보호계전기 정정

왜 배우는가: 보호계전기 정정은 사고 시 고장 구간만 정확히 분리하도록 계전기 동작값과 시간을 설정하는 작업이다. 정정이 잘못되면 불필요한 정전이나 보호 공백이 생겨 설비와 공급 신뢰도가 떨어진다. 수변전설비 설계와 점검 실무에서 반드시 거치는 절차이고, 시험에서는 정정 필요 조건과 OCR·OCGR·OVR·OVGR·UVR 정정 고려사항이 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제129회 3교시 2번, 제94회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

보호계전기 정정은 계통 조건과 보호 협조를 고려해 계전기의 동작전류·동작시간 설정값을 정하는 작업이다.

핵심 키워드

• 보호계전기 정정(Protective Relay Setting)
• 탭(Tap) 설정
• 레버(Time Multiplier) 설정
• 보호 협조(Protection Coordination)
• 과전류계전기(OCR)
• 지락과전류계전기(OCGR)
• 과전압·지락과전압계전기(OVR·OVGR)
• 부족전압계전기(UVR)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 정정은 계전기에게 "어느 정도 크기의 이상 신호에서, 얼마나 빨리 차단기를 트립할지"를 알려 주는 작업이다. 계전기는 스스로 판단하지 않고 설정값과 입력값을 비교해 동작하므로, 설정값이 곧 보호 성능이다.

정식 정의는 다음과 같다. 보호계전기 정정은 계통의 최대·최소 부하전류, 단락전류, 지락전류, 전압 조건과 상위·하위 기기와의 동작 시간 차이를 근거로 계전기의 탭, 레버, 순시 정정치를 결정하는 것이다.

보호 협조는 고장 시 고장점에 가장 가까운 차단기가 먼저 동작하고, 상위 차단기는 후비(後備) 보호 역할을 하도록 동작 순서를 맞추는 것이다. 정정의 목적이 이 협조를 확보하는 데 있다.

탭(Tap)은 한시요소의 동작전류 기준을 정하는 값이다. 레버(Time Multiplier)는 동작시간의 배율을 정하는 값이다. 순시요소는 설정 전류 이상이면 시간 지연 없이 동작한다.

계전기 종류별 역할은 다음과 같다. OCR은 상간 과전류, OCGR은 지락 전류, OVR은 과전압, OVGR은 영상전압에 응동하는 지락과전압, UVR은 전압 저하를 감지한다. 각 계전기는 입력 물리량이 다르므로 정정 기준도 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 발전소, 변전소, 송배전선, 부하가 연계되어 있어 한 곳의 고장이 넓은 범위로 번질 수 있다. 그래서 고장 구간을 빠르고 정확히 분리하는 보호계전 시스템이 필요하다. 이 시스템의 성능은 계전기 자체보다 정정값이 좌우한다.

초기에는 계전기의 종류 선택과 설치가 중심이었으나, 계통이 복잡해지고 부하 변동과 분산전원 연계가 늘면서 정정 계산의 비중이 커졌다. 특히 수용가 수전설비는 한전 계통과 연계되므로, 수용가 측 계전기와 전력회사 측 보호 기기의 협조가 함께 고려되어야 한다.

정정이 필요한 대표 상황은 다음과 같다. 신규 설비를 설치하거나 부하가 증설되어 최대 전류가 바뀔 때, 변압기나 변류기 용량을 교체할 때, 계통 구성(모선 분리, 병렬 운전)이 바뀔 때, 단락용량이 변할 때, 기존 보호 협조가 깨졌을 때다. 이 내용은 2절에서 정리한 정정 목적과 직접 이어진다.

계전기 종류와 입력 기준은 다음 표와 같다.

표는 정정 대상의 입력과 동작 방향을 구분한 것이다. OCR과 OCGR은 전류 크기, OVR과 OVGR은 전압 크기에 응동하고, UVR만 방향이 반대다. 정정 계산에서는 이 차이를 먼저 확인해야 한다.

정정은 보통 설계 단계와 준공 후 점검 단계에서 이루어진다. 설계 단계에서는 예상 단락전류와 부하전류로 설정값을 계산하고, 준공 후에는 실제 측정값과 시험 결과로 값을 확인하고 조정한다.

4. 구성요소·원리·절차

보호계전기 정정은 계통의 구성요소를 고장으로부터 분리하는 보호계전시스템의 기본 설정 작업이다. 정정은 계전기 한 대가 맡는 보호 구간과 동작 값을 정하는 일이며, 계전기 종류별로 입력량(전류·전압·전력)과 동작 조건이 다르다. 수용가 수전설비에서 주로 쓰는 계전기는 과전류계전기(OCR), 지락과전류계전기(OCGR), 과전압계전기(OVR), 지락과전압계전기(OVGR), 부족전압계전기(UVR)다.

계전기는 정확성, 신속성, 선택성, 신뢰성, 경제성을 갖춰야 한다. 정정은 이 다섯 요건이 함께 만족되도록 동작 값과 동작 시간을 맞추는 과정이다.

위 표는 계전기 종류별 입력량과 정정 항목을 정리한 것이다. OCR과 OCGR은 전류 탭과 시간 레버를, 전압계전기는 동작 전압과 시간을 정정한다. 계전기 종류에 따라 정정 대상이 다르다는 점을 먼저 구분해야 한다.

정정 원리는 다음과 같다. 한시 요소는 정상 부하 전류보다 높고 사고 전류보다 낮게 탭을 잡아, 부하 운전에서는 동작하지 않고 사고 시에는 동작하게 한다. 순시 요소는 후단 사고 전류를 기준으로 설정해 가장 가까운 구간만 빠르게 차단하도록 한다. 상위 계전기는 하위 계전기보다 동작 시간이 길어야 하며, 이 시간차를 보호협조라 한다.

정정 절차는 다음과 같다.

• 계통 단선도와 부하 정보를 확인하고 정격 전류, 변류비, 계통 임피던스를 정리한다.
• 최대 부하 전류와 기동 전류를 구하고 한시 탭 값을 계산한다.
• 최소 단락 전류와 최대 단락 전류를 구하여 순시 탭 범위를 정한다.
• 상위·하위 계전기의 시간 간격을 계산하여 동작 시간 레버를 정한다.
• 전압계전기는 정상 전압 범위와 사고 시 전압 변화를 기준으로 동작 값을 정한다.
• 정정 결과를 계통 시뮬레이션이나 시험으로 검증한다.

한시 탭 계산식은 다음과 같다.

$I_{tap} = \frac{I_{p}}{V} \times k$

여기서 I_p는 부하 최대 전류(A), V는 변류기 2차 정격 전류(A)를 기준으로 한 탭 설정 단위, k는 여유율이다. 여유율은 부하의 종류(일반 부하, 기동 부하)에 따라 관련 기준이 정한 값을 적용한다.

순시 탭은 다음 식으로 구한다.

$I_{inst} = \frac{100}{\%Z} \times I_{n}$

여기서 \%Z는 변압기 퍼센트 임피던스(%), I_n은 정격 전류(A)다. 계산 결과는 사고 전류 범위 안에 들어야 한다.

한시 요소는 부하 전류보다 높고 사고 전류보다 낮게 정정하며, 상위와 하위의 시간차로 협조를 확보한다

5. 관련 법령·기준·표준

수용가 수전설비의 보호계전기는 전기사업법과 전기설비기술기준 계열 기준의 적용을 받는다. 현행 전기설비 기준은 한국전기설비규정(KEC)이며 2021-01-01부터 시행됐다. 보호계전기 정정에 직접 쓰는 기준은 다음과 같다.

위 표의 여유율은 정정 실무에서 널리 쓰는 값이다. 철도 기준은 수용가 수전설비가 아닌 전철전력설비에 적용되므로 기능 요건만 참고한다.

전기사업법 계열 기준은 보호계전기 설치와 점검 의무를 정한다. 수용가는 설치한 보호계전기를 주기적으로 시험하고 정정 기록을 관리해야 한다. 개정 연혁은 2021년 KEC 시행이 핵심이다.

보호협조, 정정치, 탭은 답안에 반드시 쓸 핵심어다. 이 부분의 기준 수치는 여유율 두 가지와 순시 탭 범위 조건이다.

6. 유형과 비교

보호계전기는 감지하는 물리량과 동작 원리에 따라 여러 형식으로 나뉜다. 수변전설비에서 자주 쓰는 과전류계전기(OCR)와 지락과전류계전기(OCGR), 과전압·저전압 계전기(OVR·UVR), 지락과전압계전기(OVGR)는 모두 무방향성 계전기로 분류된다. 방향성 계전기는 위상각에 따라 동작 여부가 달라지는 계전기다.

무방향성 계전기는 입력 크기가 정정치를 넘거나 밑도는 순간 동작한다. 계전기 종류별 기능은 다음과 같다.