비율 차동 계전기(Percentage Differential Relay)

비율 차동 계전기(Percentage Differential Relay)

1. 개요

비율 차동 계전기는 보호구간의 내부에서 발생한 고장을 신속하고 정확하게 선택 차단하는데 널리 적용되는 계전기로서 비율 차동 계전기는 기호로 나타내면 87로 표현하도록 한다. 실제로 87 은 동작원리는 매우 간단하지만 결선이 까다롭고 운전에 투입하기 전에 반드시 동작을 시험하여 올바르게 결선이 되었는지 CT 결선에 따른 Factor 는 제대로 고려되었는 지 검증하여야 하므로 기본개념을 충실히 이해하고 점검 및 시험을 하여야 한다. 특히, 결선이 잘못 되어 있을지라도 변압기가 경부하시에는 잘 알 수 없으나 후단의 대용량Motor 의 기동이나 Feeder의 단락고장이 발생하면 오 동작을 일으킬 가능성이 잠재하고 있고 이러한 오 동작은 전체 정전을 유발하여 커다란 손실을 발생시킬 수 있으므로 반드시 이러한 사항을 점검을 통하여 방지하여야 한다.

 

2. 87 의 동작개요

변압기 보호용 87 은 다음과 같이 설치하며 보호구간에서 일어나는 고장에 한해서 해당 차단기를 Off 하여 고장을 선택 차단하는 임무를 가진다.

3. 87 의 동작원리

87 은 CT 를 다음과 같이 결선하여 전류의 흐름을 정상상태 및 외부 고장 시에는 동작코일 쪽으로 흐르게 못하게 하고 내부 고장에만 동작코일에 흐르게 함으로서 고장을 제거하는 방식을 취하는 것이다.

87 에는 차동 계전기 및 비율 차동 계전기의 두 가지 종류가 있는데 이해를 쉽게 하기 위해 먼저 변압기의 1 차 및 2 차 전류를 같게 하여 차동 계전기를 가지고 설명하도록 한다.

위 그림에서 알 수 있는 바와 같이 정상 상태 또는 외부 고장의 경우에는 동작코일에 전류가 흐르지 않으므로 Relay 는 동작하지 않는다.

이론적으로는 이러한 동작이 이상적이지만 변압기의 1 차와 2 차에 사용된 CT 의 특성에 따라 Ratio 오차에 따른 차전류가 동작코일로 유입하여 예기치 못한 오 동작이 발생할 가능성이 있다.

특히, 보호범위 외부에서 발생한 단락과 같은 대전류가 흐르는 고장이 발생할 경우 약간의 CT 특성차에 의해서도 큰 오차전류가 동작코일에 흘러 Relay 를 동작시킬 수 있다.

 

비율 차동 계전기는 위에서 언급한 차동 계전기의 단점을 보완한 것으로서 다음과 같이 동작코일 및 억제코일로 구성된다.

위 그림에서 알 수 있듯이 CT 의 특성차이에 따른 오차전류가 동작코일에 흘러도 억제코일이 있으므로 이 억제코일에 흐르는 전류가 훨씬 클 것이므로 87이 오동작을 일으킬 정도의 동작코일에 의한 토크 발생은 없다고 보는 것이다.

CT 2 차로의 대전류의 유입이 우려되는 보호범위 밖에서 발생한 외부고장에 대해서도 오동작의 우려가 또한 없는 것이 비율 차동 계전기의 특징이자 장점인 것이다.

장거리 송전선의 구간 보호용으로 사용되는 Pilot Wire Relay의 동작 또한 이 차동 계전기의 원리와 동일한 것으로 이해하면 될 것이며 장거리를 보호하기 위해서 CT 2 차 전류를 길게 인출할 수 없기 때문에 Pilot Wire 라고 하는 장거리 전류신호 전송에 적합한 별도의 설비를 사용하는 것에 불과하다.

이제는 보호범위 내부 고장이 발생했을 경우 어떤 동작이 일어나는지 알아보자.

이해를 쉽게 하기 위해서 고장전류는 100A 로 둔다.

이때는 억제코일에 흐르는 전류가 서로 반대가 되어 억제토크는 서로 상쇄되고 양쪽에서 유입된 고장전류가 모두 동작코일로 흐르므로 즉시 동작하게 되어 고장부분을 계통에서 신속히 분리하게 되는 것이다.

CT 의 특성차에 의해 내부 유기 전압인 VS1 과 VS2 가 서로 다르면 여자전 류가 또한 서로 다르고 이로 인해 양 전류의 차이만큼에 해당되는 오차전류가 동작코일에 흐르게 되어 오동작을 일으킬 소지가 있는 것이다.

      

 

4. 변압기 보호용 87 의 결선 방법

우리가 가장 많이 사용하는 △ → Y 결선 변압기의 87 결선을 설명한다.

위 그림은 우리가 가장 많이 사용하는 전형적인 결선 방식인 Dyn11 을 보여주며 앞서 설명한 규칙대로 결선 되었다. 변압기 델타 결선측의 머리와 꼬리의 접속 형태와 Y 결선측에 설치된 CT 의 머리와 꼬리의 접속형태가 동일함을 알 수 있다.

여기서 매우 주의 깊게 살펴야 하는 것은 변압기 2 차측 (Y 결선측) 에 설치된 CT 의 머리와 꼬리는 변압기 1 차측에 설치된 CT 의 머리와 꼬리와는 반대로 되어있음을 기억하여야 한다. 즉, 2 차측에 설치된 CT 는 부하측을 머리인 K 로 변압기측을 꼬리인 L 로 하고 있음을 주의 깊게 살피고 이것은 1 차측에서는 전류가 87 로 유입하고 2 차측에서는 87 에서 빠져 나온 전류가 CT 로 유입하여야 하기 때문이다.