지락보호방식

왜 배우는가: 지락보호방식은 중성점 접지 방식에 따라 지락전류의 크기와 검출 방법이 달라지므로 전력계통 보호 설계의 출발점이다. 영상변류기(ZCT)와 지락 계전기의 원리는 3회차 기출에 반복해서 나왔고, 중성점 접지 방식별 차이를 묻는 문제가 많다.

출제 이력: 제123회 4교시 2번, 제115회 3교시 1번, 제99회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지락보호방식은 중성점 접지 방식에 따라 달라지는 지락전류를 영상분(零相分) 전류·전압으로 검출하여 지락 고장 회선만 선택 차단하는 보호 방식이다.

지락보호는 영상전류·영상전압을 검출하여 지락 회선을 차단하는 보호다

핵심 키워드

• 지락사고(Ground Fault): 충전부가 대지 또는 접지체에 접촉하여 흐르는 고장.
• 영상분(Zero-sequence component): 3상 불평형 성분 중 크기와 위상이 같은 성분으로 대지로 돌아오는 전류.
• 영상변류기(ZCT, Zero-Phase Current Transformer): 3상 전선을 한꺼번에 관통시켜 영상전류를 검출하는 변류기.
• 선택지락계전기(SGR, Selective Ground Relay): 영상전압과 영상전류의 방향을 비교해 고장 회선만 차단하는 계전기.
• 중성점 접지 방식: 직접접지, 저항접지, 비접지 등 지락전류 크기를 결정하는 계통 접지 방식.
• 방향성 지락계전기(DGR, Directional Ground Relay): 과전류 지락계전기에 방향성을 부여한 계전기.
• GPT(Ground Potential Transformer): 모선의 영상전압을 검출하는 계기용 변압기로 3차 권선을 개방 델타 결선한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 3상 회로에서 한 상이 땅과 붙으면 세 상의 전류 합이 0이 아니게 된다. 이때 남는 전류가 영상전류다. 영상전류를 찾아내면 지락이 일어났다는 것을 알 수 있다.

정식으로는 대칭분법에서 영상분 I_0=\frac{1}{3}(I_a+I_b+I_c) 로 정의된다. 정상 상태에서는 3상 전류 합이 거의 0이므로 영상분은 매우 작다. 지락이 생기면 영상분이 커진다.

영상변류기(ZCT)는 3상 도체를 하나의 철심에 함께 통과시킨 변류기다. 정상 전류는 서로 상쇄되어 2차 출력이 없고, 지락 전류만 2차 측에 출력을 만든다. 이 출력으로 지락계전기를 동작시킨다.

선택지락계전기는 영상전압과 영상전류의 위상차로 고장 방향을 판단한다. 비접지 계통에서 여러 회선 중 고장 회선만 골라 차단할 때 쓴다. 영상전압은 GPT 3차 개방 델타 권선에서 얻는다.

지락 보호의 원리 요약: 영상분을 검출한다 → 크기와 방향을 판단한다 → 고장 회선만 차단한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 중성점 접지 방식을 선택하면서 지락전류 크기가 크게 달라진다. 직접접지 계통에서는 지락전류가 크므로 과전류 계전기로도 빠른 검출이 가능하다. 반면 비접지 계통에서는 지락전류가 충전전류 수준으로 작아 일반 과전류 계전기로는 검출이 어렵다.

또한 고압 송배전선의 고장 대부분이 1선 지락이므로, 상간 단락 보호만으로는 충분하지 않다. 이 때문에 영상분을 이용하는 전용 지락 보호가 필요하게 되었다.