양회장 블로그

실리콘 정류기의 소자 구성(素子 構成)

3상 브릿지 결선으로서 여러 가지 접속도에는 각 암마다에 정류소자 기호가 한 개씩 쓰여져 있어서 실제의 실리콘 정류기는 수 개의 정류 소자를 직ㆍ병렬로 접속하여 한 개의 암을 구성하고 있다.

소자를 몇 개 직렬로하여 소자의 정격 비반복 피크역전압과 암에 가해 지고 있다고 추정한 이상전압 등에 의해서 결정되며, 정격비반복 피크 역전압이 3,000(V)급의 소자로 직류전압이 1,500(V)의 경우에는 예 비적 요소도 포함하여 통상 3개를 직렬로 하고 있다.

또, 병렬 수는 그 정류기를 정하는 여러 가지 조건하에 부하전류가 암 에 흘러도 소자 1개의 통전 성능에서 생각하여 충분한 내력이 있는 것의 수 개를 병렬로 하지 않으면 아니되고, 그 외에 직류측의 단락사 고에 대하여 고려하며, 정류기가 크게 되거나 냉각 방식도 좋은가를 고려해야한다. 실리콘 정류소자 구성을 말하는 경우는 3S - 4P - 6A와 같이 표현한다. 이 의미는 1정류 암의 소자수가 직렬(S)DL 3 개, 병렬(P)이 4개로 암ㆍ수(A)라는 의미로써 소자의 총 수는

3×4×6=72개로 된다.

그리고 1암이 같은 3S - 4P에서도 다음 그림의 ⓐⓑ와 같이 2개의 접속 방법이 있다. 회로구성에서 말하면 ⓐ는 3개 직렬의 것이 4조 병렬로 있어서 3S - 4P, ⓑ는 4개의 병렬의 것이 3조 직렬로 있어서 4P - 3S라 말하고, 직렬수는 3, 병렬수는 4로 하고, 소자 구성에서 는 3S - 4P로 하고, 소자 1개의 취급전압 전류의 부담은 똑같이 된 다.

정류암의 소자 구성

다수의 소자로 정류회로를 구성하는 경우, 각 소자를 유효한 기능을 가진 특성이 일치한 소자를 사용할 필요가 있으며 또한 사용중에 다소 의 불안정이 나타나는 각 소자의 전압ㆍ전류는 가능한 한 영향이 적어 야 하는 접속이 되도록 하는 대책이 필요하다.

예를 들면 위의 그림 ⓐ의 3S - 4P에는 직렬로 된 3소자의 통전전 류는 어떤 경우에도 전부 같지만 소자의 특성이 있어서 i1, i2, i3, i4의 값이 각각 틀리게 되어 각 소자의 가해진 전압도 대체로 같지 않게 된 다.

ⓑ의 4P - 3S에는 병렬로 된 4소자에 가해진 전압은 언제고 같은 전압이지만 e1, e2, e3의 각 전압은 소자의 특성에 있어서는 같지 않 고 통전 전류도 같지 않다. 이래서 어떤 직ㆍ병렬접속에도 평형용의 콘덴서나 저항(정류시에 발생하는 피크전압의 흡수용을 겸하고 있다.) 을 소자와 병렬로 짜넣고 전압ㆍ전류의 평균화를 도모하였으며, 어떤 결선으로 하는가는 사용되는 소자의 성능과 총체적인 합리적 구성을 생각하여 정하게 된다. 실리콘 정류기의 직ㆍ병렬접속에서 소자의 특 성이 같지 않는 등의 열화는 소자의 부담을 불균형이 되게 한다. 아래 의 그림은 현재 사용하는 실리콘 정류기의 내부 접속을 나타내고 있 다.

실리콘 정류기의 내부접속 예(3상 브릿지 결선)

병렬콘덴사에 의한 직류 전압의 영향

3상브릿지 결선은 2개의 성형 3상 결선으로 된다

개로 나누어진 것의 1개의 회로, 암 A4, A6, A2의 방향도 그림 2-36 의 ⓓ에 쓰여 있고

이 회로와 그림 2-35 의 ⓑ의 회로와 틀리 는 것은 정류소자가 대체로 역 방향으로 들어 있다. 따라서 Va, Vb, Vc의 정파는 앞의 것과 반대로 소자에 대해서 역전압이 되므로 콘덴 서에 그와 같이 걸리게 되어 부파는 소자의 순방향이 되므로 콘덴서에는 전압이 걸리지 않는다. 그래서 각 암의 콘덴서는 Va, Vb, Vc 의 정파에 의해서 반복으로 충전된다.

Q = C × Vm / √ 3의 전하가 앞에서는 역으로 P측에 직류권선측에 로 되어 축적되고 이것도 또한 어디에도 방전할 수 없으므로 각 암의 단자간에는 항시 Va, Vb, Vc의 파고치 Vm / √ 3의 전압이 나타나게 된다. 이와 같이 6개의 암에는 각각 접속되어 있는 콘덴서는 항상 전하가 축적된다.

Vm / √ 3 = Q / C의 맥동이 없는 전압이 각 암의 단자에 나타나서 정류기의 직류측 단자에 대하여는 암A1, A3, A5의 군과 A4, A6, A2의 군이 직렬로 되므로 P, N간의 단자 전압은 E = Vm / √ 3 × 2로 된다. 이 값이 어느 정도로 되는가를 계산하면 교류측의 선간전압을 어느 때고 예로써 1,200(V)로 하면 Vm = 1,200 × √ 2로 된다.

따라서, PN간의 단자전압

E = Vm / √ 3 × 2 = 1,200 × √ 2 / √ 3 × 2 = 1,960(V)로 된다. (그림2-34의 ⓑ참조)

이 값은 실리콘 정류기의 교직 전압비에서 계산한 병렬콘덴서가 없을 때의 무부하 전압은 1,620(V)로 비교하면 20%가 높고 전부하의 전 압 1,500(V)에 대하여는 30%의 전압이 상승된다. 무부하로서 이런 높은 전압이 나오는 것은 정류기 회로에 접속되어 있는 각종 기기의 절연에도 문제를 줄 수 있어서 제일 첫째, 정류기의 운전면에서 말할 때 대단히 취급이 어렵게 되기 때문에 실리콘 정류기에는 그림 2-34 에 있는 P, N단자간의 내부에 전압 억제저항(R)을 접속하여 콘덴서에 축적된 전하의 비켜가는 길을 만들어주고 무부하시의 전압상승을 이것 으로 방지하고 있다. 이 저항을 붙이기 위하여 정류기에는 부하가 없 어도 내부에서 약간의 항상 일정의 전류가 이 저항으로 흐르게 되고 있어 이것의 손실이 있다.

콘덴사의 영향에 의한 무부하 직류전압의 상승(2)

병렬콘덴사의 유무에 의한 무부하 직류전압의 비교

공냉식 실리콘 정류기

1. 본체의 구조

(가) 정류기의 본체는 다음 3가지의 부분으로 구성되어 있다.

1) 다이오드반 (Diode Section)

2) DC출력반 (DC Output Section)

3) 제어반 (Control Section)

(나) 제어경보 및 그 밖의 다른 지시계는 제어반 전면에 설치되어 있 다.

2. 기 능

(가) 100% 부하에서 연속사용 가능하며, 150% 부하에서 2시간, 300% 부하에서 1분간 사용할 수 있는 과부하 정격을 보유한다.

(나) 교류입력전압(AC 3상 600V)을 6Leg로 구성된 삼상전파 정류

브릿지를 직렬로 연결된 2개의 정류회로를 통하여 12Pulse DC

1,500V를 얻는다.

(다) 각 Leg에는 4개의 병렬 결선된 반도체 다이오드로 구성된다.

브릿지에는 Fuse고장이 발생할 경우 표시를 위한 Fuse고장 표시 용 S/W회로 및 전류분담을 위한 Resistor와 순간 전압상승 방지 를 위한 Snubber회로 등이 포함되어있다.

(라) 다이오드는 알루미늄 방열판에 부착되어 있고 냉각방식은 자연 대류 방식이며, Bridge Leg의 4개 병렬 다이오드와 방열판은 Group으로 배열되어 있고, 4개의 각 Group에서 가장 위쪽의 방 열판에는 Alarm과 Trip 기능을 위한 2개의 Themal Seitch가 부 착되어 있다.

(마) DC 출력부는 제어반 Door후면 내부에 위치하고 이 부분은 DC Surge Absorber회로, Voltage Transducer회로, DC출력 BUS를 포함한다.

(바) 제어부분은 전면 Door의 내부에 위치하며 필요한 전원은 직류

110V, 20A이다. 제어부분은 Fuse용단 검출회로와 Diode Over Temperature용 계전기 및 Door Interlock와 2개의 보조 DC Power Supply를 포함한다. 전면 Door에는 Ground Fault 및 Hot Structure용 Relay, Annunciation Module, DC Meter들 (Voltmeter And Ammeter)이 설치되어있다.

(사) 외함 내부의 조명등은 문이 열릴 때마다 계전기 133x 접점을 통하여 점등된다.

(아) 온도 설정이 가능한 Space Heater가 부착되어있다.

3. 외 함

(가) 정류회로 내부를 Door를 Open하지 않은 상태에서 확인할 수 있도록 전ㆍ후면 별도로 2개의 창문을 설치하였으며, 제어반을 위한 별도의 Door도 구비하였다.

(나) 정류회로의 발열을 자연 냉각하기 위한 통풍구가 상단 및 하단 부에 설치되어있다.

(다) 정류기 제어반 전면에는 정류기 동작 램프, 전압계, 전류계 및 접지계전기 등이 취부 되어 있으며, 제어반 후면에는 동작 램프만 설치 되어있다.

(라) 정류기 상부에는 정류기 내부에서 발생될 수 있는 발열량을 최 대한 억제하기 위하여 다이오드 보호용 Snubber회로에 있는 콘덴 서 방전저항용 무부하 저항기(출력전압 Divide용 저항 포함)가 설 치 되어있다

4. 다이오드반 (Diode Section)

(가) 정류기의 Diode부는 2개의 3상 전파브릿지로 직렬 결선된 12 개 Diode Leg로 구성되어있다.

(나) 12개의 Leg는 각각 4개의 Diode가 병렬로 결선되어있고 정류 기는 총 48개의 Diode로 이루어져있다.

(다) 각 Diode는 돌출 압출 성형 분리된 2개의 방열판 사이에 취부 된다

(라) 전기적으로 Diode는 Diode와 Fuse 그리고 저항을 포함한 직렬 회로의 일부이다. Diode는 Fuse 및 저항과 항상 연결되어 있으며 이들은 입력(AC) 또는 출력(DC) BUS와 연결시키는 역할을 한다.

(마) 전류 분담용 저항은 심한 고장이 발생하는 동안 각 정류기 Leg 의 4개의 전류 통로 사이에서 전류분담을 실행시키는 역할을 한다. 저항은 각각 0.0005Ω이며 두개의 병렬 Stainless 강철 Sheet로 이루어져있다.

(바) 각각 Diode Fuse는 Fuse가 용단될 때 동작하는 Microswitch 가 부착되어 있다. 이 Switch는 제어부에 있는 Diode Fuse Indicator회로와 Lamp에 연결되어 있다.

(사) 각각 12개로 구성된 2Group의 Over-Temperature Themal Switch가 정상시 Close되어 있으나 임계온도 이상 온도가 상승할 때에는 Open되며, 임계온도는 130℃와 135℃이다. 이 Switch들은 각 정류기의 Leg에서 가장 윗부분의 Diode 방열판에 위치한다.

(아) Door를 통하여 커다란 압출 성형 알루미늄 방열판을 제거하지 않고 개개의 Diode를 교체하는 것이 가능하다.

(자) 각각의 Diode는 R-C회로로 이루어진 Snubber 즉 Diode단자 에 직접 연결된 Polypropylene-Paper Dielectric Foil Capacitor 와 직렬인 무유도 저항에 의해 과전압(dv/dt)에 대하여 보호된다.

5. DC출력반 (DC Output Section)

(가) DC 출력 부분은 제어반 후면 내부에 위치한다.

(나) DC Voltmeter Transducer(XDCR)는 DC출력부에 위치하고 Volt Meter를 동작시키는 절연된 회로로 구성된다. XDCR은 Devide Resistor R13N 양단의 전압에 의해 검출되며 Devide  Resistor 양단의 전압이 37.5V일 때 Transducer출력은 120mV  DC이고 DC Voltmeter는 1500V DC를 지시한다.(Full Scale은 240mV DC일 때 3000V이다.)

(다) 전력용 저항 R17은 Snubber회로의 Capacitor에 의해 발생되 는 무부하 직류출력 전압의 파고를 제한하는 Bleeding효과를 제 공 한다.

라) 2개의 DC Surge Suppressor는 출력 BUS의 양단에 직렬로 연결되어 있고 DC Surge Suppressor의 중간지점이 2개의 직렬 Bridge의 중간지점에 연결된다. 각 Suppressor는 Fuse 및 직렬 R-C회로로 구성된다. 뿐만 아니라 2개의 금속산화 Varistor(MOV)가 출력 BUS Bar에 직접 연결된다. DC Surge Suppressor와 MOV는 외부로부터 침투되는 과전압에 대한 과도현 상으로부터 정류기를 보호한다.

(마) 정격이 50mV DC, 5000A인 DC Ammeter용 Shunt는 음극 출력 BUS BAR와 직렬이고 DC 출력용 Ammeter에 mV신호를 공 급한다.

6. 제어반 (Control Section)

(가) 정류기 제어부는 정류기 제어반 전면 안쪽에 위치한다.

(나) Space Heater 및 형광등용으로 220V 교류전원이 외부에서 공 급된다. 제어회로는 110V DC 직류전원을 외부로부터 공급받아 Power Supply를 통하여 변환된 DC 24V 및 ±15V 직류전원으로 동작된다. 이들 회로는 제어부 문 안쪽에 취부되어 있는 각 2Pole 10A의 MCCB에 의해 보호된다.

(다) Diode부의 Cabinet Light는 Cabinet Door에 있는 Switch에 의해 제어된다.

(라) DC 출력용 Voltmeter와 Ammeter는 제어부의 Door에 위치하 며 DC 출력부에 있는 Voltage Transducer와 Ammeter Shunt로 부터 Signal을 받는다.

(마) Ground Fault / Hot Structure Relay는 제어부의 Door에 위 치한다.

(바) 64계전기는 정류기 외함과 대지 사이의 전위차에 따라 동작한 다. 내부 계전기의 접점으로 외부 Annunciator Module에 Trip신호 를 보낸다.

(사) Fuse용단 감지회로 58R과 58R1은 1개의 Fuse만이 용단되었 을 경우 경보출력을 공급하고 2개 이상의 Fuse가 용단되면 Trip출 력을 공급한다. 각각의 회로는 그에 해당하는 정류기 브릿지의

Fuse상태를 체크한다. 회로의 출력은 Annunciator Module에 경보 와 Trip신호로서 공급된다.

(아) 26D1계전기(“경보”와“Trip”)는 Diode 과온도시 각각 동 작하여 Diode와 절연회로를 절연시키는 역할을 한다.

(자) 보조전원 공급장치 또는 24V DC(PS1), ±15V DC(PS2)가 필요하다. 24V DC는 Annunciator Logic PCB(Printed Circuit  Board), Indicating Lights(LED's) 및 출력 계전기의 전원 공급용 으로 사용되고, ±15V DC는 Logic회로에 사용된다.

(차) 계전기 133X는 임의로 문이 열렸을때 동작하고 계전기의 Closing Contact가 정류부의 각 부에 있는 4개의 절전형 3파장 Lamp에 직렬로 연결되어있다, 정류기의 운전중에는 인명에 치명적 인 전압이 발생하므로 정류기의 주회로 교류차단기를 개방시키지 않 은 상태에서 Door를 열지 말아야한다.

열 감지 회로

1. 온도 Switch 26H와 126H, 그리고 26D, 26DA, 26DB,  26D1, 26D1A, 26D1B, T2에서 T7까지의 절연 변압기에 의해 얻 어진다.

2. 온도 Switch의 접점은 1차 권선이 계전기 26D와 26D1 코일 에 직렬 연결되어 있는 절연 변압기의 2차 권선에 직렬로 연결되어 있다. 방열판의 온도가 규정치 이하의 온도이면 온도 Switch가 Open상태가 되어 절연변압기의 2차측에 나타나는 전압은 26D, 26D1계전기가 동작할 수 없게하는 전압을 보유하게 된다. 만약 온 도 Switch의 접점이 Close될 정도로 방열판의 온도가 상승하면 1 차 권선은 단락상태가 되어 2차 권선에 직렬로 연결된 26D, 26D1 계전기는 동작하게 된다.

3. 모든 Warning(1st 단계) 온도 Switch들은 26D, 26DA 그리고 26DB계전기와 개별적으로 배열되었으며 Trip(2nd 단계) 온도 Switch는 26D1, 26D1A 그리고 26D1B 계전기로 배열되었다.

Fuse 용단 검출 회로

1. Fuse용단 검출 회로는 6 Channel로 구성되어 있다. 정류기 Bridge의 6LEG 각각을 1개의 Fuse용단 검출 회로가 담당한다.

2. Fuse 용단시 동작하게 되는 보조 Switch는 보통 Close 접점을 사용 연결되어 있다. 고장은 Open 접점으로 전환됨으로 표시된다.

3. 6 Channel의 5개 Switch 각각은 모든 Switch의 Close시 저항 회로의 출력에서 나타나는 전압에 고정된 영향을 주는 것과 같은 방법으로 저항회로에 연결되어 있다. 마찬가지로 어떠한 부가된 Switch의 다음의 동작은 Switch가 Close됨에 상관없이 출력 전압 에 다른 고정된 영향을 준다. 따라서 회로 출력 전압은 몇 개의 Switch가 Close 되었는가에 따라 불연속 단계로 측정된다.

4. 저항회로의 출력전압은 1개나 2개의 Switch가 Open됨에 상응 하는 Warning이나 Trip 출력을 나타내는 두개의 고정된 관련 전압 으로 두개의 비교 증폭기에 의해 비교된다.

5. System은 K2(Warning)와 K1(Trip)계전기가 정상시 동작하 여 사고시 보호하도록 되어있다. R15 Potentiometer는 1개의 보조 Switch가 Open 될 때마다 K2계전기가 복귀하도록 조정하며, 유사 한 방법으로 2개의 Switch가 Open될 때 K1계전기가 복귀하도록 조정한다.

표시등 모듈

정류기의 제어반에 설치된 다이오드 고장표시등(Annunciation Board)은 아래와 같다.

알람 표시등(Annunciation Board)

1. DIODE ALARM

이 신호는 큐비클별로 DIODE 1개 고장시 ALARM 신호를 발생한 다. 마이크로스위치가 동작하여 표시등이 점등되고 즉각 원제 계통 인 스카다로 접점신호를 전송한다. DIODE ALARM(A1) 고장표시 등의 점등은 다이오드 스택 A1의 다이오드중에 1개가 파손이 발생 했다는 것을 표시한다.

2. DIODE TRIP

이 신호는 큐비클별로 다이오드 2개 고장시 TRIP 싱호를 발생한다. 마이크로스위치가 동작하여 표시등이 점등되고 즉각 차단기 트립을 위해 AC/DC 배전반 및 스카다로 접점신호를 전송한다.

3. TEMP ALARM

과전류에 의한 온도상승 방지를 위하여 각 큐비클별로 상단 다이오 드 스택에 ALARM 신호 발생용 온도센서(TA1, TA2)를 부착한다. 이 신호는 스택의 온도가 140℃ 이상을 초과할 시 해당큐비클의 TA1 또는 TA2용 온도센서가 구동되고 계전기 출력으로 판넬 전면 의 표시등이 점등되며 즉각 원제계통인 스카다로 접점신호를 전송한 다.

4. TEMP TRIP

과전류에 의한 온도상승 방지를 위하여 각 큐비클별로 상단 다이오 드 스택에 TRIP 신호 발생용 온도센서(TT1, TT2)를 부착한다. 이 신호는 스택의 온도가 150℃ 이상을 초과할 시 해당큐비클의 TT1 또는 TT2용 온도센서가 구동되고 계전기 출력으로 판넬 전면 의 표시등이 점등되며, 즉각 차단기 트립을 위해 AC/DC 배전반 및 스카다로 접점신호를 전송한다.

5. ATTENUATION FAILURE TRIP

정류기의 직류 결선 L+와 L- 사이에서 이상 과전압이 발생하였을 때 TRIP 신호를 발생한다(ATT1, ATT2). 마이크로스위치가 동작 하여 표시등이 점등되고, 즉각 차단기 트립을 위해 AC/DC 배전반 및 스카다로 접점신호를 전송한다.

6. MCCB FAILURE

정류기 제어전원 공급원인 BATTERY CHARGER 출력 DC110V가 OFF 및 AC220V가 OFF될 경우 NCCB FAILURE 신호를 발생하 고 마이크로스위치가 동작하여 표시등이 점등되고 즉각 원제 계통인 스카다로 접점신호를 전송한다,(F15, F16 MCCB)  

7. DOOR OPEN TRIP

정류기 외함 전·후면의 문을 열었을 경우 TRIP 신호를 발생한다. 마이크로스위치가 동작하여 표시등이 점등되고 즉각 차단기 트립을 위해 AC/DC 배전반 및 스카다로 접점신호를 전송한다. 또한 형광 등(FL1, FL2, FL3, FL4, FL5)이 점등된다.

8. GROUND TRIP

구조접지 계전기(STRUCTURE GROUND RELAY)는 정류기 외함 과 같은 비접지 구조물의 우발적인 접지(GROUND) 사고를 감지하 고 구조물이 교류 혹은 직류 부분에서 우발적인 지락(HOT) 상태가 되었는지도 감지할 수 있다. 구조물의 접지 또는 지락사고가 감지되 면 64G 접점 두 세트는 TRIP 신호를 발생한다. 마이크로스위치가 동작하여 표시긍이 점등되고 즉각 차단기 트립을 위해 AC/DC 배전 반 및 스카다로 접점신호를 전송한다(64 RELAY).

보호장치

1. 감쇄기

정류기의 직류 결선 L+ 와 L- 사이에서 과전압 감쇄장치는 과전압 보호의 작용을 한다. 이 감쇄장치는 damping 역할을 하는 캐패시터 와 방전저항으로 구성되어 있다. 감쇄장치는 정류기용변압기를 스위 칭함에 의해 발생하는 전압의 피크치를 흡수하고 써지어레스터가 있 음에도 불구하고 가선을 관통하는 잔여 과전압을 흡수한다. 일반적 으로 보통 RC회로에 추가하여 디스크다이오드를 가지는 정류기가 바리스터와 함께 장치된다. 짧은 시간 동안 특별히 높은 역전류에 의한 부하를 받을 수 있으므로 바리스터는 또한 높은 에너지의 과전 압 피크에 대처할 수 있어야 한다. 감쇄장치는 무부하 동작 동안 전 압 상승을 제한하기 위한 “무부하저항기”로 작용하는 몇 개의 방 전저항과 함께 장치된다.

2. 무부하 저항기

정류기 직류 출력 회로 사이에 연결되는 무부하저항기를 설치하여 정류기 회로의 정전용량에 의해서 나타나는 교류 첨두전압을 제거하 도록 설계되어있다.

3. 피뢰기

피뢰기는 가선을 통하여 유입되는 전동차의 과회생 전압이나 낙뢰 등에 의한 써지전압을 흡수하여 정류기를 보호한다. 피뢰기는 정류 기 출력단 L+와 대지간에 연결된다.

4. 퓨즈

정류기의 다이오드는 직렬로 연결된 다이오드 퓨즈에 의해 보호되며 다이오드 퓨즈는 정류기용으로 특별히 제작된 것을 사용한다. 다이 오드 퓨즈는 다이오드와 같이 1개의 스택에 8개씩 취부되어 있으며 각 암마다 4개의 소자중 1개가 고장이 발생하면 다른 다이오드나 퓨즈에 영향을 주지 않기 위하여 해당 퓨즈가 용단되면서 나머지 소 자들을 보호한다. 다이오드 퓨즈는 해당 다이오드와 근접한 방열판 에 취부되어 있으며 퓨즈가 용단될 경우 마이크로스위치가 동작하게 되어있다. 각 암마다 퓨즈에 연결된 마이크로스위치의 동작에 의해 퓨즈 및 다이오드의 고장을 감지하며, 큐비클별로 알람 및 일괄 트 립 고장표시등이 외함 전면에 설치되어 있어 고장 유무 확인이 용이 하도록 되어 있다.

5. 온도 감지

정류기는 과전류에 의한 온도상승 방지를 위하여 각 큐비클별로 상 단 다이오드 스택에 알람과 트립용 센서를 부착하여 스택의 온도가 140℃ 이상을 초과할시 알람을, 150℃ 초과시 차단 트립온도센서 의 동작으로 계전기가 구동되고 계전기의 출력으로 판넬 전면의 표 시등 점등과 원제용 알람 및 차단기를 트립 시킬수 있으며, 정류기 내부온도를 확인 가능하도록 온도계가 큐비클에 설치 되어있다.

6. 유지 보수

(가) 유지보수

정류기 내부는 평상시 먼지 및 이물질에 대하여 청결을 유지해야 하 며, 다이오드의 포르셀린케이스 및 퓨즈, 인슐레이터와 같이 전기적 으로 스트레스를 받는 부분들에 대해서는 특별한 주의를 해야한다. 각각의 결합 부위 상태는 6 ~ 12개월마다 외관검사를 실시하여 이 상유무가 필요하며, 다이오드의 교체시는 반드시 공급된 토크렌치를 사용하여야 한다.

(나) 주의

유지보수 작업을 시작하기 전에 정류기의 입력전원을 반드시 차단시 켜야만 하며, 통전중에는 1M 이상 떨어져서 정류기의 내부를 확인 하고, 정류기 부품에는 손을 대지 말아야 한다. 정류기 내부의 전압 이 떨어지기 전까지 정류기의 문을 여는 것은 위험하다. 그래서 유 지보수 작업자는 반드시 AC차단기와 DC차단기 혹은 단로기가 개방 위치에 있는지 확인하여야 한다.

만약 정류기 부품이 교체되어야 한다면 DC 110V와 AC 220V의 보조 전원도 차단시켜야 한다.

(다) 5가지 안전 수칙

1) 전원을 차단하기 위해 모든 보호용 차단기를 내린다.

( MV-Breaker, DC Cirsuit breaker, mini circuit breakers)

2) 전원의 재투입 및 접속되는 것을 재확인 한다.

3) 계측장비를 사용하여 잔류 전원이 남아있는지 재확인한다.

4) 활성화 되어있는 부분은 접지시킨다.

5) 동작중인 AC, DC 배전반은 반드시 차단시킨다.

(라) 다이오드 스택 교체

다이오드 교체 작업을 하기 전에 다이오드의 peak reverse

voltage와 Ut-class는 반드시 확인해야한다. 공급된 모든 다이오드 들의 peak reverse voltage는 같은 반면에, Ut-class는 다이오드 케이스의 레벨에 표시되어 있는 타입 D2209N2400T ...XX의 뒤에 있는 숫자로서 구별되어야 한다. 즉, 레벨의 XX는 31, 41 혹은 51 이 될 것이다. 그래서 예를 들면 Ut-class 41의 다이오드는

D2209N2400T41로 표시될 것이다. 그러므로 다이오드는 같은 Ut-class를 가지는 다이오드로만 교체되어져야한다.

사용된 다이오드(D2209N2400T)는 하우징 온도 150℃, 접합온도 160℃, 그리고 최고허용 가능한 주기적인 반복역전압(peak revers  voltage, URPM) 2400V, 2200A의 순방향전류(average forward current)를 가지며, 다이오드의 Maker는 EUPEC GmbH이다. 그러 나 정류기 운전중에 자연대류의 조건을 고려하여 다이오드 전류는 750A로 제한된다.

다이오드 퓨즈는 FERRAZ에서 제작된 10 URD 73 TTF 1100으 로서 정격전류 1100A, 정격전압 1000 이다.

1) 퓨즈의 교체

① 퓨즈를 교체하기 전에 마이크로 스위치에 연결된 어댑터를 풀어 야한다.

② 그 후에 FRONT HEATSINK와 퓨즈 사이에 있는 부스바의 나 사를 느슨하게 한다. 퓨즈의 위, 아래에 있는 M12 너트를 해체하 고 부스바를 들어 올리면 소손된 퓨즈는 쉽게 제거된다.

③교체 후 재조립은 역으로 실시한다.

2) 다이오드의 교체

다이오드를 교체하면 대응되는 각각의 퓨즈도 제거되어야한다.

④ 그 후에 삼각형의 클래핑 장치에 있는 3개의 고정너트를 풀면 클래핑 장치는 제거되고, 다이오드 조합체의 해체가 가능할 것이 다.

⑤ FRONT HEATSINK가 제거되며 소손된 다이오드가 제거된다. 이 때 위치핀은 다이오드가 떨어지는 것을 방지하는 역할을 할 것 이다.

⑥ HEATSINK의 접촉면과 새로운 다이오드의 접촉면은 알코올을 사용하여 깨끗한 천으로 닦아주고 다이오드 표면에 접촉용 그리스 를 발라준다.

⑦ 교체후 재조립은 역순위로 실시한다.

재조립 전에 다이오드 방향을 측정 장비로 확인하고 다이오드 조합 체는 우선 손으로 조인 후 최종은 토크렌치를 사용하여 12Nm으로 압착한다.

다이오드 스택 PB4의 구조

다이오드 스택 구조도(측면)

위의 그림은 다이오드 스택 PB4의 구조 개략도이다. 이 옆면도는 다이오드 스택 뒷면에 있는 하나의 상과의 연결을 위하여 중간에 정 렬된 AC 터미널, 전면에서 위쪽 + DC 터미널, 그 밑에 아래쪽 - DC 터미널을 보여준다. 마이크로 스위치가 장착된 퓨즈는 DC 부스 바(+, -)와의 연결을 위하여 다이오드 스택의 전면에 위치하여 있 고, 부스바를 경유하여 그 뒤쪽에 위치하고 있는 소형 히트싱크 (front Heatsink)에 연결되어 있다. 퓨즈는 각각의 DC 부스바에 40Nm(즉, screw only)의 토크로 체결되어 있고, 퓨즈와 소형 히트 싱크와의 연결용 부스바는 소형 히트싱크에 26Nm의 토크로 체결되 어 있다.

단, 퓨즈용 스레드볼트는 토크와 무관하게 체결된다는 것을 주의한 다. 단지 스레드볼트를 통하여 퓨즈를 부스바에 고정시키는 너트만이 40Nm의 토크로 체결된다.

즉, 두 개의 대형, 소형 히트싱크와 더불어 다이오드 조합체는 다이 오드 스택의 가운데에 위치해 있다. 다이오드는 대형, 소형 히트싱크 사이에 12Nm의 토크로 체결되어 있다.

다이오드 스택의 상단(upper) 다이오드와 하단(lower) 다이오드는 다음과 같은 방법으로 취부 되어져야 한다.

※ 상단 다이오드는 다이오드 스택의 “+” 부스바에 대하여 순방 향으로 한다. (즉, 다이오드의 코가 정면/앞문쪽에 놓여있도록)

※ 하단 다이오드는 AC 단자에 대해서 순방향으로 한다.

(즉, 다이오드의 코가 후면/뒷문쪽에 놓여있도록)

순방향은 다이오드의 뒤쪽면에서 전면인 반면에 역방향은 그 반대방 향이다. 자세한 설치 위치 및 판별 방법은 다음 그림에 상세하게 나 타나 있다. 만약 불량난 다이오드가 교체된다면 이 방향은 매우 신 중하게 고려되어야 한다.

다이오드 스택의 소자 위치

위의 그림은 하나의 다이오드 스택에 있어서 올바른 방향으로 설치 된 모든 다이오드를 보여준다. 만약 다이오드와 퓨즈가 교체되어야 할 경우에는 반드시 다음의 단계를 따라야만 한다.

① 마이크로스위치의 제거

② 연결용 부스바의 제거

③ 퓨즈의 제거

④ 다이오드 조합체의 제거

⑤ 소형 히트싱크의 제거

⑥ 다이오드 교체

CLR의 사용 역활

방향지락계전기(SGR, DGR) 및 지락과전압계전기(OVGR)시용시 GPT에 사용된 CLR의 역할은 다음과 같다.

○지락방향계전기를 동작시키는데 필요한 유효전류를 발생하고,

○GPT 3차 개방삼각결선회로의 각 상전압중 제3고조파 발생분 을 흡수하며,

○비접지 회로의 중성점이상 전위진동, 중성점 불안정 이상현 상을 억제하는데 있다.

1. 지락시발생시 유효전류를 발생하는 역할

1) 비접지 계통 회로

〈그림1. 비접지회로 지락전류 계통〉

※ GPT : 접지변압기 ZCT1, ZCT2 : 영상변류기

CLR : 한류저항기 CB : 차단기

SGR : 선택접지계전기 Rg : 지락점의 지락저항

C1 : 피더1 선로 정전용량 C2 : 피더2 선로 정전용량

Ig : 지락전류 In : GPT에 흐르는 전류

Ic : 선로충전전류(Ic1 + Ic2)

Ic1 : 피더1의 선로 충전전류(Ic11 + Ic12)

Ic2 : 피더2의 선로 충전전류(Ic21 + Ic22)

Ic11 : 피더1 S상 충전전류

Ic12 : 피더1 T상 충전전류

Ic21 : 피더2 S상 충전전류

Ic22 : 피더2 T상 충전전류

Ir : 한류저항기 전류

Ix2 : SGR 전압코일 여자전류

2) 등가회로 및 회로해석

그림1 회로를 1차로 환산한 등가회로는 그림2와 같이된다.

〈그림2. 그림1의 회로를 1차로 환산한 등가회로〉

※ Eg : 지락점의 전위 Rg : 지락점의 지락저항

ZCT1, ZCT2 : 영상변류기 CLR : 한류저항기

C1 : 피더1 선로 정전용량 C2 : 피더2 선로 정전용량

Ig : 지락전류(IC1 +IC2 + In) IR : 한류저항기 전류

In : GPT에 흐르는 전류(IR + Ir1 + Ir2)

Ic1 : 피더1의 선로 충전전류 Ix1 : GPT의 여자전류

Ic2 : 피더2의 선로 충전전류

Ix2 : SGR 전압코일 여자전류

○ 그림1에서 피더1의 충전전류Ic1은 ZCT1를 정방향, 역방

향으로 관통하기 때문에 ZCT1이 감지하는 충전전류Ic1은 상쇄되어 0(A)가 된다. 때문에 그림2의 등가회로와 같이 ZCT1 위치는 지락이된 피더1의 충전전류Ic1를 감지하지 못한 위치에 있게된다.

○ 따라서 ZCT1이 감지할 수 있는 전류는 피더2의 충전전 류Ic2와 CLR에 흐르는 전류만 감지하게 된다.

○ 그림2에서 CLR이 미 설치되어 있고 피더2회로가 없다면 (피더1회로만 구성되어 있다면) 지락시 그림3과 같이 ZCT1이 감지할 수 있는 지락전류는 GPT의 여자전류Ix1 과 GPT3차 부담전류인 SGR의 전압코일 여자전류Ix2만 이 흐르게 된다. 이 여자전류는 ZCT1차측 정격인 200㎃ 에 비해 무시할 정도의 수㎃ 의 작은 전류이므로 ZCT1 이 감지할 수 있는 충분한 전류가 되지 못한다.

〈그림3. CLR 미설치의 경우 지락시 전류흐름〉

Eg : 지락점의 전위 Rg : 지락점의 지락저항

ZCT1 : 영상변류기 C1 : 피더1 선로 정전용량

Ig : 지락전류(IC1 + In) Ic1 : 피더1의 선로 충전전류 In : GPT에 흐르는 전류(Ir1 + Ir2) (수십㎃)

Ix1 : GPT의 여자전류(수십㎃)

Ix2 : SGR 전압코일 여자전류(수십㎃)

※ ZCT1에 관통하는 전류 = In(수십㎃ 이므로 감지 불가)

○ 반대로 GPT 3차측에 CLR이 부설되어 있다면 1선지락시 ZCT1을 관통하는 전류는 그림4와 같이 CLR에 흐르는 전류 IR를 포함하여 GPT의 여자전류 Ix1 및 GPT 3차 부담전류Ix2(SGR의 전압코일 여자전류)인 In이 흐르게 된다. 이 In전류는 CRL에 흐르는 전류IR가 포함되어 있어 ZCT1 1차측 정격전류200㎃보다 큰 전류가 되기 때문에 ZCT1이 충분히 감지할 수 있는 전류가 되는 것 이다.

〈그림4. CLR 설치의 경우 지락시 전류흐름〉

Eg : 지락점의 전위 Rg : 지락점의 지락저항

ZCT1 : 영상변류기 C1 : 피더1 선로 정전용량

Ig : 지락전류(IC1 + In) Ix1 : GPT의 여자전류(수십㎃) In : GPT에 흐르는 전류(Ir1 + Ir2) (수십㎃)

Ic1 : 피더1의 선로 충전전류 IR : 한류저항기 전류

Ix2 : SGR 전압코일 여자전류(수십㎃)

※ ZCT1를 관통하는 전류 = In ( In 〉200㎃ )

○ CLR이 미 설치되어 있고 피더1, 피더2회로가 있는 경우

피더1회로에 지락이 생겼을 경우 피더2 충전저류Ic2의 크기에 따라 피더1회로에 부설된 지락방향계전기(SGR)는 동작이 가 능 또는 불가능하게 하는 것이다.

○ 또한 ZCT2에 관통하는 전류Ic2는 ZCT2의 극성에 역방향으 로 흐르므로 피더2회로의 지락방향계전기(SGR)는 동작하지 안는다.

〈그림5. CLR 미설치 및 피더2가 존재할 경우 지락시 전류흐름〉

※ ZCT1에 흐르는 전류 = In + Ic2

ZCT2에 흐르는 전류 = - Ic2

결론적으로 GPT 3차측에 CLR를 부설하므로서 계전기(SGR) 를 구동할 수 있는 지락전류(유효전류)가 흘리게 되는 것이다.

☆ 만약 그림6과 같이 피더1회로에서 지락이 발생하고 ZCT2가 오결선으로 결선방향이 K단자와 L단자가 바꾸어져 반대로 결선 이 되어 있다면 Ic2의 크기가 SGR 구동전류 이상으로 충분할 경 우 피더1 SGR 및 피더2 SGR이 동시에 동작하게 된다. 즉 피더 1 지락방향계전기(SGR)는 정상동작인 반면 피더2 지락방향계 전기(SGR)는 오동작이 되는 것이다.

〈그림6. CLR미설치 및 피더2가 존재하면서 ZCT2가 오결선된 경우〉

2. GPT 3차 오픈△단자측 제3고조파 발생을 방지하는 역할

1) 변압기류의 제3고조파

(1) 변압기류의 자화곡선과 히스테리시스 곡선 형성

○ 자화곡선 : 자기장 H[A/m]에 대해 철심 중의 자속밀도 B[Wb/m2]이 변화되는 상태. B-H 곡선

○ 히스테리시스곡선 : 그림7의 (a)에서 DC전류를 가감하면 그림7의 (c)와 같이 자속변화에 따라 자기장의 변화가 형성된다.

(2) 변압기류의 제3고조파의 발생

변압기류(Tr, PT, GPT등)의 자화특성은 직선적이 아니고 또한 히스테리시스현상이 있기 때문에 변압기에 정현파교류 전압을 인가하는 여자전류는 많은 기수조고파를 함유한 왜 곡파형이 된다. 그림8의 (a)와 같은 정현파의 자속을 만들어 내는 여자전류는 (c)와 같은 기수고조파를 포함한 대칭 왜 형파 전류가 된다. 또한, 여자전류는 이 기수 고조파 중에서 도 저차의 제3고조파 성분의 비율이 크다. 정현파의 전압을 유기하기 위해서는 자속이 정현파가 될 필요가 있으므로 (c)와 같은 제3고조파를 포함한 여자전류가 필요해 진다.

〈그림8. 변압기류 히스테리시스 특성곡선〉

변압기류에 의해 발생된 각 고조파의 크기는 철심의 재질과 자속밀도에 따라 다르지만 보통의 사용상태에서 대략 표1과 같이 된다.

표1. 변압기류 여자전류에 의한 고조파 예

표1에서 제3고조파 성분이 많다는 것을 알 수 있는데, 변압 기 △권선을 둠으로써 제3고조파 전류는 △권선내를 순환하 기 때문에 제3고조파 전류는 흡수된다.

제5고조파 이상의 성분은 아주 미량이기 때문에 문제가 되 지 않는다.

2) GPT 3차측 각 상의 제3고조파 분석 및 합성

〈그림9. 각 상의 제3고조파 및 합성〉

3) CLR 저항이 설치 된 경우 제3고조파 흐름

그림10에서와 같이 3고조파 전류는 GPT3차코일과 CLR저항 을 흘러 GPT내부에서 환류(還流)하므로 계전기(OVGR, SGR)에 영향을 미치지 않는다.

즉, 계전기 전압단자측으로는 제3고조파가 제외된 계전기 여 자전류(ix(A))만이 흐르게 되는 것이다.

〈그림10. GPT3차측 고조파전류 흐름〉

4) CLR 저항이 미설치 된 경우 제3고조파 흐름

3고조파 전류는 그림11과 같이 계전기(OVGR, SGR 전원단 자)의 여자전류ix(A)에 함류되어 흐르게 된다. 이는 계전기가 제3고조파 전류로 인해 오동작 할 수 있는 여건이 된다.

〈그림11. GPT3차측 고조파전류 흐름도〉

결론은 GPT 3차측에 CLR를 부설하므로서 계전기(SGR)측에 제3고조파 영향을 받지 않는 것이다.(CLR이 제3고조파 흡수 역할을 함.)

3. 중성점 이상 전위진동, 중성점 불안정 이상현상 억제역할

1) CLR이 없는 경우

○ CLR이 없는 경우 계통의 전위중성점은 GPT내부 임피던 스 및 케이블 길이에 따른 선로 충전용량에 의해 중성점 이 결정이 된다.

그림12는 CLR이 없는 상태의 회로도이며 선로 충전용량의 등가회로는 그림13과 같다.

〈그림12. CLR이 미 취부된 비접지 회로〉

〈그림13. 선로충전용량 회로 및 벡터도〉

○ 만약 R상에서 지락이 된 뒤 다시 원상복구가 되었다고 한 다면 R상의 대지정전용량C(㎌)는 상당기간동안(수 분 동 안) 다른상(S, T상)에 비해 적다. 이는 선로 각상과 대지 간의 절연이 공기 및 케이블절연체이기 때문에 R상이 지 락이 되면 R상의 대지정전용량C(㎌)가 바로 0(㎌)이 되었 다가 지락사고가 제거되거나 지락이 원상복구 되면 R상의 대지정전용량이 바로 원상복구가 되는 것이 아니고 수 분 동안에 거처 원상태로 되기 때문이다.

R상 대지정전용량C(㎌)가 변화된 기간동안 각 상의 대지 정전용량은 R상에 의해 다르기 때문에 3상 중성점 이동이 불가피하게 된다.(그림14 참조)

〈그림14. R상 지락복구시 대지정전용량 변화시간 및 복구시간동안의 영상전압 벡터도〉

2) CLR이 있는 경우

CLR를 1차로 등가변환하면 그림15처럼 대지정전용량C(㎌)와 병렬회로로 등가변환 할 수가 있다.

이 등가 회로에서 대지정전용량C(㎌)는 등가 변환된 CLR저 항 r보다 값이 아주작은 값을 가지기 때문에 지락복구시(선 로용량C(㎌) 변화) 영상전압은 거의 변화하지 않은 것이다.

따라서 CLR를 설비하므로서 중성점 이상 전위진동, 중성점 불안정 이상현상를 억제하게되는 것이다.

선택지락계전기 (SGR : Selecting Ground Relay)

1. 개요

고배계통의 고압모선측에 GPT를, 외선측(차단기2차측)에 ZCT를 설치 하고 영상전압 및 영상전류를 검출하여 각 회선의 사고를 판정하고 해 당 차단기를 트립시킨다.

이 계전기는 선로의 영상전류가 클수록 즉 고장선로외의 타선로 긍장이 길수록 또는 타선로의 수가 많을수록 잘 동작하기 때문에 선로의 수가 적고 긍장이 짧은 곳에서는 확실한 동작을 기할 수가 없다. 그래서 선 로가 2개일 경우에는 보통 선택차단을 하지 않고 영상전압만으로 동시 차단하는 곳도 있다.

2. 구조 및 기능

선택지락계전기의 내부구조 및 기능은 다음과 같다.

선택지락계전기 내부접속도

ㅇ C1 - C2 단자 : 영상전류 입력단자로서 ZCT 2차 단자에 접속

ㅇ P1 - P2 단자 : 영상전압 입력단자로서 GPT의 3차 권선 단자에 접속

ㅇ 1 - 2 단자 : 출력단자

 선택지락계전기 위상특성

선택지락계전기의 위상특성을 나타낸 것이며, 그림과 같이 계전기의 위상특성을 갖고 있어 사고 회선의 선택을 할 수 있다.

자회선측의 지락사고시는 다른 회선의 충전전류와 한류저항기 CLR에 의한 전류를 합성한 사고전류 Ig가 선택지락계전기의 동작범위내로 들 어와 계전기는 동작하고 사고회선을 선택 차단한다.

※ Ig : 사고전류

ΣIC : 사고회로 이외의 전충전전류

ID : CLR에 의한 전류

IC1 : 타회선 사고시의 자회선의 충전전류

3. 계전기와 ZCT, GPT의 결선

차단기 트립회로에는 선택지락계전기의 접점과 영상전압에서 동작하는 지락과전압계전기 접점을 직렬로 구성하며 오차단을 방지하고 있다.

GPT의 각상에는 3차 각상에 지락표시등을 설치하고 어느상이 지락이 되었는가를 표시하기도 한다. 1선 지락시 이상없는 지락표시등은 건전 시 보다 밝아지고 이상이 있는 상의 지락표시등은 감등이 되어 지락상 의 판별이 가능하다.

그림 2-17은 선택지락계전기 외부 접속도를 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 선택지락계전기는 접지용 변압기(GPT)와 영상변류기(ZCT)를 사 용하여 계전기의 입력으로 사용하고 있다.

한편 차단기의 트립전원은 DC전원을 사용하고 있으며 그림에 표시한 접점 S를 차단기 주접점과 연동관계를 가지고 있는 차단기 보조 접점이 다. 계전기 트립단자 T, TT간 내부에는 보조코일 ICS가 있는데 보조코 일의 역할은 영상전압과 영상전류에 의하여 계전기 주접점이 폐로하는 순간 주접점을 보호할 목적으로 주접점과 병렬로 되어있는 보조접점을 폐로하기 위하여 설치된 것이다.

 선택지락계전기 외부접속도

한편 이 계전기는 최대감도 위상 진상30°～ 40°정격전압 190V 정격 영상 1차전류 150㎃ 이하에서 동작하여야 하며 190V이하의 전압 E에 대해서는 영상전류 I =190×150/E  [㎃] 이하에서 동작하여야 한다.

4.  SGR과 DGR선정 및 사용

1) SGR, DGR의 용도 및 차이점

○ CT 잔류회로 이용시 : 3개의 CT특성차가 큰 경우 그 특성 차에 의한 잔류 영상전류가 흐르게 되어 오동작 하는 경우 가 있다.

○ 3권선 CT이용시 : Y결선된 2차 권선의 잔류회로를 연결하 거나 2중 접지하면 접지점간의 전위차에 의한 오동작이나 3 차 권선을 순환하는 영상전류를 2차 권선을 순환하는 영상 전류와 대응하여 3차 권선에 반대방향으로 유도되어 흐르는 영상전류에 의하여 상쇄되므로 지락 계전기의 동작에 필요 한 영상전류가 부족하여 오동작하게 된다.

2) 22KV 비접지 선로의 GPT 3차 권선에 부착할 CLR 저항치

또, 미부착시 문제점(영상전류 380mA, 영상전압 190V인 경우)

                                   E                     9                      22,000                               9

○ CLR 저항치 R = ------ × ------------ = --------------- × --------------------- = 7.5(≒8Ω)

                              √ 3              Ig × n2                    √ 3                     0.38  × 2002

○ 미부착시 문제점으로는

① 각 상전압중의 제3고조파 전압발생

② 중성점 이상 전위진동

③ 중성점 불안정 현상

이상과 같은 이상현상이 없다면 CLR을 가급적 설치하지 않

는 것이 GPT의 부담을 경감시켜 계전기의 동작과 검출감도의 향상에 필요한 충분한 영상전류를 얻을 수 있다.

3) 1회로에 SGR 설치시 문제점은 없음

보호계전기의 일반사항

1. 수변전설비의 보호

수변전설비의 보호란 전력설비의 이상상태, 즉 사고의 발생 및 확대를 방지하는 것을 말한다. 전력설비의 사고에는 단락, 지락, 단선, 과열, 기계적 파괴 등이 있고 그 발생원인으로서 낙뢰와 같 은 이상전압, 지진과 같은 자연재해, 이물질의 접촉, 절연열화, 환 경에 따른 오손, 과부하, 제작시공의 불완전, 보수불량 등을 들 수가 있다.

따라서, 수변전설비 에서의 절연협조는 그 절연이 내뢰에 대해서 거의 다 견딜 수 있게 계획하지만 외뢰에 대해서는 완전히 견디 기란 기술적, 경제적으로 곤란하므로 피뢰기 같은 보호장치를 사 용해서 외뢰를 일정전압 이하로 저감하는 것을 전제로 계획하고 있으며, 이들 사고중에서 가장 많은 것은 단락, 지락 등의 절연사 고이며, 이외의 사고도 대부분 절연사고로 발전한다. 따라서 사고 를 방지하는 데는 전기설비의 절연을 강화해야 하지만 모든 전기 적 스트레스에 견디는 절연을 시공하는 데는 경제적인 제약이 있 고, 피뢰기와 같은 보호장치를 적용함으로써 절연을 합리적으로 할 수 있는 이른바 절연협조를 할 수 가 있다.

한편 발생한 사고를 조속히 검출, 제거함으로써 설비의 파괴와 사고의 파급을 최소한으로 줄이는 동시에 정상상태의 복구를 용 이하게 하기 위해 각종 보호계전시스템을 적용한다.

전력설비의 사고는 전력공급의 정지 혹은 부하설비의 운전정지를 뜻하고 모든 전기이용설비의 정지 및 서비스 저하를 초래할 뿐만 아니라, 이것이 확대되거나 장시간에 걸치면 설비의 파괴, 공해의 발생, 열차운행 정지등 커다란 사회문제가 될 수 있다. 그러므로, 전력설비의 사고방지를 위한 보호계전System은 전력계통 전체에 중요한 역할을 한다.

2. 보호계전기의 기능

수변전설비의 보호시스템은 설비의 절연협조등을 충분히 갖춘 다 음에 최종적으로 각 기기에 맞는 보호계전기를 설정하는 것이 가 장 이상적인 보호System이라 할 수 있다.

그러면 보호계전 System이란 전력계통, 전기기기의 이상상태를 조속히 제거함으로서 사람의 안전, 설비의 손상방지, 2차재해 방 지를 꾀하는 동시에 다른 전력계통의 파급을 막고 안전과 신뢰도 의 향상을 도모하기 위해서 설치된 보호계전기를 중심으로 한 System이다.

수전점에서 부터 부하 말단까지의 보호계전 System은 각각 만일 의 사고발생시에 그 확대방지의 중대한 책무를 짊어지고 있으며 이것이 제 기능을 발휘하지 못하면 예상외의 큰 사고가 발생할 염려가 있다. 따라서, 그 선정에 있어서는 보호대상의 크기보다는 그 사고에 따르는 파급의 크기를 중심으로 생각해야 한다. 특히 지하철 전기설비의 중요도에 따른 파급효과는 엄청난 피해를 가 져옴으로 전기설비 설계시 보호협조는 물론 보호계전기 시스템을 보호대상별로 여러 가지 기능을 적용하고 각종 보호계전방식을 채택하고 있다.

1) 정확성 : 신뢰도가 높고 정확한 동작상태로 오동작을 야기 시키지 않아야 한다.

2) 신속성 : 주어진 조건에 만족할 경우 신속하게 동작하는 기능을 갖추어야 한다.

3) 선택성 : 선택차단 및 복구로 정전구간을 최소화할 수 있는 기능을 갖추어야 한다.

4) 기 타

① 취급이 간단하고 보수가 용이하여야 한다.

② 주위환경에 동작성능의 영향을 적게 받아야 한다.

③ 정정변경 및 계통의 변경 등에 신속히 대처할 수 있어야 한다.

④ 모든 조건을 만족시키는 범위내에서 가격이 저렴해야 한다.

이들 기능은 상호간에 공통점과 비공통점을 동시에 지니고 있어 실제의 적용에 있어서는 보호목적인 기능의 밸런스가 중요하게 된다. 이들 기능을 수행하기 위하여 보호계전기는 그림1-1과 같 이 검출부, 판정부, 동작부로 구성된다.

보호계전기 구성

(1) 검출부

검출부는 계기용변압기(PT, GPT)나 변류기(CT, ZCT)등으로 대표되며 주회로의 전압, 전류를 검출하여 판정부의 계전기에 알맞 는 값(통상 110V, 5A)으로 변성한다.

보호의 목적에 의해 평상시의 특성보다도 이상시의 특성이 보다 중요하며 계기용변성기의 정확한 검출이 필요하다.

(2) 판정부

판정부는 보호계전기(Ry)로 대표되며 검출부에서의 전압, 전류 등의 신호를 받아 그 크기 시간적 변화, 상호간의 위치관계 등 으로서 사고의 유무와 동작의 필요성 유무를 판정하여 필요시 간에 동작부에 지시를 내린다.

(3) 동작부

동작부는 차단기(CB)로 대표되며 판정부의 지시로서 전로를 차 단하고 사고부분을 분리한다. 또한 전력퓨즈(PF)나 기중차단기 (ACB), 배선용차단기(MCCB) 등은 검출부, 판정부, 동작부를 겸한 것이라고 할 수 있다.

3. 보호계전기의 기본구성

보호계전기는 원래의 책무를 수행하는 주요소 와 보조적으로 부가되는 보조요소 및 이들을 수용하는 외함과 외부도체를 연결하는 외부단자로 구성된다.

주요소는 전력선이나 전력기기등에 사고가 발생하면 고장에 의 해 나타나는 전압, 전류가 변성기를 통해 계전기에 가해지면 이 전압과 전류에 의해 미리 규정된 전기량, 물리량의 크기에 따라 응동하는 것으로서 그 동작상태가 나타나는 것은 접점상태 이다. 전자형계전기에서 가동부는 입력이 없는 상태에서 스프링 (Spring)이나 중력으로 일정한 위치를 유지하고 있다.

무입력상태에서 입력에 의해 응동되었을때 닫히는 “a” 접점 방 식과 반대로 무입력상태에서 입력에 의해 열리는 “b”접점 방식 이 있다.

보조요소는 동작표시기, 보조접점 및 한시요소 등이 있으며 동 작표시기(Target)는 계전기가 차단기를 개폐하기 위하여 동작한 것을 표시하는데 주요소에 의하여 기계적으로 동작하거나 트립 (Trip)전류에 의하여 동작하여 그 동작상태를 표시판으로 표시한다.

보조접점은 주접점과 병렬로 연결되어 있으며 이를 동작시키는 홀딩코일(Holding Coil)은 주접점과 직렬로 연결되어 있어 주접 점 동작에 의해 홀딩코일(Holding Coil)에 전류가 흐르면 보조접 점이 폐로되어 트립(Trip)전류가 흐르는 동작 주접점을 단락하 여 폐로를 확실히 하는 동시에 주접점이 개로될 때 접점보호 역 할을 한다.

보호계전기의 기본구성

4.. 보호계전기의 적용

(1) 목적

전력계통내의 어떤 부분에서 사고가 발생하였을 때 이 사고를 방치하면 사고현장이 확대되어 결국에는 안정된 전력공급을 할 수 없게 된다. 따라서 기기와 선로의 손상을 막고, 사고부분을 될 수 있는 한 축소시켜 다른 건전계통에는 사고가 파급되지 않도록 하는 목적으로 보호계전방식이 적용되고 있다.

보호계전방식이라 함은 사고현상을 검출하기 위한 변성기 보호 구간에 사고가 있는지 없는지를 판단하기 위한 보호계전기, 사 고구간을 제거하기 위한 차단기 및 이들 상호간을 연결하고 아 울러 이들의 기능을 발휘할 수 있도록 하는 회로 등으로 구성 된 일련의 조합을 말한다.

본래 보호계전방식을 적용하는 목적은 기기손상 방지, 안전운 전 유지, 공급신뢰도 확보가 있으며 종래의 보호계전방식은 기 기손상 방지를 주목적으로 하였지만 최근에는 전력계통이 확대 복잡화됨에 따라 안전운전 유지 및 공급신뢰도 확보에 그 목적 을 두고 계통분리 및 사고파급 축소를 적용 사고시 계통제어의 성격도 갖게 되었다.

즉, 전력계통이 소규모일 때에는 과전류계전방식과 같은 간단 한 보호계전방식으로 보호하는데 지나지 않았으나 전력계통이 확대 분포됨에 따라 방향, 거리, 전압요소, 선택 등 고성능의 여러 가지 보호계전기가 개발되어 사용되고 있다.

(2) 적용시 고려사항

보호계전기의 설치 목적을 달성하기 위하여 보호계전 방식을 적용하는 데는 다음과 같은 사항을 기본적으로 고려해야 한다.

① 대상으로 하는 설비가 어디에 있는가 ?

② 대상으로 하는 시공의 종류가 어떤 것인가 ?

③ 대상설비가 계통에서 차지하는 중요도는 어떠한가 ?

④ 대상설비의 계통적인 관계를 고려하여 상호협조가 되도록

되어 있는가 ?

상기 항목중 가장 중요한 것은 계통과의 협조를 이루는 일이다.

즉, 전체적인 시스템의 보호협조 체제가 조화를 이루어야 한다.

(3) 적용의 원칙

① 사고범위의 국한과 공급의 확보(선택성)

사고 발생시 설비의 손상도를 줄이고 계통의 안정도를 저해하 지 않도록 그 영향을 최소한으로 막기 위해 사고구간을 신속 하게 선택, 차단하고 다른 건전한 부분의 운전유지를 확보할 수 있어야 한다.

② 보호의 중첩과 협조(신뢰성)

전기설비의 인접구간의 보호방식과 협조하여 무 보호구간이 없도록 하고 보호구간의 사고에 대해서는 오동작하지 않도록 충분한 신뢰성을 가져야 한다.

③ 후비보호 기능의 구비(후비성)

주보호 기능과 후비보호 기능을 구비하고 사고구간의 계전기, 차단 기 등이 불량하여 만일 부동작 할 경우는 타 보호장치 또는 타 구간 의 계전기로 사고를 제거할 수 있어야 한다.

④ 재폐로에 의한 계통 및 공급의 안정화(안정성)

주계통의 안정도 향상을 도모하기 위하여 고속도, 재폐로를 행하고 일반 부하선정은 정전시간의 감소와 자동복구를 위해 고속도 재폐 로를 필요에 따라 실시할 수 있어야 한다.

 동작시한별 보호계전기의 분류 

전류계전기는 그 용도에 따라 적절한 동작시한이 있는 것을 선정하여야 한다.

1. 고속도(순시)

일정값 이상일 경우 즉시 동작하는 것으로 보통 고속형이라 한다.

고속도 특성곡선

2. 정한시

입력치가 일정치라도 그 증감에 관계없이 일정 시간이 지나면 동 작하는 것

정한시 특성곡선

3. 반한시

입력치의 증감에 따라 동작정도가 빨라지고 늦어지는데 반대적 요수를 갖는다.

∙입력량 大 → 신속 차단

∙입력량 小 → 정한시 차단

반한시 특성곡선

4. 반한정시(반한시 + 정한시)

입력치의 어느 범위까지는 반한시 특성을 가지고 그 이상이 되 면 정한시가 되는 특성을 가지는 것을 말한다.

반한정시 특성곡선

단한시형 특성곡선

6. 계전기 종류별 분류

계전기는 크게 다음과 같이 분류된다.

① 전류계전기 : 예정된 전류값으로 동작하는 릴레이로 과전류 계전기(OCR), 부족전류계전기(UCR) 등이 있다.

② 전압계전기 : 예정된 과, 부족전압 또는 결상시 동작하는 릴 레이로 과전압계전기(OVR), 부족전압계전기(UVR), 결상전 압계전기, 역상전압계전기 등이 있다.

③ 전력계전기 : 유효전력, 무효전력, 과전력, 부족전력계전기로 구분한다.

④ 방향계전기 : 단락방향계전기, 지락방향계전기(DGR), 전력 방향계전기 등으로 구분한다.

⑤ 차동계전기 : 차동계전기, 비율차동계전기로 구분한다.

⑥ 기타계전기 : 거리계전기, 주파수계전기, 속도계전기, 온도계 전기, 압력계전기 등이 있다.

도시철도 보호계전기의 적용

동작구조별 보호계전기의 분류

1. 가동철심형 계전기

가동철편형은 플런저형, 힌지형, 발라스비임형, 유극형 등으로 나누어지는데 모두다 가동철심에 작용하는 자기흡인력 또는 자 기반발력에 의해 가동부가 움직여 접점을 개폐하는 구조이다.

1) 플런저형(Plunger Type)

보호계전기중 가장 먼저 개발된 형으로 교류를 사용할 경우 그 흡인력은 전원 주파수의 2배주기로 맥동하므로 동작한계 값 부근에서는 소음이 발생할 뿐 아니라 동작도 불안정하게 되어 이를 방지하기 위하여 가동철심 윗쪽에 쉐이딩 코일을 설치하여 위상이 다른 자속을 발생시켜 흡인력의 맥동을 적 게하여 준다.

ㅇ장점 : 전류용량이 큰 접점을 많이 장치하여 사용할 수 있고 동작속도가 빠르며(10 ～ 50ms), 구조가 튼 튼하고 값이 싸다.

ㅇ단점 : 다른 계전기에 비해 소비전력이 크며(3 ～ 20VA), 동작값과 복귀값의 차이 및 오차가 크다.

ㅇ용도 : 고속도형 과전류 계전기로서 사용범위가 가장 넓다.

                                             플런저형 계전기                                        플런저형 계전기 흡인력 특성

F = K(IN)2 〉W

(F:흡인력, N:코일권수, k:상 수 , I:코일전류, w:가동부중량)

2) 힌지형(Hinge Type)

코일에 흐르는 전류에 의해 발생한 자계에 의해 고정철심 및 가동철심이 자화되고 그 상호간에 흡인력이 작용하는 것을 이용한 것이며 그 힘이 스프링의 반항력보다 클 때 동작한다.

ㅇ장, 단점 : 플런저형과 비슷하나 소형으로 할 수 있다.

ㅇ용 도 : 고속동작의 전류계전기를 이용할 수 있으며 순시 요소부 과전류계전기용과 보조계전기로서 많이 사용한다.

                                                      힌지형 계전기구조                            힌지형 계전기의 흡인력 특성

F = K(IN)2

(F : 흡인력, N : 코일권수, K : 상 수, I : 코일전류)

단, 코일기자력에 의한 흡인전자력은 자속밀도의 제곱에 비 례 한다.

3) 발란스 비임형

거리측정이 중요시되는 보호계통에 사용되며 방향성을 갖지 못하므로 방향계전기와 조합하여 사용한다.

2. 유도형 계전기

유도형은 교류전용의 계전기에 사용한다. 현재 단일계전기, 방 향계전기, 거리계전기 등 교류 보호계전기로서 널리 사용되고 있다. 유도형의 종류는 유도원판형, 유도원통형, 유도원환형 등 이 있으며 동작원리는 이동자계로 도체에 발생하는 와류와의 상호작용으로 도체가 회전한다.

1) 유도원판형

유도원판형은 초기 과전류 계전기로 많이 사용되다가 송전계 통 보호용으로 점차 사용이 줄어들고 있다. 그러나, 특고압 자가용 수용가나 배전선 보호기기용으로 많이 사용하고 있다.

많이 사용하는 이유는 정확한 동작, 풍부한 안정성, 비교적 적은 소비전력, 조정의 용이함, 가격의 저렴, 설계상 임의의 전류-시간 특성을 얻을 수 있다. (한시특성)

                 유도형계전기의 토크발생원리                       쉐이딩코일형 계전기의 동작 원리도

토오크 T = F1 - F2 ∝ Φ1Φ2 - Φ2 IΦ1 = Φ1Φ2 sinθ

3) 유도원환형

유도원환을 폐자로의 일부에 설치하고 그 자계속에 회전할 수 있도록 구성한 것으로 주코일의 자속 Φ1과 극 코일의 자 속 Φ2에 의해 유도환에 회전토크가 발생한다.

ㅇ특징과 용도는 유도원통형과 거의 같다.

ㅇ토크 발생효율이 높으므로 고속도 방향계전기에 사용한다.

3. 가동코일형 계전기

ㅇ직류에서만 구동하는 계전기이다.(일반 수변전설비에는 적용 못함)

ㅇ소비전력이 적고 고속 동작한다.

ㅇ동작값과 복귀값이 차이가 적다.

ㅇ회전각의 변경에 의해 동작시간의 정정변경이 용이하다.

ㅇ동작토크가 적으므로 접점 압력이 적다.

가동코일형 계전기 구조

4. 회전철심형 계전기

회전철심형 계전기는 소세력이고 고속도 동작이 된다는 것이 특징인데, 동작토크로서는 접선 방향에만 유효하므로 힘의 효 율이 나쁜 관계 등으로 현재로서는 널리 사용되지 않고 있다.

5. 정지형(트랜지스터형) 계전기

트랜지스터로 전류계전기와 같은 단일량 계전기를 만들 경우 가장 간단하고 널리 쓰이는 방법은 정류형이며, 레벨검출회로 와 입력변환회로 등 약간의 부가회로 등으로 구성된다.(정지형 계전기는 정류형과 위상검출형의 둘로 나눈다)

ㅇ트랜지스터의 ON - OFF에 요하는 전력이 매우 적다.

ㅇ트랜지스터형 계전기는 일반적으로 유극형 계전기의 1/2이하 의 저세력계전기이다.

ㅇ스위칭이 고속도이다.

ㅇ주파수 특성이 널리 사용되어 고장전류나 직류분 및 고조파 분의 영향 혹은 서지 등의 입력에 대하여 별도대책이 필요하다.

ㅇ온도의 영향을 받기 쉽다.

ㅇ적용시 신중해야 한다.

ㅇ진동에 대한 충격이 작으므로 내진설계시에 가장 적당하다.

NPN형 트랜지스터

즉, 베이스에서 에미터에 충분한 전류를 흘리면 계전기 X가 동 작하여 콜렉터 - 에미터 간이 ON 상태가 된다.