전기안전관리_015_수배전설비 - 보호계전기

출처 : 한국전기기술인협회 전기안전관리교육 특별과정

 

1. 보호계전기 개요

1) 보호계전기는 수배전설비와 각종 전력설비에 발생한 고장을 신속하게 제거하고 섧비의 안전운전과 고장설비의 손상을 경감 하는 것을 목적으로 설치하는 중요한 기기이다.

 

2) 보호계전기를 장기간 사용하면 구성부품의 열화고장에 의한 기능저하로 인하여 오동작 또는 오부동작 등이 발생하여 전력계통의 파급사고와 중대한 지장으로 복구에 막대한 비용이 소요된다.

- 보호계전기의 오동작

사고가 아닌데도 계전기가 동작하면 정전과 함께 정보통신설비, 컴퓨터의 다운 및 생산라인의 정지 등 큰 손실이 발생한다.

- 보호계전기의 오부동작

사고가 발생하였으나 동작하지 못하게 되는 경우 파급사고 인하여 동일 계통에 연결된 아파트, 빌딩, 공장, 상가 등 광범위에 악영향이 미치고 복구에 막대한 시간과 비용이 소요된다. 오동작 보다는 오부동작이 더욱 피해가 크다.

 

3) 보호계전기는 정상시에는 자곧하지 않고 고장시에만 동작하는 기기로 예방보전의 중요성을 인식하고 일상점검 및 정기점검 실시 등 보수점검의 안전관리는 매우 중요하다.

 

2. 보호계전기 구성과 동작특성

1) 보호계전기 구성

(1) 유도형 보호계전기

정정치 이상의 전류(전압)가 흐르면 자속에 의해 토크(Torque)가 발생하고 이 토크가 원판을 회전시키게 되며 회전하는 원판에 있는 접점이 고정 접점에 접촉하는 순간 개방신호가 발생되고 이 신호에 의해 차단기가 동작한다.

- 탭(Tap)

계전기의 동작치를 조정하기 위하여 계전기 내부의 보조변류기나 변성기에 여러개의 단자를 내는데 이 단자를 탭이라 한다.

- 레버 (time adjusting Lever)

반한시계전기의 동작시간 조정용 기구로서 유도원판의 축에 고정되어 있다. 레버를 조정하면 고정접점과 가동접점의 간격이 변화되어 계전기의 동작시간이 변화된다. 일반적으로 레버에는 0.5 ~ 10 까지의 눈금이 표시되어 있으며 0.5에 조정 시 고정접점과 가동접점의 사이가 가까워져 동작시간이 짧게 되고 10에 조정 시는 두 접점 사이의 간격이 멀어져 동작시간이 가장 길게 된다.

유도형 보호계전기

(2) 디지털 보호계전기

- 동작시간 계산에 오차가 거의 없을 뿐만 아니라 샘플링 된 자료를 이용하여 다양한 기능을 구현

- 부피가 작다는 장점이 잇으며 특성곡선도 함수로 가지고 있기 때문에 한 계전기에 여러 개의 곡선을 내장하고 있어 사용자가 임의로 선택 가능

- 디지털 계전기의 복귀시간은 아날로그 계쩐기와는 달리 거의 0 이므로 (고장 제거 즉시 복귀) 계전기와의 보호협조 검토 시 진행율과 복귀율을 다질 필요가 없으며, Lever값을 아무리 적게 해도 진동으로 인해 오동작 하는 일이 없다. 

(단, 아날로그 계전기에 비해 디지털계전기는 서지(surge)에 취약하다)

 

디지털 보호계전기

2) 보호계전기 동작특성

모든 보호계전기는 입력요소 종류에 관계없이 대체로 동작특성이 반한시 (Normal Inverse or Standard Inverse), 강반한시 (Very Inverse), 초반한시 (Extrim Inverse)가 있다.

- 정한시 : 입력이 있으면 항상 정해진 시간에 동작

- 반한시 : 입력량이 클수록 빨리 동작, NI, VI, EI 등

- 순시 :설정된 입력량에서 즉시 고속동작 (50ms 이내), 정한시(Definite)등

3. 보호계전기 안전관리

1) 보호계전기 공통사항

(1) 보호계전기의 파손이나 오손 여부를 확인한다.

(2) 보호계전기의 동작표시가 작동되어 있지 않은지 확인한다.

- ICS (Indicating Contact Switch unit) 한시 동작표시

- IIT (Indicating Instantaneous Trip unit) 순시 동작표시

(3) 계전기의 작동에 필요한 제어전압이 정상인지 확인한다.

(4) 전기설비의 용량이나 특성에 맞게 보호계전기의 동작치 (전류,전압 등) 가 정정되어 있는지 확인한다.

(5) 전기설비 고장발생시 계전기가 작동하여야 할 시한 (순시 및 한시) 이 바르게 정정되어 있는지 확인한다.

(6) 부하의 불평형, 변성기 접속회로 접촉불량 확인 점검 (OCGR  오동작)

 

2) 보호계전기 종류별 특징 비교

- 아날로그 계전기와 디지털 계전기 비교

구분	아날로그계전기 (전자기계식 계전기)	디지털 계전기
복귀시간	Lever값에 비례함	복귀시간 개념 없음 (고장제거 즉시 완전 복귀)
관성시간	감안해야 함 (0.03~0.06초)	관성시간 개념 없음
진동에 의한 오동작	Lever값이 너무 적을 경우 오동작 가능성 있음	진동에 의한 오동작 가능성 없음

구분	아날로그형		디지털형
	전자기계형	정지형
사용소자	가동철심, 유도원판 유도환, 유도원통	트랜지스터 OP앰프, 다이오드	마이크로 프로세서 LSI / IC
동작원리 및 검출기능	전자력 기계적응동 기계적, 구조적 특성 제약	TR증폭, 스위칭 작용 입력 크기/위상 판단 다요소 조합 다특성	마이크로 프로세서 연산으로 크기&위상 판단
내환경성	잡음 영향 작다 진동에 약함	소세력 신호 회로 사용 디지털과 동일 대책 필요	디지털 신호 오부호 발생 방지대책 필요
변성기 부담	높음	중간	낮음
자동점검 및 상시기능	없음	없음	있음
성능	저속도, 단일기능	고감도, 고속도, 다기능	고감도, 고속도, 다기능 기록(Record) 기능
신뢰성	낮음	높음	높음
보수성	정기검검 필요	정기점검 필요	자동점검기능 있음 정기점검 필요
표준화	일부 가능	계전기 특성에 따라  하드웨어가 다름	적용범위의 확장성이 큼 (하드웨어, 소프트웨어)
장치규모	대형	중간	소형

 

3) 보호계전기 관련 용어

• 순시 (Instantaneous) :일반적으로 일정입력(200%)에서 0.2초 이내로 동작하는 경우
• 한시 (Time Delay) :반응시간이 느려지도록 지연한 동작으로 동작특성에 따라 다음과 같이 구별

      - 정한시형 : 입력의 크기에 관계없이 정해진 한시에 동작하는 것

      - 반한시형 : 입력이 커질수록 짧은 한시에 동작하는 것

      - 반한시성 정한시형 : 입력기 커질수록 짧은 한시에 동작하나 입력이 어떤 범위를 넘으면 일정시한에 동작하는 것

      - 계단한시형 : 입력의 일정범위별로 일정한시에 계단식으로 동작

• 동작치 (Tap) 정정 : 전기설비의 용량이나 특성에 맞게 보호계전기의 동작치(전류, 전압 등) 가 정정되어 있는 지 확인
• 부담 : 계전기 입력회로의 임피던스를 말하며 소비VA, 소비전력, 부담 임피던스 중의 하나로 표시한다. 부담을 나타낼 때에변류기를 사용하는 전류회로와 계기용변압기를 사용하는 전회로의 부담은 정격치 소비전력으로, 그 외의 회로부담은 부담 임피던스로 표시함을 원칙으로 한다.
• 공칭치 : 제작자가 표시한 계전기 특성의 기준치를 말한다. 일반적으로 응동을 나타내는 용어와 조합하여 사용한다. (예: 공칭 동작치, 공칭 동작시간)
• 정정 (Setting) : 보호계전기가 보호할 구간에서 어떠한 이상상태가 발생했을 때 이를 적절히 동작하도록 조정장치 (Tap, Lever 등) 에 의하여 동작기준치를 정하는 것을 말하며, 조정장치로 정정된 동작기준치를 정정치 (Setting Value)라 하고 계전기의 정정할 수 있는 동작기준치의 범위를 정정 범위라 한다.
• 정동작 : 계전기가 동작하여야 할 경우에 동작하는 것.
• 정부동작 : 계전기가 동작하지 않아야 할 경우에 동작하지 않는 것
• 오동작 : 계전기가 동작하지 않아야 할 경우에 동작하는 것
• 오부동작 : 계전기가 동작하여야 할 경우에 동작하지 않는 것.
• 시동 : 계전기를 동작시키는 방향으로 입력이 변했을 때, 원위치에 가동부가 움직이기 시작하여 기능에 변화가 생기는 것
• 동작 :  계전기가 소정의 책무를 수행하는 것
• 지지 (Holding) : 계전기의 가동부가 동작 후 그대로 동작기능을 유지하는 것.
• 석방 (Release) 계전기의 가동부가 동작상태에서 원 위치방향으로 움직이기 시작하여 동작시의 기능에 변화가 생기는 것
• 픽업 (Pick-Up) : 계전기의 가동부가 입력 0 인 위치에서 입력을 가했을 때의 다른 최종위치 까지 이동하는 것.
• 복귀 (Drop Out or Reset) : 계전기가 픽업 후의 위치에서 입력 0인 위치까지 이동하는 것.
• 부동 (Floating) : 계전기의 가동부가 동작 또는 복귀행정의 도중에 정지하여 계전기의 기능이 불안정 하게되는 현상.
• 잠동 (Creeping) : 두개의 입력의 곱으로 구동력이 생기는 계쩐기에서 그 중 한쪽만의 입력으로 가동부가 구동되는 현상.
• 반동 (Rebound) : 접점의 폐로 또는 개로시 접점이 불필요하게 개폐를 반복하는 현상.
• 동작시간 : 입력이 동작치를 넘는 순간부터 계전기가 동작한 때까지의 시간.
• 복귀시간 : 입력이 복귀치를 넘는 순간부터 계전기가 복귀한 때까지의 시간.

4) 보호계전기 점검 포인트

- 접점 접촉면의 육안점검

- 접점의 복귀

- 회전원판의 변형, 편심 (철심, 자석의 간격)

- 제어 스프링의 변형, 변색

- 가동부의 마찰, 상하의 유도, 이물질의 혼입

- 외부 접속단자의 온손, 변색

 

5) 보호계전기 부품 수명

보호계전기는 동작대기 상태에 있기 때문에 기계적 마모에 의한 열화는 없지만, 온도 (6~10℃ 상승시 내구성 반감), 습도, 화학반응, 진동, 충격, 과전류 및 써지전류 등의 설치환경에 따라서는 부품의 열화가 촉진되는 경우가 있다.

- 접점 : 15년

- 코일 : 15년 ~ 30년

- 저항기 : 15년 ~ 20년

- 콘덴서 : 15년

- 반도체 : 15년

- 배선기재 : 15년

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4. 보호계전기 정정

1) 정정지침 (한국전력공사)

구분	용도		동작치 정정	비고
OCR	단락 보호	한시 요소	- 최대계약전력 (설비용량)의 150~170% - 전기로, 전철 등 변동부하는 200~250%	- 최대 수전변압기 2차 3상 단락시 0.6초 이하 - 최소 고장 전류에 동작
		순시 요소	- 최대 수전변압기 2차측 3상 단락전류의 150% 이상 (필요시 150~250%)	- 최대 고장전류에서 0.05초 이하
OCGR	단락 보호	한시 요소	- 최대 수전변압기 정격전류의 30% 이하 - 3상 불평형 전류의 1.5배 이상	- 완전 지락시 0.2초 이하 - 최소 고장전류의 1/1.5 이하에 동작
		순시 요소	- 최대 부하전류의 300% 이상에 정정	- 순시
OVR	과전압 방지		- 정격전압의 130%	- 정정치의 150% 전압에서 2초 정도로 정정
UVR	저전압 또는 무전압 방지		- 정격전압의 70%	- 정정치의 70% 전압에서 2초 정도로 정정
SGR	지락보호		- 표준규격의 경우 별도의 정정을 요하지 않음
OVGR	지락보호		- 수용가 모선 1선 완전지락시 계전기에 인가되는 최대 영상전압의 30% 이하 - 상시 최대 영상잔류전압의 150% 이상	- 한시 정정은 모선 1선 완전지락시 2~3초

 

2) 유도형 보호계전기의 Lever값 결정

(1) 보호장치 동작시간 확인 

Relay의 특성곡선은 X좌표는 %Current값, Y좌표는 보호계전기의 동작시간 (Second Cycle)으로 구성되어 있고 X좌표 눈금은 Log값이다. 따라서 X좌표는 Pick-up전류에 대하여 보호해야 할 고장전류의 백분율(%)을 X좌표로 하여 정하여진 Lever곡선과 만난점에서 Y좌표를 읽으면 그 고장점에서 응동하는 Relay의 동작시간이 된다.

 

(2) 보호계전기의 Lever값 결정방법

특성곡선 상에서는 보호계전기의 제작사의 사양에 따라 계전기가 갖고 있는 동작특성을 적절한 몇가지의 한시 요소값, 즉 Lever값은 이 특성곡선을 근거로 하여 보호계전기 정정지침에 따라 결정한다.

 

(3) 계전기의 Pick up 전류에 대한 Relay 의 설치점 고장전류의 백분율(%)값을 특성곡선의 X좌표 값으로 하고 Y축의 값은 수전설비:0.6초로 하여 구한 교점을 (X1, Y1)라  하면, 이 점에서 X축으로 수직의 발을 내려 직선상의 LEver곡선과 만난점을 (X2, Y2)라 하고, 직하의 Lever곡선과 만난점은 (X3, Y3)라 하면 세점 사이의 이동비례계수 a를 아래와 같이 구할 수 있다.

이동비례계수 a = (X2-X1) / (X3-X1)

 

(4) 점 (X1, Y1)의 직상 Lever곡선의 각 점과 직하 또는 직상의 Lever곡선의 각 점을 이동비례계수 a값 만큼 비례로 Y축에 평행하게 이동시키면 구하고자 하는 Lever곡선이 되며 이 새로운 Lever곡선이 X = 2,000%인 점과 만나는 점에서 이동비례계수 a를 기준으로 Lever값을 읽으면 정정예정 Lever값이 된다.

 

3) 디지털 보호계전기의 Lever값 결정

(1) 동작특성과 레버 정정식

- 정반한시 : SI 적용

적용 : 과전류 (50/51), 지락과전류(50/51N), 지락과전압(64), 역상과전류(46)

한시 정정레버 TL : 0.05~1.2 (단, 지락과전압, 역상과전류 : 0.05~1.0)

Relay  특성값 C : 0

(I / Is) = (동작전류 / 정정값), (V / Vs) = (동작전압 / 정정값)

 

t= {0.14/(I/Is)^0.02 - 1} X TL + C

 

적용 : 과전압 (59)

 

t= {0.14/(V/Vs)^0.02 - 1} X TL + C 

 

- 강반한시 - SI 적용

적용 : 과전류 (50/51), 지락과전류(50/51N), 지락과전압(64), 역상과전류(46)

한시 정정레버 TL : 0.05~1.2 (단, 지락과전압, 역상과전류 : 0.05~1.0)

Relay  특성값 C : 0

(I / Is) = (동작전류 / 정정값), (V / Vs) = (동작전압 / 정정값)

 

t= {13.5/(I/Is) - 1} X TL + C

 

적용 : 과전압 (59)

 

t= {13.5/(V/Vs) - 1} X TL + C 

 

(2) 보호계전기의 동작 특성을 결정하고 정해진 레버 정정식에 대입하여 TL을 구한 다음, 보호계전기의 정정 레버 범위에서 결정한다.

 

4) 보호계전기 정정예

가. 기초데이터

(1) CT DATA : 40/5 [A]

      PT DATA :  22900/√3  :  190/√3

(2) RELAY DATA : GIPAM 2000FI (LS 산전)

보호요소	동작구분		정정범위	동작시간 특성		비고
				정정범위	특성
OCR (50/51)	순시 요소	LOW Set	OFF, 0.5~32In/0.1In	30~250ms	정한시
		HIGH Set
	한시 요소	LOW Set	OFF, 0.10~5.00In/0.01In	0.05~ 1.20/0.01 0.05~300.00s/0.01s	반한시 정한시	SI, VI, EI, LI, DT
		HIGH Set	OFF, 0.10~10.00In/0.01In
OCGR (50/51N)	순시 요소	LOW Set	OFF, 0.1~8In/0.02In	40~250ms/5ms	정한시
		HIGH Set
	한시 요소	LOW Set	OFF, 0.02~2.00In/0.01In	0.05~ 1.20/0.01 0.05~300.00s/0.01s	반한시 정한시	SI, VI, EI, LI, DT
		HIGH Set	OFF, 0.1~2.00In/0.01In
UVR (27)	한시요소		OFF, 0.20~1.00Vn/0.01Vn	0, 0.05~10.0s/0.01s	정한시	Vn = 110V

(3) CALCULATION DATA

- TR 3상 22.9kV 1,250kVA

- 정격전류 = 1250 / (√3 x 22.9) = 31.5 [A]

- 변압기 여자돌입전류 = 31.5 x 10 = 315A for 0.1Sec

- 변압기 1차 3상 단락전류 = 7,000 [A]

- 변압기 2차 3상 단락전류 = 20,000 [A]

- 1선 지락전류 = 500 [A]

 

나. OCR CALCULATION

(1) 한시 TAP

정격전류의 150%에 동작하도록 정정값 선정

TAP = 최대전류 x 1.5 x (1/CT 1차) / 5 = 3.5 x 1.5/40 = 1.18  ∴ TAP = 1.18In

Pick up current = 1.18 x 40 (CT 1차) = 47.2 [A]

 

(2) 한시 LEVER

변압기 2차 3상 단락 고장시 0.6초 이하에서 동작특성과 레버 정정

TR2차 최대3상 단락전류를 1차로 환산 값 = 20,000 x (0.38/22.9) ≒ 331.9 [A]

TR 1차 단락전류에 0.6sec 이내 동작하도록 선정

동작특성 선정 : VI

 

T = {t x (I/Is - 1)} /13.5 =  {0.6 x (331.9/47.2 -1)} / 13.5 ≒ 0.27    ∴ LEVER=0.27

 

(3) 순시 TAP

변압기 1차측 단락사고에 동작하고 2차측 단사고 및 여자돌입전류에  동작하지 않도록 TR 2차 3상 단락전류의 150%에 정정

TAP : TR 2차 3상단락전류 x (2차전압/1차전압) x 1.5 x 1/변류비

= 331.9 x 1.5 / 40 ≒ 12.4    ∴TAP=12.4In

Pick up current = 12.4 x 40 (CT 1차) = 496 [A]

동작시간 선정 : High(40ms 이하 동작)

 

다. OCGR CALCULATION

(1) 한시 TAP

정격전류의 30%에 정정

정격전류 x 0.3 x (1/CT1차) = 31.5 x 0.3 / 40 ≒ 0.24    ∴ TAP = 0.24In

Pick up current = 0.24 x 40 (CT 1차) = 9.6 [A]

동작시간 선정 : VI

 

(2) 한시 LEVER

수전보호구간 최대 1선 지락전류에서 0.2초 이하에 동작특성과 동작 배수 정정

계전기 설치점 최대 1선 지락전류 = 500 [A]

G = (500/9.6) ≒ 52 이나 계전기 최대값이 20 이므로 20으로 한다.

T ={ t x (G-1)}  / 13.5 = {0.2 x (20-1)} / 13.5 ≒ 0.28    ∴ LEVER=0.28

 

(3) 순시 TAP

돌입, 불평형전류에 오동작하지 않는 최소치에 정정 (한시정정값의 10배)

31.5 x 0.3 x 10 / 40  ≒ 2.36   ∴ TAP = 2.36In

Pick up current = 2.36 x 40  = 94.4 [A]

 

라. UVR CALCULATION

(1) 한시 TAP

Drop-out Voltage는 정격전압의 70%에 Setting    ∴ TAP=0.7Vn

정격전압 x 0.7 = 110V x 0.7 = 77 [V]

 

(2) 한시 LEVER

Operationg time은 Drop-out의 70%에서 2sec로 조정한다.    ∴ LEVER=2sec

동작시간 : Definite Time      ∴ Curve = DT

 

전기안전관리_014_수배전설비 - 변압기 (TR)

 

전기안전관리_016_수배전설비 - 전력용 콘덴서