교류계통의 보호방식

교류계통의 보호방식

전력 시스템은 직류 전동차에 전력을 공급하기 위한 시스템과, 부대 설비의 부하에 전력을 공급하는 시스템으로 나눌 수 있다. 교류 전력계통 시스템은 접지방식에 따라 다르므로 일반적으로 고압의 가공선 계통 및 소규모의 케이블 계통에는 비접지 방식이, 고압의 대규모 케이블 계통에는 10A～30A의 고저항 접지방식이, 특고압 계통에는 50A～100A의 저저항 접지방식이 많이 채용된다. 비접지방식은 접지형 계기용변압기에 의한 접지 이외에 따로 계통의 중성점을 접지하지 않는 방식이다.

도시철도는 교류 전력계통 보호방식을 접지 계통과 비접지 계통으로 크게 2가지 방식을 채택하여 운전하고 있다.

 

1. 과전류 및 단락 보호

도시철도의 수전 선로는 전력회사의 154㎸/22.9㎸ 주변압기 2차측에서 단독선로로 공급되고, 전력호사에서는 22.9㎸-Y 선로를 다중접지 방식으로 구성하고 있으므로 우리 공사의 22.9㎸ 계통도 이에 준한 보호방식을 채택하고 있다.

전력회사의 배전선로는 거의 방사상으로 건설되어 있고, 단락전류는 항상 일정방향으로 흐르므로 과전류계전기로 보호하게 된다. 과전류계전기로 보호하는 방식은 과전류 계전기(50/51) 3개를 변류기 2차 회로에 3개 설치하여 여기에서 단락전류를 검출하며 직류 제어전원에 따라 차단기의 트립코일을 부세하여 트립시키는 방식을 채택하고 있다. 다시 말하면 선로의 각 상마다 변류기를 설치하고 그 2차 회로에 과전류계전기를 설치하는 것이다. 과전류 계전기는 보통 유도 원판형 과전류 계전기가 채택된다. 이 과전류 계전기는 사고전류의 크기에 관계없이 그 크기가 계전기의 일정 동작전류 이상의 전류가 흐르면 항상 일정시한으로 동작하는 정한시 특성과 전류의 크기에 비례하여 그 동작시한이 빨라지는 한시특성을 동시에 가지고 있다. 이렇게 함으로써 단락사고와 같이 사고전류가 큰 경우에는 정한시 동작을 하여 사고를 신속히 분리하는 한편 과부하전류와 같이 사고전류가 적은 경우에는 전력계통의 보호협조 관계를 고려하여 그 동작시한을 두는 방식이다.

순시요소로서는 일반적으로 플란저형의 것이 사용되고 있다.

과전류계전기에 의한 단락보호의 경우 제각기 보호구간에 설치된 과전류계전기 사이의 시간협조가 중요하게 된다. 과전류계전기의 동작시한 정정은 다음 식에 의하여 한다.

T₁= T₂+ S(초)

여기서, T₁: 정정하고자 하는 계전기의 동작시한

T₂: 인접구간 계전기의 동작시한

S ≥ B + O F

B : 인접구간 차단기의 동작시한

O : 정정하고자 하는 계전기의 관성동작시한

F : 여유시간

이 식에서 통상 송전단측의 시한이 정정되므로

T₂ = T₁- S

1회선의 배전선을 보호하는 과전류계전기의 수는 2상분을 설치하는 경우와 3상분을 설치하는 경우가 있다. 우리 도시철도의 경우 22.9㎸ 선로의 경우 3상분을 모두 설치하고 △결선된 6.6㎸ 고압 배전선로의 경우에는 2상분만 설치하고 있다.

과전류계전기의 동작 전류치 결정, 즉 정정은 비접지계통의 경우나 접지계통의 경우나 같이 정격전류의 150%에 조정한다.

 

2. 지락보호

배전계통의 접지방식에는 다중접지방식과 비접지방식이 있고 그 접지방식에 따라 보호방식도 다르다. 도시철도의 경우 전자는 22.9㎸선로가, 후자의 경우에는 배전용 변압기 2차측 선로(△결선)가 이에 해당한다.

 

가. 접지계통

22.9㎸ 선로에는 중성점을 접지하는 방식이 채택되고 있으므로 이미 언급한 바대로 각상마다 변류기를 설치하고 그 2차 회로에 과전류계전기를 설치하여 단락 및 과부하 보호를 하고 변류기의 3Ф 잔류회로에 과전류 계전기를 설치하며, 다양한 형태의 지락사고 전류에 대한 감도를 높이기 위하여 소세력 지락 과전류계전기를 채택하여 사용한다. 지락과전류계전기를 사용하며 저항접지 사고시에 충분히 사고를 검출할 수 있는 반면 평상시 불평형 부하전류와 사고시에 각 접지개소에서 분류하설치하여 분류하는 전류로 건전선로가 오동작할 때가 있다. 이 때는 지락계전기(50/51N)의 한시 레버를 조정하여 보호협조가 되게 한다. 지락계전기의 동작 전류치 정정은 부하전류의 30% 미만에 조정하나 평상시 선로 불평형 전류가 적은 경우는 축소 조정할 수 있다.

 

나. 비접지계통

비접지계통의 지락보호방식으로는 배전계통의 1선지락시에 발생하는영상전압과 영상전류를 이용한 방향지락계전기(67H : Directional Ground Relay 약해서 DGR 또는 SGR)가 채용된다. 방향지락계전기는 접지형 계기용 변압기(GPT)의 3차전압과 각 회선에 설치된 ZCT의 2차전류에 의해서 동작하는 전력형 계전기이다. 즉 다회선으로 건설된 배전선로에서 어느 한 선로에서 1선 지락사고시 영상변류기에서 검출되는 전류는 GPT의 개방 델타(open delta)전압에 비하여 위상이 지상(遲相 : lag)일 때에는 방향지락계전기가 동작하지 않으나 지락사고가 발생한 회선에 결선된 영상변류기의 2차측에서 검출되는 전류는 진상(進相 : lead)이므로 방향지락계전기가 이를 검출, 사고가 난 그 선로만 차단기가 동작하도록 하는 방식이다.

 

3. 부족전압 보호

교류 선로에서 정전 사고가 발생하였을 경우 선로가 개로되지 않고 그대로 부하를 접속상태로 두면 전원이 회복되면 다수의 전동기가 동시 기동하게 되어 큰 기동전류가 흐르므로 사고를 초래할 수가 있다, 따라서 선로의 전압이 어느 정정치 이하가 되면 이를 검출하여 선로를 개로할 필요가 있다. 이 때에 설치하는 계전기가 저전압계전기(27)이다. 따라서 저전압 계전기를 모선에 설치된 계기용 변압기(PT) 2차측에 결선하여 계통의 저전압 사고를 검출하고 있다. 저전압계전기가 다른 교류 전력계통 계전기와 계전기의 동작은 계전기가 무여자 되었을 때이고 복귀는 여자 되었을 때라는 점이다. 즉 이 계전기는 평소 b접점으로 인하여 접점이 개로 상태이나 전원 전압이 정정치 이하가 되면 접점이 폐로되어 동작 신호를 송출하고 차단기를 트립시킨다.