보호계전기 정정 기준
보호계전기 정정 기준
1. 목적
전력계통을 구성하고 있는 각종 전력설비는 자연에 노출되어있어 사고의 위험이 있으며, 지중화 또는 옥내에 설치되어있는 전력설비도 전기적, 기계적 강도 및 절연계급 등이 일정 한도로 제한되어 있어 사용 시간이 누적되면서 열화 되어 사고를 일으키게 되며 보호계전기는 전력계통을 구성하고 있는 전력설비를 감시하여 단락 또는 지락고장 등의 이상현상 및 절연 파괴 등과 같은 고장이 발생하거나 전력계통에 이상이 발생했을 때 이를 검출하여 고장 부분을 최단 시간 내에 계통으로부터 분리함으로써 전력공급 지장을 최소화하고 아울러 전력설비의 손상을 억제하기위한 것이다.
2. 관련규정 및 기준
(1) 한국전력 송변전 기준서 (송변전 보호A 01/보호 01-1)
(2) 전기설비 기술기준 및 판단기준
(3) IEEE std-141-1993 Recommended practice for Electric power Distribution for Industrial plants.
(4) IEEE std-C.37.010-1979 Application Guide For AC High-voltage Circuit Breakers Rated on A Symmetrical Basis
(5) IEC 60255-3 Electrical Relay - Part3
(6) ES 5945-0001 한전표준규격 과전류계전기
(7) KS C IEC 60850 2002 Railway applications-supply voltages of traction systems
3. 일반사항
일반적으로 보호계전기가 고장을 감지하여 작동을 시작하는 값과 고장구간을 구별하기 위해 동작시간 등을 결정하는 것을 보호계전기 정정이라 하고 여기서 결정된 값을 정정치라고 한다. 따라서 보호계전기는 적정 정정치로 조정되어 있을 때 그 본래의 의무인 최적의 감시 및 고장구간 분리 기능 수행을 다하게 된다. 전력계통 내에서 보호계전기에 의하여 고장 부분 또는 고장 구간을 판별하는 방법은 고장전류, 전압 크기 및 위상각, 시간, 방향비교, 차동 및 로직에 의존하게 된다.
1) 보호계전기 협조
보호계전기 협조는 전력계통에 발생한 고장을 검출하여 정확히 해당설비 또는 해당 구간을 판단하도록 인접 설비 또는 인접 구간 보호계전기와 서로 협조되도록 정정치 및 동작시간을 인접한 보호계전기 또는 연관된 보호계전기 즉, 전위 및 후위 보호계전기와 비교하여 결정함으로써 인접한 보호계전기와 함께 고장구간을 정확하게 구분할 수 있도록 하는 것을 뜻한다.
2) 보호계전기 정정
보호계전기 정정 계산서에는 CT비 선정 내역과 보호계전기 정정 근거를 제시하여야 한다. TC(시간-전류)곡선에는 보호계전기 동작 특성 곡선, 변압기 정격 및 돌입 전류 및 고장전류(3상단락 및 1상지락 고장전류)를 표시하여 협조의 적정성을 용이하게 판별할 수 있게 한다. 보호계전기 정정표에는 보호계전기 형식, 정정범위, 정정치, CT 및 PT비 및 관련 배전반 이름을 명시하여 현장에서 보호계전기 정정 작업을 용이하게 수행할 수 있게 한다.
3) 보호계전기 정정이 필요한 경우
일반적으로 전력계통 신설 및 변경의 경우 보호계전기 정정이 필요하다. 다음은 보호계전기를 최적의 상태로 운영하기 위하여 보호계전기 정정이 필요한 경우를 나열한 것이다. 오늘날 보호계전기 협조(Protective device coordination)는 프로그램을 이용하는 것이 일반화되어 있는 추세이다. 특히, 보호계전기 협조를 정확히 용이하게 판단할 수 있는 TC곡선을 보호계전기 협조 프로그램으로 작성하는 것이 바람직하다. 보호계전기 협조 프로그램은 필요 충분한 데이터베이스가 구축되어 있어 이를 활용하도록 하며, 새로운 보호설비의 경우는 이를 데이터베이스에 이용자가 추가하여 구축할 수 있어야 한다.
(1) 전력설비(발전기, 변압기, 송배전선, 모선, SC, SR등) 신․증설시
(2) 전력계통 구성이 변경되었을 때
(3) 전력계통 운전 모형이 변경되었을 때
(4) 계전기용 변성기(CT, PD 또는 PT) 교체 또는 변압, 변류비 변경시
(5) 송배전선로 교체시 및 부하 증가시
(6) 배전반 및 계전기 대체시
(7) 보호계전기 오동작 및 부동작이 있을 때
(8) 기타 필요하다고 인정되는 변동 사항이 있을 때
4. 보호계전기의 선정
1) 보호계전기 선정상 고려사항
(1) 보호대상의 정상상태의 전압, 전류, 역률 및 고장시의 전압, 전류, 역률과 그것의 분포상태를 계산하고 그 계산치에서 계전기입력을 전압 및 전류변성기의 변성비에 의해 환산하여, 고장검출에 필요한 계전기의 최소감도 및 동작정정 범위를 정하여 그것에 적합한 것일 것.
(2) 변전소 내에는 물론 전원측 변전소와 관련하여 상호 과전류 및 동작시한정정(動作時限整定)에 대하여 보호협조를 갖도록 할 것.
(3) 계전기 및 공용계기의 소비전력을 계산하여 계전기의 검출감도를 만족하고 또한 과전류강도도 지장을 주지 않는 PT, CT를 사용할 것.
(4) 송전, 수전, 변성기계의 과부하, 단락, 접지보호에는 일반적으로 과전류계전기(순시요소 부착)를 사용하지만 특수한 송수전계통의 경우 다음 사항을 검토한다.
① 병행회선 및 전원이 양단에 있는 경우
방향요소부 병형(並衡)보호방식 혹은 파일럿계전방식의 채용
② 과전류계전기에 한시협조가 어려운 경우
전압제어부 과전류 또는 거리계전방식의 채용
2) 수전선로 보호
한국전력공사의 전철 급전용 송전선은 각 회선마다 단락 및 지락보호용 과전류 계전방식을 채택하고 있으며, 또한 지락과전압계전기 및 부족전압계전기도 설치되어 있다. 과전류계전방식은 상시 부하전류와 고장시 전류와의 차이를 이용하여 보호계전기의 최소 동작 전류치와 동작시간을 선정하여 이를 적절히 조정하여 고장설비를 선택 차단한다. 과전류 계전방식의 특징은 장치가 간단하고 가격이 저렴하나 고장전류 크기가 변하는 경우 즉 배후 전원 용량, 전원계통구성이 변하는 경우에는 정정을 다시 하거나 보호계전기를 특성이 다른 것으로 바꾸어야 한다.
3) 급전용 변압기 보호
급전용 변압기 보호에는 크게 전기적인 보호장치와 기계적인 보호장치로 구분되며 변압기의 사고는
- 권선의 단락 및 층간 단락
- 권선과 철심간의 절연파괴에 의한 지락
- 고저압 권선의 혼촉
- 권선의 단선
- 기타 부싱 불량, OLTC의 고장 등이 있다.
이들 사고에 대해 보호장치는 내부사고를 정확히 구분 검출하고 부하상태, 외부구간 고장시 및 변압기 여자 돌입전류 등에 오동작하지 않도록 한다.
전기적 보호장치
주보호 | 후비보호 | 비고 | |
1차 | 2차 | ||
단락보호,지락보호 비율차동방식 | 단락보호 과전류방식 지락보호 지락과전류 | 단락보호 과전류방식 |
|
(주) 1. 보호용으로 사용하는 비율차동 계전기는 3권선용을 사용하며, 보호구간은 72.5kV 가스절연개폐장치의 변압기용 차단기 1차측까지 포함되도록 하며, 여자 돌입전류에 의한 오동작을 방지하기 위하여 고조파 억제부형으로 한다.
2. 변압기 1차측에 사용하는 과전류 계전기는 순시요소부이며 2차측에 사용하는 과전류계전기는 한시형으로 한다.
변압기의 기계적 보호장치
보호계전기 | 적용 | 동작조건 |
브흐홀쯔 계전기 | 내부의 경미한 고장에 따라 발 생하는 절연유의 분해가스 검출 내부의 중대한 사고에 의한 절 연유의 급격한 이동 검출 | 가스량이 300 ～ 350 ㎤ 이면 경보 유 속 이 100 ± 15 ㎝/ sec이면 차단 |
충격압력 계전기 | 내부 중대사고에 의한 유 또는 가스 압력 변화 검출 | 최저동작압력치 : 539Pa/s 압력변화에 따른 동작시간 : 9800Pa/s 0.25초, 0.025초 |
방압장치 | 내부 중대사고시 이상 압력에 의한 이동막 동작 | 동작압력 : 68.6±6.86kPa |
권선 온도계 | 온도상승 검출 | 팬제어:65℃,경보:95℃,차단:110℃ |
유면계 | 유면저하 검출 | 유면계기판의 Lo, Hi에서 경보 |
절연유 온 도계 | 온 도 상 승 검출 |
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4) 교류급전계통의 보호
교류급전방식은 급전전압이 높고 부하전류와 사고전류차가 커서 선별이 용이한 반면 부하전류가 많은 고조파 성분이 포함된 왜형파이기 때문에 여러 가지의 오동작 방지 대책이 필요하다. 교류급전방식에서의 전기기관차는 사이리스터 혹은 정류기형으로 그 운전전류에는 고조파가 포함되어 있다. 전기기관차가 급전선의 절연구간을 지날 때 흐르는 과도돌입전류에도 평상시 운전전류에서 보다 높은 제3고조파가 포함되며 변전소의 고속도 차단기가 투입될 때 변압기의 여자전류에도 큰 직류성분과 제2고조파가 포함된다. 고장시 전류 증가치는 전기기관차의 운전 전류의 증가치와 다르며 또한 전자는 주로 정현파인 반면 후자는 제2, 제3고조파가 포함된 전류이기 때문에 교류 급전 고장선택계전기는 이를 이용하여 사고전류와 부하전류를 구별한다. 따라서 사고전류가 최대 부하전류보다 적은 경우에도 이를 감지할 수 있다.
(1) 거리계전기(21F)는 급전회로의 임피던스에 비례하여 동작하는 계전기로서 지락, 단락 보호용으로 회선마다 설치한다.
(2) 고속도단락계전기(50F)는 급전거리가 비교적 짧은 경우 등에 설치한다.
(3) 급전고장선택계전기(50F △I형)는 전류의 변화분에 의해 동작하기 때문에 거리계전기의 후비보호로 설치한다.
(4) 애자의 섬락사고 등에는 고장전류를 차단에 의한 아크의 소멸로 절연이 회복시 재급전이 가능하게 되는 경우가 많기 때문에 교류재폐로계전기(79)를 채용한다. 그 재폐로시간은 0.8초로 한다.
(5) 급전회로의 정전시 경보 및 차단기 개방을 위하여 저전압계전기(27)를 사용한다.
보호계전기 적용 요약
구분 | SS | SP | SSP (PP) | 비고 |
□ 수전측 |
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1) 저전압 보호(27) | ○ |
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| 수전측 저전압 발생시 기기보호 |
2) 과전류 보호(50/51) | ○ |
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| 수전반 과부하, 고장으로부터 계통 보호 |
3) 지락과전류보호(50/51N) | ○ |
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| 수전반 지락 고장전류로부터 계통 보호 |
□ 변압기측 |
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1) 과전류 보호(50/51) | ○ |
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| 변압기 1차측 또는 2차측의 과부하로부터 계통보호 |
2) 저전압 보호(27) | ○ |
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| 급전측 저전압 발생시 기기 보호 |
3) 과전압 보호(59) | ○ |
|
| 회생과전압의 변전소 인입 검출 |
4) 지락전압보호(64) | ○ |
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| 급전측 비접지계통의 지락검출용으로 사용 |
5) 비율차동보호계전기(87) | ○ |
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| 변압기1,2차의 전류차를 이용한 변압기 보호 |
6) 지락과전류보호(50/51N) | ○ |
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| 변압기1차측의 지락 고장전류로부터 계통 보호 |
□ 급전측 |
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1) 저전압 보호(27) | ○ | ○ | ○ | 급전측의 저전압 발생시 기기보호 |
2) 과전류 보호(50/51) | ○ | ○ |
| 급전게통의 과 부하, 고장 으 로부 터 개통 보호 |
3) 거리 보호기능(21) | ○ | ○ |
| 단락보호 및 고장구간 확인 |
4) 재폐로 계전기(79) | ○ |
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| 순간고장시 차단기 자동투입 |
5) 저전류 보호기능(37) |
| ○ |
| R-C 뱅 크 저항이 끊 어 져 전류가 흐르 지 않음 을 검출 |
6) 지락과전류 보호계전기(51N) |
| ○ |
| R-C 뱅 크 콘덴 서 단락시 저항에 과 전류 흐름 방지용 |
7) 비율차동보호계전기(87) |
| ○ | ○ | 몰 드 A T 보호용 |
5) 보호계전기 선정상 참고사항
우리나라 철도 전력 계통 구성이 일본과 유럽의 전력 계통 중 일부씩을 서로 조합하여 구성한 새로운 형태이므로 보호계전시스템 선정과 적용에는 일본제품 또는 유럽제품의 어느 제품도 서로 맞지 않는 부분이 있다. 현재 국내에 설치되어 있는 외국의 3개사 보호 계전기의 특성에는 아래 표와 같은 몇 가지 중요 차이가 있다.
보호계전 시스템
제조회사 | Siemens | ICE | Mitsubishi |
거 리계전기 보호특성 | 부 채꼴 -3구역 | 4변형-3구역 | 4변형- 1구역 |
거 리계전기 저항정정 | 리 액턴 스와 동일 | 2 정도를 추천 | 10정도를 추천 |
△I 계전기 요소(50F) | 없음 | 없음 | 있음 |
선로사고시 변압기 보호 | 없음 | 없음 | 있음 |