보호계전기 - 전력시설물 감리 - 1

1. 개요 (기능 및 시스템 구성)

가. 보호계전시스템의 구성

  ▣ 보호계전기는 보호대상 및 보호방식에 따라 구성요소 및 적용방법이 다름

  ▣ 일반적 구성

    ⊙ 검출부 : 고장판단에 필요한 전압 · 전류를 필요한 크기로 변성

        - CT, VT, ZCT, GVT 등

    ⊙ 판정부 : 고장유무를 판정하는 보호계전기

       - 각종 보호계전기류 : OCR, OCGR, OVR, UVR, SGR 등

    ⊙ 동작부 : 고장구간을 계통으로 부터 분리하는 차단기

나. 보호계전 시스템의 구성

 

 

다. 보호계전기 역할

  ▣ 전력계통의 안정유지 도모

    ⊙ 전력계통 확대                          ⊙ 서비스 요청의 고도화

  ▣ 전력계통의 환경변화에 따라 보호계전기의 역할도 변천

    ⊙ 사고의 제거 → 대정전 예방 (탈조, 주파수 저하의 방지)

라. 사고의 제거

  ▣ 전력설비의 특징

    ⊙ 넓은 지역적 분포

    ⊙ 뇌풍우 등 자연현상

    ⊙ 설비의 과부하, 절연파괴

        ⇒ 사고를 신속히 차단해야 함

  ▣ 사고의 고속차단 필요성

  [단락사고] ⊙ 사고점 뿐만 아니라 부근의 설비에도 과대전류로 손상될 우려

                  ⊙ 발전기들이 탈조될 우려

  [지락사고] ⊙ 직접접지의 경우 단상단락이므로 단락사고와 같은 영향

                  ⊙ 고저항접지나 비접지의 경우 고장 기간이 건전상의 대지 전위 상승으로 단락사고로 이어질 가능성

  [단선사고] ⊙ 결상으로 인한 문제 파급

  ▣ 최소범위의 정전

    ⊙ 사고점에서 가까운 차단기로 사고를 제거

        - 선택성을 가져야하고 보호협조가 이루어져야 한다.

  ▣ 사고복구의 신속화

    ⊙ 사고가 발생하면 보호계전기가 동작하여 사고설비 계통을 신속히 분리하고 사고 파급시 사고 전원을 제한하고 부하를 제한해

         야 한다.

  ▣ 사고범위의 설정

 

    ⊙ 고장전류를 차단하는 것은 차단기 사이에 끼어 있는 범위가 사고 제거의 최소 분리 범위가 됨

       ※ 예를 들어 송전선 사고가 발생하면 송수전단 차단기로 확실하게 제거

    ⊙ 각 보호범위마다 1조씩 보호계전기가 설치됨

       ※ 주의할 것은 차단기와 변류기의 위치 관계에 따라서 보호 맹점이 생길 수 있음

​

2. 보호계전 방식 (주보호, 후비보호)

가. 보호범위와 CT의 위치

  ▣ CB와 CT의 위치에 따른 보호범위

 

    ⊙ 제2방법은 CT가 차단기 전단에 있고 제3방법은 CT가 차단기 후단에 있어 보호맹점이 발생할 수 있음

  [보호계전방식]

  ▣ 주보호 : 전력설비에 사고가 발생하게 되면 1차적으로 가장 가까운 차단기가 차단되어 사고를 신속히 제거하는 것

  ▣ 후비보호 : 주보호 계전기가 여러가지 원인으로 사고 제거에 실패할 경우 사고를 제거하기 위해 설치하는 계전기

  ▣ 주보호와 후비보호는 동작시간의 차이를 두어 보호협조가 이루어져야 함

  [사고제거의 시간관계]

 

  ▣ 보호협조가 잘되지 않으면 필요 최소한의 CB차단으로 사고 제거 불가 → 정전범위 확대

  ▣ 사고발생 → 보호계전기 동작 → CB 개방 → 아크 소멸 → 재폐로 지령

 

나. 보호계전기 기본회로

 

  ① 보호계전기는 VT와 CT를 통해 계통의 전압 전류의 정보를 받아 동작

  ② 사고가 검출되면 최종적으로 차단기의 트립코일에 지령을 주는 접점 개폐

  ③ 트립코일에 흐르는 전류(수~수쉽A)가 계전기의 제어접점으로 끊기 어려움

        ⇒ 차단기의 보조접점 52a로 CB 차단 후  트립코일에 흐르는 전류를 끊음

  ④ 차단기의 1차측에 CT(Current Transformer)를 설치하여 부하측과 차단기 주위를 보호범위로 함

[후비보호 계전기]

 

  ▣ 후비보호 계전기 기본회로

 

    ⊙ 변압기 1차측 F1에서 사고가 발생한 경우 주보호 87계전기와 OC2가 작동하지 않는 경우 OC1이 후비보호를 하게된다.

    ⊙ 차단기 2차측 F2에서 사고가 발생한 경우 OC4, OC6이 주보호를 하게 되는데 이들이 작동하지 않는 경우 OC2와 OC5가

         후비보호를 하게 된다.

 

다. 주보호 후비보호 한시차 계전방식

 

  ▣ 주보호 계전기의 역할 : OC3 이후 사고는 OC3가 담당, OC2와 OC3 사이 사고는 OC2가담당

       후비보호 계전기 역할 : 각각 OC2, OC1이 담당

  ▣ 자가용설비의 방사상 계통에 적절한 방식

​

3. 보호계전방식 (계전기 특성)

가. 코일의 종류

전류코일(Current Coil)	전압코일(Voltage Coil)	동작코일 (Operation Coil)
⊙ 전류 입력 ⊙ 코일 단면적 大 ⊙ 권수 적음 ⊙ 임피던스 小	⊙ 전압입력 ⊙ 코일 단면적 小 ⊙ 권수 많음 ⊙ 임피던스 大	⊙ 동작력 발생 ⊙ 주로 전류 코일 ​ ​
억제코일(Restrain Coil)	지지코일(Holding Coil)	복귀코일 (Reset Coil)
⊙ 억제력 발생 ⊙ 주로 전류 코일 또는 전압코일	⊙ 동작상태 유지   (동작상태를 유지하기 위한 입력)	⊙ 복귀 입력 ⊙ 폐쇄형 계전기      (Keep Relay Lock Out Relay)
세이딩코일(Shading Coil)	제어코일(Control Coil)	저지코일 (Blocking Coil)
⊙ 자극면 분할 ⊙ 지속의 위상차를 발생	⊙ 입력 가감 ⊙ 특성 조절	⊙ 동작저지      (동작 저지를 위한 입력)
차동코일(Differential Coil)	극성코일(Polarizing Coil)	극코일 (Pole Coil)
⊙ 복수의 입력 ⊙ 차동자속 발생	⊙ 극성 판정 ⊙ 동작방향이나  극성을 판정	⊙ 위상차 ⊙ 주자속과 위상차를 갖는 자속 발생

나. 접점 용량

  ▣ 폐로용량 : ⊙ Making Capacity

                       ⊙ 접점을 폐로할 수 있는 부담의 한도

                       ⊙ 보증하는 조건과 전압에서 폐로할 수 있는 전류 또는 VA로 표시

  ▣ 개로 용량 : ⊙ Breaking Capacity

                        ⊙ 접점을 개로할 수 있는 부담의 한도

                        ⊙ 보증하는 조건과 전압에서 개로할 수 있는 전류 또는 VA로 표시

                        ⊙ 폐로용량 보다는 작음

  ▣ 통전용량 : ⊙ Current Carying Capacity

                       ⊙ 보증하는 조건에서 통전부가 정해진 온도상승 한도를 넘지 않는 전류의 한도

                       ⊙ 통전허용시간에 따라 연속 통전용량 및 단시간 통전용량으로 나뉨

다. 접점의 형태

  ▣ a접점 : ⊙ Making Contact, Normal Open Contact

                  ⊙ 계전기 입력이 인가되지 않을 때 열려 있는 접점

  ▣ b접점 : ⊙ Break Contact, Normal Closed Contact

                  ⊙ 계전기 입력이 인가되지 않을 때 닫혀 있는 접점

  ▣ c접점 : ⊙ Change Over Contact

                  ⊙ 상시 개로단자, 상시 폐로단자 및 공통단자를 갖는 접점

                  ⊙ a접점과 b접점을 공통단자를 통해 공유하는 접점

  ▣ L접점 : ⊙ Overlap Contact

                  ⊙ 계전기의 동작 또는 복귀과정에서 일시적으로 a접점과 b접점이 동시에 폐로상태가 되는 접점을 총칭

다. 응동특성

시동 (Start)	동작 (Operate)	지지 (Holding, Engage)
⊙ 가동부 가동 ⊙ 가동부가 움직이기 시작 ​ ​	⊙ 책무수행 ⊙ 정지 ⊙ 경보 ⊙ 신호발생	⊙ 기능유지 ⊙ 가동부가 동작 후 기능을 유지 ​
석방 (Release, Disengage)	픽업 (Pick-Up)	복귀 (Drop out, Reset)
⊙ 동작상태 복귀 ⊙ 가동부가 동작상태에서 복귀방향으로	⊙ 최종 위치 이동 ⊙ 가동부가 입력 0에서 최종위치까지 이동	⊙ 0위치 복귀 ⊙ 가동부가 픽업위치에서      입력 0위치까지 이동
부동 (Floating)	잠동 (Creeping)	오버리치 (Overreach)
⊙ 불안전상태 ⊙ 가동부가 동작 또는 복귀 행정 중 정지	⊙ 한쪽 입력 동작 ⊙ 두입력 계전기 ⊙ 한쪽 입력만으로 가동부 구동	⊙ 정정범위초과 ⊙ 거리계전기 동작범위가      정정범위 초과
언더리치 (UnderReach)	관성동작 (Over travel, Over Shoot)	반동 (Rebound)
⊙ 정정범위 미달 ⊙ 거리계전기 동작범위가 정정범위 미달 ​ ​	⊙ 관성의해 동작 ⊙ 짧은 시간 · 큰 입력 관성력으로 동작 ​ ​	⊙ 개폐반복 ⊙ Chattering 불필요한 개폐       반복, 접촉부 진동 짧은 주기 ⊙ Bouncing      가동부 진동 긴주기

라. 응동시간, 응동속도

  ▣ 동작시간 : ⊙ Operating Time

                       ⊙ 입력이 동작치를 넘는 순간부터 보호계전기가 동작할 때까지의 시간

  ▣ 복귀시간 : ⊙ Reset Time

                       ⊙ 입력이 복귀치로 복귀된 순간부터 보호계전기가 복귀할 때까지의 시간

  ▣ 순시(Instantaneous) :

     ⊙ 인위적으로 시간적인 조치를 추가하지 않는 경우의 응동 특성

      ⊙ 일정 입력 (200%)에서 0.2초 이내에 동작하는 경우

 

  ▣ 고속도 (High Speed)

      ⊙ 이동시간이 빨라지도록 특히 고려한 경우의 응동 특성

​  ▣ 한시 (Time Delay) : 응동시간이 늦어지도록 고려한 경우의 응동

 

마. 계전기 복귀 방법

  ▣ 자기복귀 : ⊙ Self Reset

                       ⊙ 동작 후 입력이 복귀치가 되면 자공으로 복귀하는 것

  ▣ 수동복귀 : ⊙ Manual Reset

                       ⊙ 동작 후 계전기를 수동으로 복귀시키는 것

  ▣ 전기복귀 : ⊙ Electrical Reset

                       ⊙ 동작 후 복귀를 목적으로 외부에서 전기입력을 변화시켜 계전기를 복귀하는 것

 

4. 분류 (전자기계형/정지형/디지털형)

가. 보호계전기의 형태별 비교

구분	전자기계형 電磁機形 Electro-mechanical type	정지형 靜止形 Solid State Type	디지털형 Digital Type
입력	아날로그	아날로그	디지털
동작원리	기계적 흡입력, 회전력	트랜지스터의 증폭 스위치 적용	프로그램, 마이컴으로 계산
사용소자	가동철심, 유도원판	트랜지스터, OP엠프, 다이오드	마이컴, IC, LSI, S/H, A/D
성능크기	저속도, 저기능 大	고감도, 고속도 中	고감도, 고속도, 고기능 小
신뢰성 보수성	낮음 정기점검필요(경년변화)	높음 자동점검, 정기점검	높음 자동점검 (무보수)

나. 전자기계형 계전기

 

 

  ▣ 전자기계형 계전기의 공통특징

    ① 가동부의 마찰과 관성 등의 영향

          - 감도 제한, 일정하지 않은 동작속도, 보호협조 어려움

    ② 외부서지나 잡음 등에 대해 강함

    ③ 가동부가 있어 진동에 대해 취약함

    ④ 자기진단 기능이 없음

    ⑤ 정기적인 성능 시험 필요

         - 가동부의 윤활상태, 온습도의 영향 등

    ⑥ 전자력을 이용하여 동작

         - VT, CT의 부담이 큼

    ⑦ 보조전원(DC 전원)이 필요 없음

 

  ▣ 가동철심형 보호계전기

   ⊙ 교류, 직류 양용으로 사용할 수 있음

   ⊙ 코일이 감긴 고정철심에서 생긴 자계를 코일이 없는 가동철심에 작용시켜 흡입력으로 접점을 개폐하는 구조

   ⊙ 가동 메커니즘에 따라 플런저형, 힌지형, 밸런스빔형, 유극형으로 구분

[플런저형]

 

[힌지형]

 

[밸런스빔형]

 

[유극형]

 

▣ 전자유도형 보호 계전기

  ⊙ Arago 원판의 원리 이용

 

  ⊙ 코일을 적당히 배치하고 전류를 흘림으로써 자계를 얻음

  ⊙ 단일 입력을 쓰는 경우 : 위상차가 있는 2개의 자속을 만들어 계전기에 가해야 함

        (셰이딩 코일, 분산형 코일)

  ⊙ 2입력의 경우 : 적산 전력계와 같은 원리 · 구조인 전력계형으로 제작

▣ 전자유도형 보호 계전기

 

다. 정지형 보호계전기

 

▣ 정지형 보호계전기

  ⊙ 주로 트랜지스터에 의해 입력 전기량의 크기의 비교 또는 위상 비교를 해서 그 결과에 따라 출력을 냄

  ⊙ 전기적 출력을 적당한 가동철심형의 보호계전기에 주어 최종 출력을 접점의 개폐로 얻음

 

▣ 전자부품을 이용한 정지형 계전기

  ① 가동부가 없는 구조이므로 감도가 높음

  ② 입력에 대해서 일정한 동작속도를 얻을 수 있음

  ③ 동작속도가 빠름

  ④ 연속적인 동작특성을 구하기는 어려움

  ⑤ 외부 영향을 쉽게 받을 수 있으므로 케이블 차폐 및 내부 보호회로 설계에 유의

  ⑥ 추가적인 하드웨어 설치로 자기진단 기능을 부분적으로 구비

  ⑦ 아날로그 전자회로의 시간경과에 따른 부품의 특성 변화가 성능에 영향을 미칠 수 있음

  ⑧ 전자부품을 사용하므로 VT, CT의 부담은 줄일 수 있으나 보조전원(DC전원)이 필요

 

라. 디지털 보호계전기

  ▣ 전력계통의 확대 및 복잡화

  ▣ 종래의 보호 계전기술(전자기계형/정지형)로는 해결 불가

  ▣ 새로운 보호 계전 기술 요구

  ▣ 고성능 · 다기능화 되어 있을 뿐만 아니라 신뢰성, 안전성, 보수의 편리성을 갖춘 디지털 계전기의 적용 · 보급 확대

  [디지털 보호계전기의 기본 구성 블록도]

 

    ⊙ VT, CT 입력과 전자회로 간 절연

        ⇒ 큰 입력신호를 전자회로에 적당한 값으로 변환하는 입력 변환기

        ⇒ 입력 Filter ⇒ 고조파 제거

    ⊙ S/H

       - 아날로그 값을 일정시간 간격으로 샘플링하여 그 값을 홀딩

       - 입력신호마다 각각 구비

    ⊙ 멀티플렉서

       - 각 입력 채널의 샘플링 홀드 회로 출력을 시분할하여 A/D(Analog/Digital)변환기에 전달

    ⊙ A/D변환기

      - PT, CT 에서 입력되는 아날로그 신호를 디지털로 변환

      - 12Bit 정도의 A/D 변환기 사용

    ⊙ 디지털 연산처리부

      - 제어, 보호 연산을 수행

      - 계전기 동작 판정

      - RAM, ROM, CPU 및 DI, DO 등으로 구성

  ▣ 디지털형 보호계전기 특징

    ① 고성능 다기능화

       ⊙ 디지털 연산 / 메모리 기능

    ② 장치의 소형화

      ⊙ 마이크로 컴퓨터

      ⊙ LSI 소자의 고집적화

    ③ 고신뢰도화

      ⊙ 자동점검 / 상시 감시 / 고장, 이상 발견

    ④ 융통성 (개선 · 변경 용이)

      ⊙ 메모리 변경

      ⊙ 하드웨어 변경 ×

    ⑤ 표준화 용이

      ⊙ 다양한 보호방식

      ⊙ 하드웨어 변경 ×

    ⑥ 저부담화

      ⊙ 입력변환기 공용 / 변성기 부담 저감

 ▣ 디지털형 보호계전기 단점

   ⊙ 써지 노이즈 (반도체 소자)

      - 고온, 저온

        ⇒ 오, 부동작

        ⇒ 항온 · 항습대책

   ⊙ 변환 오차

      - 샘플링 오차

      - A/D 변환 오차

      - 스케일 범위 오차 (디지털 부호 비트수)

   ⊙ 부품의 진부화

      - 반도체 기술 발전

      - 현 구성품 진부화

   ⊙ 응급복구

      - 하드웨어 고장시 응급 복구 곤란

   ⊙ 원인 규명

      - 프로그램 ⇒ 문제발생시 원인규명이 어려움

   ⊙ 단자처리

      - 이면 배선

      - 배전반 축소화

       ⇒ 단자처리 복잡

        ※ 이러한 단점에도 불구하고 디지털형의 보급이 일반화되고 있는 추세임

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