1)목적
- 전기설비의 보호란 전력설비의 이상상태 발생 및 파급을 방지
- 단락 지락사고가 거의 대부분이고 발생한 사고를 신속히 검출 제거함으로써 설비의 파괴와 사고의 파급을 최소한으로 줄이고 복구를 용이하게 하기위하여 각종보호계전 시스템을 적용
2)기능
- 계통의 사고에 대해여 보호대상물을 완전히 보호하고 각종 계기에 주는 손상을 최소화
- 사고구간을 고속도로 선택 차단하여 파급을 최소화
- 불필요한 정정시간을 방지하여 전력계통의 안정도를 향상
기본기능과 구성
1)기본기능
- 신뢰성(정확성)
이상 시 정확히 검출하여 제거하며 오동작을 일으키지 않는다. - 선택성
선택 차단및 복구로 정전구간을 최소화하는 기능을 가져야 한다 - 신속성
이상 시 신속히 동작하여 사고구간을 최소화 하는 기능을 말한다
2)기본구성
- 검출부
고장구간의 고장전류 및 전압을 검출하는 구성부로 CT, VT(PT), ZCT, GPT(GVT)등의 변성기류 등이 있다. - 판정부
검출된 고장치의 동작 여부를 결정짓는 요소로 반발스프링 억제코일, 전압, 전류법 등이 이에 해당된다. - 동작부
검출과 판정을 거쳐 작동 지시치에 도달할 경우 접점을 여닫는 구동을 하는 구조로서 가동코일, 가동철심, 유도원판 등이 있다.
보호계전기의 전용과 사용기준
1)적용 시 고려사항
- 대상설비의 위치
- 대상설비의 종류
- 대상설비의 계통에서 중요도
- 대상설비의 계통적 상호 협조
2)적용의 원칙
- 사고 범위의 국한과 공급의 확보(선택성)
- 보호의 중첩과 협조(신뢰성)
- 후비보호기능의 구비(후비성)
- 재폐로에 의한 계통 및 공급의 안정화(안전성)
보호계전기의 분류
1)동작구조(원리)별 분류
- 가동 철심형
플런지형
힌지형
발란스 빔형 - 유도형
유도원판형, 유도원통형, 유도원환형 등이 있으며, 유도원환형은 Torque발생효율이 높아 방향계전기에 많이 사용한다 - 가동코일형(특징)
직류에만 응동하는 계전기이다.
동작값과 복귀값의 차이가 적다
동작시간 정정변경이 용이하다
Torque 발생효율이 낮아 접점 압력변경이 작다 - 정지형
트랜지스터형, 전자빔형, 자기증폭형,홀효과형이 있으며 트랜지스터형이 많이 사용되고 있다
스위칭이 고속이다
고장전류에 의한 고조파의 영향, 서지에 대한 별도의 대책이 필요하다
온도의 영향을 받기 쉽다.
반한시성을 가진 계전기로는 사용 불가능하다.(조합하여 사용) - Digital형
최근에는 고급 수변전설비에 적용되는 계전기로 동작속도가 빠르고 오작동이 없으나 비싼 결점이 있다
2)동작시한별 분류
- 한시(순시=고속도)
응동시간에 대하여 특히 고려하지 않는 경우로 정정된 최소 동작치 이상이 되면 즉시 동작한다
일정입력(200%)에 0.2초 이내에 동작한다
- 정한시
입력크기와 관계없이 정해진 한시에 동작한다.
- 반한시
입력이 커질수록 짧은 한시에 동작하면, 계전기의 동작입력이 증가함에 따라 동작시간이 단축된다.
- 반한시정한시
계전기의 동작 입력이 커질수록 짧은 한시에 동작하나 입력이 어떤 범위를 넘어서면 한시에 동작한다.
- 계단한시형
계전기 조합형으로 입력전류가 일정한 범위마다 정한시 특성을 지니게 한다.
3)보호계전기의 종류
- 과전류계전기(OCR)
수전단에 가장 많이 채용하는 계전기로 CT에서 검출된 과전류에 의하여 동작하는 계전기 - 과전압계전기(OVR)
배전선로에서 이상전압이나 과전압 내습 시 PT에서 검출된 과전압에 의하여 동작하는 계전기 - 부족전압계전기(UVR)
배전선로에서 순간정전이나 단락사고 등에 의하여 전압강하 시 PT에서 이상 저전압을 검출하여 동작하는 계전기 - 전력계전기(PR)
무효전력, 연전력을 검출하여 동작하는 계전기 - 접지계전기(GR)
배전선로에서 접지고장에 대하여 보호동작을 하는 것을, 영상전압과 대지충전전류에 의하여 동작하는 계전기 - 방향성 선택접지계전기(SGR)
비접지 선로에서 OCR과 조합하여 지락에 의한 고장전류를 GPT와 ZCT등을 이용, 검출하여 한 방향으로만 (선로->대지)동작하도록 한 접지계전기 - 비율차동계전기(Differental Relay)
변압기나 조상기의 내부 고장 시 1차와 2차의 전류비 차이로 동작하는 계전기로 3000[kVA] 이상의 대용량 변압기에 채용
정지형 계전기
1)기본구성 및 원리
정지형 계전기는 반도체 소자, 저항기, 콘덴서 등을 사용한 전자회로로 구성되며
VT, CT의 2차전압, 전류를 입력으로 그것의 크기 위상차를 검출하여 판정, 동작하는 시스템이다.
2)종류
- 정류형 계전기
- 정지형 단입력계정기
전압이나 전류만의 입력으로 판정하며, 과전압, 부족전압계전기가 이에 해당한다
- 정류형 복입력계전기
전압이나 전류의 상호 연관으로 판정, 파정회로는 단입력계전기와 동일하다.
- 정지형 단입력계정기
- 위상검출형 계전기
둘 또는 그 이상 되는 전기량의 위상차를 검출하여 작동 판정하며, 방향계전기 및 거리계전기에 적용
3)특성
- 소비전력이 매우 작다
- 스위칭이 고속이다
- 소형컴팩트화되어 래크에 설치가 가능하다
- 진동, 충격에 강하여 내진설계에 적당하다
- 고조파, 서지, 노이즈에 약하다
- 온도의 영행을 많이 받는다
디지털 계전기
1)기본구성 및 원리
- 기본구성
- 입력변환부
VT, CT로부터의 입력을 +-5~10[V]의 전압값으로 변환하는 설비 - 필터 : 높은 주파수 대역의 성분을 제거하거나 중첩에러방지 역할을 한다
- S/H : 신호갑을 일전 시간 간격으로 샘플링하고 A/D변환이 완료될때까지 데이터를 보존함
- 다중화기 : 신호값을 입력받아 이것을 시분할시켜 다른 장치로 보내주는 설비
- A/D변환기 : 전압, 전류의 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 설비
- 연산처리부, RAM, ROM 정전기억부
- 연산처리부 : 마이크로프로세스 유닛으로 롬에 저장되어있는 보호계전기의 프로그램을 수행하는 설비
- 롬 : 연산처리부에서 수행하여야 하는 보호계전 프로그램을 저장하는 설비
- 램 : A/D변환기에 의한 전압, 전류의 데이터를 임시로 저장하는설비
- 정정치 기억부 : 계전기 동작에 필요한 정정치를 기억하는 설비
- 입력변환부
- 동작원리
- 디지털 릴레이의 기본개념은 샘플링이며 CT에서 얻은 아날로그 전류를 일정 간격으로 디지털 신호로 변환함
- 이들 디지털 변환값은 마이크로프로세스에 입력되어 연산처리를 수행함
2)종류
- 연산형 계전기
입력량을 주기적으로 샘플링하여 양자화된 디지털량을로 변환후 프로그램에 의해 연산처리 - 간이구성연산기
연산형과 동일한 동작원리이고, 회로를 간소화시킨 계전기 - 계수화
입력량을 디지털화하여 계수처리 - Scanner형
3)특성
- 소비전력이 작고 CT, PT의 부담도 줄일 수 있다
- 소프트웨어에 따라 다양한 보호방식을 구성한다
- 소형 컴팩트화하고, 신뢰성이 높다
- 자기진단기능, 컴퓨터 연결기능 등이 있어 융통성이 크다
- 고조파, 노이즈, 서지 등에 대한 대책을 강구해야 한다
보호계전기 서지보호대책
1)개요
- 전력계통 설비에서는 이상전압에 대하여 피뢰기의 보호 레벨을 기준으로 하는 절연협조방식이 확립되어 있으나
- 저압제어회로의 보호에는 피뢰기가 설치되어 있지 않아 불량 동작에 의한 신뢰성 저하뿐만아니라 부품 소손에 대한 적절한 대책을 세워야 한다
2)서지발생원인
- 내부서지
- 보호계전기의 개폐
보호계전기의 개폐에 의한 서지로 이상동작발생 및 부품소손가능성이 있다 - D-D컨버터의 스위칭 잡음 등
- 보호계전기의 개폐
- 외부서지
- 뇌 서지
외부 낙뢰에 의한 서지 침입에 의한 이상동작 발생 - 사고전류 서지
사고전류(단락, 지락 등)에 의한 이상동작 발생 - 개폐 서지 등
- 뇌 서지
3)서지의 침입경로
- 접지망의 전위상승에 의한 서지의 침입
낙뢰 및 피뢰기의 방전전류가 접지계통에 침입하면 접지망의 국부적인 전위상승으로 서지가 침입한다 - PT, CT를 통한 2차 회로에 침입
PT, CT1차 측에 뇌 및 사고전류에 의하여 계통의 서지가 PT, CT등의 전자이행으로 2차 회로에 서지가 침입한다
- 코일단자회로에서 다른 회로에 침입
CB, DS의 조작코일, 계전기코일 등 코일단자에 생긴 서지가 계전기에 침입한다 - 전자유도에 의한 저압케이블에 침입
DS, 개폐기 등의 재점호에 의한 진동전류가 흘러서 전자유도작용으로 저압케이블에 서지가 침입한다 - 제어전원에서의 침입
D-D컨버터의 스위칭 잡음, 전원선의 R-L부하변동에 의한 전압강하등이 제어전원 회로에 서지가 침입한다
4)대책
- PT, CT의 정전차폐
다음 그림과 같이 PT, CT 1차와 2차 권선 간에 정전차폐판을 설치하여 대지로 접지하여 이상서지를 방지한다
- 라인필터
라인필터는 제어전원회로의 극 간 및 접지 간에 침입하는서지를 제거하기 위하여 제어전원선을 끊고 그 자리에 접속한다
- 리미터
CT, PT 입력회로의 극 간에 침입하는 과대한 서지에서 접지회로를 보호하기 위하여 사용한다
- 스파크 킬러
보호계전기 코일에 인가한 전압을 개방할 때 계전기코일에 축전된 에너지가 방출하면서 높은 서지가 발생하는 것을 방지하기 위하여 코일과 병렬로 스파크 킬러를 접속하여 보호대책을 달성한다
- 배선의 분리
전선 A나 전선 B의 거리는 크게하거나 전선 B를 대지에 가깝게 하여 CA를 적게 하고 CB를 크게하여 노이즈 이행을 저감시킨다
- 접지회로의 강화
접지모선의 길이 및 전선을 굵게 하여 임피던스를 낮게 한다
아날로그 및 디지털 계전기 특성 비교
| 구분 | 전자기계형 | 정지형 | 디지털정지형 |
|---|---|---|---|
| 입력전송 | 아날로그 전송 | 아날로그 전송 | 아날로그 전송 및 디지털 전송 |
| 입력전환 | 권선에 의한 전자유도 | 정류기에 의한 직류 변환 리미터에 의한 방형파 변환 | 아날로그에서 디지털로 변환 |
| 사용소자 | 가동철심, 유도원판,유도환,유도원통 | 트랜지스터, 다이오드 등 | 마이크로프로세서 등 |
| 동작원리 및 검출기능 | 전자력에 의한 기계적 응동 기계적 구조적 특성의 제약 | TR의 증폭, 스위칭 작용을 이용해서 합력의 크기/위상판단 동작 다요소 조합에 의거 다각형특성 실현 가능 | 디지털 양을 정해진 프로그램에 의거 마이크로프로세서로 계산하여 크기 및 위상을 판단 |
| 내환경성 | 잡음 영향이 적음 진동에 약함 | 소세력 신고회로 사용으로 디지털 경우와 동일한 대책 필요 | 디지털 신호 오부호 발생 방지대책 필요 |
| 변성기 부담 | 높음 | 중간 | 낮음 |
| 자동점검 및 상시기능 | 없음 | 없음 | 있음 |
| 성능 | 저속도, 단일기능 | 고감도, 고속도 | 고감도, 고속도, 다기능 |
| 신뢰성 | 낮음 | 높음 | 높음 |
| 보수성 | 정기 점검 필요 | 점기 점검 필요 | 자동 점검기능 있음 정기 점검 필요 |
| 표준화 | 곤란 | 계전기 특성에 따라 하드웨어가 다름 | 적용범위 확장성이 큼 |
| 장치규모 | 대형 | 중형 | 소형 |
정정
1)정의
- 보호계전기가 보호할 구간에서 어떠한 이상 상태가 발생하였을 때 이에 적절히 동작하도록 조정장치(Tap, Lewer 등)에 의하여 동작 기준치를 정하는 것을 말한다
- 조정장치로 정정된 동작기준치를 정정치라고 한다
2)정정의 원칙
- 보호계전기 Setting은 사고발생시에 사고의 근원을 신속히 제거하여 건전부분의 불피요한 차단을 피하기 위하여 고장 시 동작하는 계전기들 상호 간의 협조를 도모하여야 한다
- 변성기나 차단기의 특성 또한 본래 동작해야 할 주보호계전기 혹은 차단기가 오동작 할 경우의 후비보호를 포함하여 검토해야 한다
- 사고지점별 단락 지락전류를 정확히 예측계산하여 Setting하여야 한다
3)보호계전기별 정정치
(22.9[kV-Y]에서 유도형 계전기 동작시한 정정방법)
4)보호설비별 보호계전기 정정
- 수전회로 변압기 보호
| 단락 보호 정정 | 한시Tap : 수전계약 최대 전류의 150%에 정정 한시Laver : 수전변압기 중 가장 큰 용량의 변압기 2차 3상 단락전류에 0.6초 이내에 동작하도록 선정 순시Tap : 수전변압기 중 가장 큰 용량의 변압기 2차 3상 단락전류의 150~200%에 정정 |
| 지락 보호 정정 | 한시Tap : 수전계약전력의 30% 이라로서 평시부하 불평형전류의 1.5배 이상에 정정 한시Laver : 수전보호구간 최대 1선 지락 고장전류에서 0.2초 이하로 선정 순시Tap : 후위계전기와 협조가 가능하고 최소치에 정정 |
| 부족전압 보호 정정 | 한시Tap : 정격전압의 70% 정도에 정정 한시Laver : 정정치의 70% 전압에서 2.0초 정도로 조정 |
| 과전압 보호 정정 | 한시Tap : 정격전압의 130%에 정정 한시Laver : 정정치의 150% 전압에서 2.0초 정도로 조정 수전회로용 보호계전기 정정 |
- 수전변압기 2차 회로 정정
| 단락 보호 정정 | 한시Tap : 변압기 2차 정격전류의 150%에 정정 한시Laver : 변압기 2차 모선 3상 단락전류의 0.4~0.6초에 선정 순시Tap : 분기Feeder사고에 불필요한 오동작을 하지 않도록 순시 제거 |
| 지락 보호 정정 | 계통접지방식에 따라 다르며 직접접지계통의 경우 한시Tap : 변압기 2차 정격전류의 30%이하에 정정 한시Lever : 수전보호구간 최대 1선지락 고장전류에서 0.2초 이하에 선정 순시Tap : 분기 Feeder사고에 불필요한 오동작을 하지 않도록 순시 제거 저항접지계통의 경우 한시Tap : 동일계통에서 단계별로 최대 지락전류의 30%,20% 10% 5% |
- 콘덴서 보호계전기 정정
| 단락 보호 정정 | 한시Tap : 콘덴서 정격전류의 120~130%에 정정 한시Laver : 돌입전류에 동작하지 않는 최소치에 선정 순시Tap : 콘덴서 투입 시 돌입전류에 오동작하지 않는 최소치에 정정 |
| 지락 보호 정정 | 계통접지방식에 따라 다르며 배전선 지락보호계전기 정정과 같으며, 말단부하이므로 오동작하지 않는 최소치에 정정 |
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