급되지 않도록 다음 조치를 한다.

• ①이상 부분을 정상 부분으로부터 분리해서 정상 부분이 영향을 받지 않게 한다.
• ②이상 부분의 운전을 정지시킨다.
• ③이상 운전을 정상으로 회복시킨다.

동작 순서 : PT·CT(센서)로 전기량 측정 → 보호 계전기가 이상 검출 → 트립 코일(TC) 여자 → 차단기(CB) 개방 → 고장 구간 차단.
트립에 필요한 제어용 전원은 일반적으로 축전지를 쓴다.

9.2 보호 계전 방식의 구성 ★★★

9.2.1 주보호와 후비 보호

1) 주보호 계전 방식

사고 제거는 차단기 개방으로 이루어지므로 차단기로 둘러싸인 최소 범위(그림의 점선 범위)가 사고 제거의 최소 범위가 된다. 이 최소 범위의 정전으로 끝나게끔 차단 지령을 내리는 방식이 주보호 계전 방식이고, 이때 주역이 되는 계전기가 주보호 계전기이다.

2) 후비 보호 계전 방식

주보호 계전기와 병설하며, 다음 경우를 백업하고 사고 파급 확대를 막는다.

• ①주보호 계전기가 어떤 이유로 정지해 있는 구간의 사고
• ②주보호 계전기에 결함이 있어 정상 동작을 할 수 없는 구간의 사고
• ③차단기 사고 등 주보호 계전기로 보호할 수 없는 장소의 사고

후비 보호 방식 2가지

• ㄱ.원격점 백업 보호 계전 방식 (방향 거리 보호 계전 방식)
• ㄴ.국지점 백업 보호 계전 방식

그림 ⑤에서 고장 시 차단기 A는 열렸지만 B가 동작하지 않으면(계전기 불량 또는 차단기 자체 고장) 사고 구간이 제거되지 않는다. 이때 B에 가장 가까운 C(D라도 된다) 및 E를 열면 된다. 이처럼 주보호가 실패했을 때 인접 구간의 차단기를 열어 사고를 제거하는 방식이 후비 보호 계전 방식이다.

9.2.2 보호 계전 방식의 구비 조건 ★★★

1) 고장 회선·고장 구간의 선택 차단을 신속 정확하게 할 수 있을 것

고전압 선로 사고는 철탑과 전선 사이 아크로 인한 1선 지락이 가장 많다. 그래서 고장 회선을 차단하고 아크가 꺼질 무렵(20사이클 정도 후)에 재폐로(reclosing)를 실시한다. 목적은 고장 구간만 확실히 선택 차단해서 파급 범위를 최소로 한정하는 것.

2) 과도 안정도를 유지하는 데 필요한 한도 내의 동작 시한을 가질 것

선택 차단에 성공하더라도 동작 시한이 느리면 계통의 동요 사고로 불안정 상태에 이를 수 있다.

3) 적절한 후비 보호 능력이 있을 것

제1단 계전기 또는 차단기가 동작하지 않아도 자기 단자 또는 인접 구간의 후비 보호 계전기로 파급 범위를 최소로 줄여야 한다.

4) 고장 전류가 변해도 소정의 동작을 할 것

계통 구성이나 발전기 운전 대수 변화로 고장 전류가 변동해도 동작 시간 조정 등으로 정해진 동작이 수행되어야 한다.

5) 보호 계전 방식 전체가 경제적일 것

9.3 보호 계전기의 분류 ★★★

동작 기구, 동작 한시 특성, 용도(기능)에 따라 분류한다.

(1) 동작 기구상의 종류

(2) 동작 시간에 의한 분류 ★★★

계전기에 최소 동작값 이상의 전압·전류가 가해진 때부터 접점을 닫을 때까지의 시간 = 한시(시한, time limit).
계전기를 동작시키는 최소 전류 = 최소 동작 전류.

(3) 용도(기능)상의 분류 ★★★

1) 단락 보호용 계전기

2) 지락 보호용 계전기

3) 기타

9.4 보호 계전 방식의 적용

9.4.1 송전 선로의 보호 계전 방식 ★★

송전 선로는 길고 넓은 지역에 뻗어 낙뢰 등 자연 위협을 받기 쉽고, 부하 변동·발전력 변화·계통 접속 변경·조류 변화로 운전 상태가 수시로 바뀐다. 이런 조건에서 고장 구간 선택의 확실성, 차단의 신속성, 동작의 신뢰성을 유지해야 하므로 기기·모선 보호보다 한층 어렵다.

현재 쓰이는 송전선 보호 계전 방식:

• ①전류 차동 원리를 이용한 방식 (파일럿 와이어 또는 PCM 전송)
• ②전류 위상 비교 방식
• ③방향 비교 방식
• ④거리 측정 방식
• ⑤전류 균형 방식
• ⑥과전류 방식

표 9.1 각종 보호 계전 방식의 성능 비교

※ 정리 요령 : 통신(전송로)을 쓰는 방식(전류 차동·위상 비교·방향 비교)은 빠르다, 통신을 안 쓰는 방식(거리·전류 균형·과전류)은 느리다(단독으로는 시한 협조가 필요하므로).

9.4.2 방사상 선로의 단락 보호 방식 ★★★

1) 전원이 1단에만 있는 경우

고장 전류는 모두 발전소로부터 방사상으로 흘러 나간다. d점에서 단락이 나면 a, b, c의 과전류 계전기가 모두 동작을 개시하므로, 그대로 두면 선로 말단 고장으로 전 계통이 정지된다.

→ 시한을 조절해서 a보다 b가, b보다 c가 빨리 동작하게 하면(전원에서 먼 계전기일수록 빠르게) d점 고장 때 c 모선 이하만 차단되어 고장 구간이 최소로 한정된다. 이것을 시한 협조라 한다.

• ①직렬로 계전기가 많아지면 전원에 가장 가까운 발전소 인출구의 시한은 직렬 단수만큼 길어진다.
• ②그러나 과도 안정도·기기 충격을 고려해 최대 시한은 2초 정도로 제한한다.
• ③최대 시한이 2초를 넘으면 시한 간격을 더 줄이거나, 시한차 제한을 받지 않는 표시선 보호 계전 방식을 중간 부분에 사용한다.

2) 전원이 양단에 있는 경우

단락 전류가 양측에서 흘러 들어가므로 과전류 계전기만으로는 고장 구간을 선택 차단할 수 없다.
→ 방향 단락 계전기(DS) + 과전류 계전기(OC)를 조합해서 쓴다.

• ㄱ.DS를 a군, b군 2조로 나눈다. a군은 $G_A$ 발전소로부터 외부를 향하는 전류로, b군은 $G_B$ 발전소로부터 외부를 향하는 전류로 동작.
• ㄴ.동작 시한 : a군은 $a_1$보다 $a_2$, $a_2$보다 $a_3$의 순으로 짧게. b군도 마찬가지.
• ㄷ.P점 단락 시 : a군은 $a_1$보다 $a_2$가 빨리, b군은 $b_1$보다 $b_2$가 빨리 동작. $b_3$, $a_3$은 전류 방향이 거꾸로라 동작하지 않음 → 결국 $a_2$, $b_2$만 차단해서 고장 구간을 선택 차단.

9.4.3 환상 선로의 단락 보호 방식 ★★

※ 그림 ⑨는 원리가 잘 보이도록 다시 그린 것으로, 계전기 번호 위치는 책 그림과 다를 수 있습니다. 화살표 방향으로 바라보는 구간이 전원(G)에서 멀수록(번호가 작을수록) 시한을 짧게 하여 “1, 2, 3, 4 순서로 길게”가 되도록 배치했습니다. 전원이 여러 곳(G₁, G₂, G₃)이면 같은 배치에서 DS 대신 DZ를 씁니다.

9.4.4 병행 2회선의 단락 보호 방식 ★★

• ①주요 선로는 병행 2회선이 많다 (우리나라 기간 송전 선로는 모두 2회선이 기본).
• ②도중 몇 군데에 개폐소를 설치해 연락 모선으로 양 회선을 병렬로 연결하는 것이 일반적이다.
• ③1회선 어느 구간에 단락이 나면 그 구간 양단의 차단기만 열고, 남은 건전 회선으로 송전을 계속한다. 이때 건전 회선은 옮겨진 전부하를 견딜 용량이 있어야 한다.
• ④선택 차단 원리 : 고장 회선과 건전 회선의 전류 크기 차이 또는 위상이 180° 다르다는 것을 이용 (선택 단락 SS, 선택 지락 SG 계전기).

9.4.5 모선 보호 계전 방식 ★★

• ①모선은 보호 범위가 좁고 뇌·염해에 대해 절연을 강화해서 사고율이 극히 낮다.
• ②그러나 수많은 송전선이 모이는 계통의 중추라서 사고가 나면 영향이 매우 커 대규모 사고로 진전할 우려가 있다.
• ③그래서 모선 보호 계전기로 확실하게 제거하고, 중요한 모선에는 후비 보호로 거리 방향 계전기를 설치한다.

표 9.2 모선 보호 계전 방식 (책 기준)

9.4.6 발전기의 보호 계전 방식 ★★

1) 내부 고장에 대한 보호 — 차동 계전 방식

발전기 코일은 Y결선이라 단자 측과 중성점 측에서 각각 3개의 도선을 뽑을 수 있다. 단자 측과 중성점 측의 각 상에 정격이 같은 CT를 넣고 2차 측을 차동 접속해 전류 계전기를 물리면 주면(교락) 차동 계전 방식이 된다. 계전기는 단자 측과 중성점 측 전류 사이에 벡터 차가 생기면 동작한다.

2) 외부 고장에 대한 보호

• ①원인이 부하 측에 있으면 부하 측 차단기를 차단해서 발전기는 가능한 한 계통에서 분리하지 않는 것이 좋다.
• ②과부하가 계속되거나 발전기 모선·모선까지의 도체에 사고가 나면 발전기 측 차단기를 차단해야 한다.
• ③일반적으로 반한시 과전류 계전기를 쓰고, 시한은 부하 측 차단기가 먼저 동작한 뒤에 동작하게 1~2초 정도로 잡는다.
• ④과전류 계전기를 단자 측에 넣으면 단독 송전 계통일 때 외부 고장에만 동작하고 내부 고장에는 동작하지 않는다. 중성점 측에 넣으면 단독·병행 운전 모두 내부 고장에도 동작하므로 가능한 한 중성점 측에 접속하는 것이 좋다.

9.4.7 변압기의 보호 계전 방식 ★★★

변압기 내부 고장 보호로 가장 많이 쓰이는 것은 비율 차동 계전 방식이다. 발전기처럼 단순 차동 계전기를 쓸 수 없는 이유:

• ①발전기는 단자 측과 중성점 측 전류가 똑같지만, 변압기는 CT 2차를 5[A]로 맞춰도 여자 전류만큼의 차이가 언제나 존재한다. 여자 전류는 한쪽에만 흐르므로 평상시에도 동작 코일에 여자 전류가 흐른다.
• ②외부 고장 시 저압·고압 측 CT의 정격이 달라 단락 전류에 포화되면 전류비가 바뀌어 오차 전류가 동작 코일에 흐른다.

→ 내부 고장이 아닌데도 동작 코일에 전류가 흐를 수 있으므로, 억제 코일에 흐르는 전류의 일정[%] 이상이 동작 코일에 흐를 때에만 내부 고장으로 판정해 동작하게 한다.

• ①최근 대용량 변압기는 3상 변압기이고 최대 자속 밀도가 높아지는 경향 → 투입 시 여자 돌입 전류(inrush)가 커져 계전기 오동작 원인이 된다.
• ②돌입 전류는 고조파분을 많이 포함 → 고조파 필터로 고조파를 뽑아 억제 코일에 흘려 억제력을 높인다.
• ③중요한 발·변전소는 정지형(전자식) 계전기로 성능을 높이고, 후비 보호로 거리 방향 계전기를 설치한다.

전기안전관리자 점검 포인트

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