비접지계 지락보호방식

왜 배우는가: 비접지 계통은 1선 지락 시에도 송전을 계속할 수 있어 배전계통에 널리 쓰인다. 지락 검출 방식과 계전기 구성은 보호 선택성과 정정에 직결되어 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제98회 4교시 1번, 제90회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비접지계 지락보호방식은 지락 시 나타나는 영상전압과 영상전류를 검출해 고장 방향을 판정하고, 사고 회선만 선택 차단하는 방식이다.

지락 보호를 설명할 때 쓰는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 비접지계통: 변압기 중성점을 대지에 직접 접속하지 않은 계통
• 영상전압: 세 상 대지전압의 벡터합에서 얻는 영상분 전압
• 영상전류: 세 상 선로전류의 벡터합에서 얻는 영상분 전류
• GPT: 접지형 계기용 변압기, 영상전압을 얻는 기기
• 영상변류기(ZCT): 영상전류를 검출하는 변류기
• 선택지락계전기(SGR): 사고 회선만 선택 차단하는 방향성 지락계전기
• 지락방향계전기(DGR): 과전류 지락계전기에 방향성을 준 계전기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 비접지 계통은 중성점을 땅에 붙이지 않은 전력 계통이다. 한 상이 땅에 닿아도 지락 전류가 되돌아올 직접 경로가 없다. 지락 전류는 각 선로와 대지 사이 정전용량을 통해 흐르는 충전전류뿐이어서 크기가 매우 작다. 그래서 전류 크기만 보는 보호로는 고장을 가려내기 어렵다.

정식 정의는 다음과 같다. 비접지 계통에서 지락 고장이 나면 계전기 설치점에 영상전압과 영상지락고장전류가 나타난다. 이 두 값을 검출하고 위상 관계로 고장 방향을 판정하여 사고 회선만 차단하는 방식이다. 영상전압은 모선의 GPT 3차 권선을 개방델타 결선하여 얻고, 영상전류는 각 선로에 설치한 ZCT로 얻는다.

원리의 핵심은 고장 회선과 건전 회선의 영상전류 방향이 반대라는 점이다. 고장 회선에는 나머지 건전 회선의 충전전류가 모여 흐른다. 그러므로 고장 회선의 영상전류는 건전 회선과 반대 방향을 가진다. 계전기는 이 방향차를 영상전압을 기준 위상으로 삼아 판별한다. 영상분의 관계는 다음과 같다.

$3\dot V_0=\dot V_a+\dot V_b+\dot V_c$

여기서 \dot V_0는 영상전압, \dot V_a,\dot V_b,\dot V_c는 각 상의 대지전압이다. 정상 상태에서는 세 상 벡터합이 0이고, 1선 지락 상태에서는 0이 아니게 된다.

보호계전 시스템은 세 부분으로 나뉜다. 검출부는 ZCT와 GPT로 영상전류와 영상전압을 얻는다. 판정부는 두 값의 크기와 위상차로 방향을 판단한다. 동작부는 판정 결과에 따라 차단기 트립 회로를 구동한다.

• 영상분(零相分): 세 상 벡터의 합을 3으로 나눈 대칭분이다. 크기와 위상이 모두 같은 성분이다.
• 고장검출계전기: 단독으로 차단하지 않고 보조회로를 기동시킨다. 최소 고장에도 확실히 동작해야 한다.
• 소세력계전기: 작은 입력으로 동작하는 계전기의 통칭이다. 유도원판형 지락과전류계전기가 대표적이다.

3. 등장 배경과 필요성

비접지 방식은 1선 지락 시에도 선간전압이 그대로 유지된다. 그래서 고장이 나도 송전을 계속할 수 있고, 보수 시간을 확보할 수 있다. 이것이 배전계통에서 비접지 방식을 택하는 가장 큰 이유다. 다만 지락 시 건전상의 대지전압은 상전압보다 크게 상승하므로 절연 부담이 커진다.

문제는 보호에 있다. 지락 전류가 충전전류 수준으로 작으므로 일반 과전류계전기(OCR)나 지락과전류계전기(OCGR)로는 검출이 어렵다. 계통이 길어져 대지정전용량이 커지면 충전전류가 늘어난다. 이때는 정정값을 정하기도 까다로워진다. 전류 크기만으로 판단하면 건전 회선까지 차단할 위험도 있다.

또 다회선 배전선에서는 고장 회선을 찾아야 한다. 전류 크기만으로는 어느 회선이 고장인지 알 수 없다. 사고 회선만 골라 차단하려면 방향성이 필요하다. 그래서 영상전압을 기준 위상으로 삼고 영상전류의 방향을 판단하는 방향 지락 방식이 도입되었다.

방향 판단이 가능해야 1선 지락 상태에서도 고장 회선만 분리하고 나머지 건전 회선은 계속 운전할 수 있다. 즉 공급 신뢰도와 보호 선택성을 함께 확보하는 것이 필요성이다. 한편 비접지 방식은 계통이 확장되어 충전전류가 커지면 선택성이 떨어지는 한계가 있다. 이 한계 때문에 중성점 접지 방식과의 비교가 함께 필요하다. 그 비교는 관련 개념에서 다룬다.

필요성 요약

비접지 계통 지락보호는 송전 연속성, 충전전류에 따른 검출 한계, 다회선 선택성이라는 세 요구가 만나서 생겼다. 영상전압과 영상전류의 방향성 판정은 이 요구를 함께 해결하기 위한 수단이다.

4. 구성요소·원리·절차

비접지계통(Ungrounded System)의 지락보호는 영상전압과 영상전류를 함께 검출해 사고 회로만 골라 차단하는 방식이다. 중성점을 대지에 직접 연결하지 않으므로 지락 전류는 선로의 대지정전용량을 통해 흐르고, 크기가 작다. 따라서 과전류 계전기만으로는 검출이 어렵고, 방향성을 가진 선택지락계전기(SGR) 가 핵심 기기가 된다.

비접지 계통에서 지락이 발생하면 고장상 대지전위가 낮아지고, 건전상 대지전압이 상전압보다 크게 오른다. 이때 모선에는 영상전압이 나타나고, 고장 회선의 ZCT에는 고장 회선 자신의 충전전류가 흐른다. 건전 회선의 ZCT에는 자신의 대지정전용량 전류만 흐른다. SGR은 영상전압이 정정값 이상일 때 영상전류의 방향을 판단해 고장 회선만 동작시킨다.

지락 검출 원리는 다음과 같다.

• 영상전압 V_0 는 모선 GPT 개방 델타 단자에서 얻는다.
• 영상전류 I_0 는 회선별 ZCT에서 얻는다.
• 고장 회선의 I_0 는 모선 쪽을 향하고, 건전 회선의 I_0 는 선로 쪽을 향한다.
• 두 전류의 위상 차이로 고장 회선을 판별한다.

지락 고장 전류는 다음과 같이 근사한다.

$I_g \approx 3\omega C_s E\,\text{[A]}$

여기서 \omega 는 각주파수(rad/s), C_s 는 1상당 대지정전용량(F), E 는 상전압(V)이다. 계통 전체 충전전류가 크면 지락 전류가 커져 검출이 쉬워진다.

보호 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 지락 발생으로 모선 영상전압이 상승한다.
• GPT 개방 델타 단자 전압이 SGR 정정 전압 이상이 된다.
• 회선별 ZCT가 영상전류를 검출한다.
• SGR이 영상전압과 영상전류의 위상으로 방향을 판정한다.
• 고장 회선의 SGR만 동작해 해당 차단기를 개방한다.
• 고장 회선이 제거되면 계통이 정상 상태로 복귀한다.

비접지 계통은 고장이 있어도 즉시 차단하지 않고 경보만 울리는 운용이 가능하다. 다만 지락 상태가 길어지면 건전상 전압 상승과 간헠 아크로 인한 이상전압이 생기므로, 일정 시간 내에 고장 회선을 차단하는 것이 원칙이다.

5. 관련 법령·기준·표준

비접지계 지락보호는 전기설비 기술기준과 내선규정, 한국전기설비규정(KEC)의 접지 및 보호 관련 조항에 따른다. 법령은 설비 목적과 기술 기준을 정하고, 세부 수치는 제조사 규격과 설계 기준을 함께 따른다. 기준값은 다음 표로 정리한다.