디젤엔진 비상발전기 보호계전

왜 배우는가: 디젤엔진 비상발전기는 상용전원 정전 시 소방부하와 비상부하에 전력을 공급하는 최후의 전원이므로, 발전기가 사고 상황에서 스스로 분리되어 피해를 막는 보호계전방식의 정확한 이해가 실무 설계와 시공 검토에 직결된다. 발전기 내부사고, 역상과전류, 계자상실 등 보호 대상이 다양해 기술사 시험에서도 반복적으로 열거와 설명을 요구한다.

출제 이력: 제136회 2교시 4번, 제118회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

디젤엔진 비상발전기 보호계전방식은 발전기 내부 고장과 계통 이상을 감지해 발전기를 신속히 계통에서 분리하거나 정지시키는 보호 체계이다.

• 핵심 키워드: 비율차동계전기, 지락과전압 계전방식, 역상과전류 계전방식, 계자상실 계전방식, 과전류 계전방식, 중성점 고저항 접지, 축수온도 계전방식, 발전기 보호 협조

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 비상발전기가 고장 나면 안 되는 이유를 먼저 알아야 한다. 발전기는 가격이 높고 복구 기간이 길며, 고장이 커지면 발전기 자체뿐 아니라 연결된 소방설비 전원까지 함께 잃는다. 그래서 보호계전은 이상을 빨리 찾아 피해가 번지기 전에 차단하는 역할을 맡는다.

정식 정의는 다음과 같다. 디젤엔진 비상발전기 보호계전방식이란 디젤 원동기로 구동되는 교류 발전기의 전기적 고장(내부 단락, 지락), 동기기 특성에서 오는 비정상 운전 조건(역상전류, 계자상실, 과부하), 기계적 이상(축수 과열, 과속도 등)을 계전기로 검출하고 차단기 또는 원동기 정지 신호로 연결하는 보호 체계이다. 건축물에서는 상용전원 절체 후 발전기가 부하를 받는 구간에서 작동한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 비율차동계전기는 발전기 양단의 전류 차이를 비교해 내부 사고만 검출하는 계전기이다. 외부 사고에서는 양단 전류가 같아 동작하지 않는다. 역상전류는 불평형 부하나 1선·2선 지락에서 생기는 역상분 전류이며, 회전자 표면 와전류 과열을 일으킨다. 계자상실은 여자 전류가 끊어져 발전기가 동기 능력을 잃는 상태이다. 중성점 고저항 접지는 지락전류를 제한해 기기 손상과 과전압을 억제하는 접지방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물 비상전원 설비는 화재 등 내부 요인으로 상용전원이 끊기는 상황에서 가동되므로, 발전기가 고장 상태에서도 소방부하 공급을 이어가거나 피해를 최소화해야 한다. 초기에는 과전류 보호만으로 충분하다고 여겼으나, 발전기가 대용량화되고 계통과 병렬 운전하는 경우가 늘면서 동기기 고유의 이상 상태까지 보호할 필요가 커졌다.

발전기 이상 상태는 크게 과열, 권선 고장, 과속도와 저속도, 과전압, 여자상실, 불평형 전류, 동기탈조로 나뉜다. 이 중 권선 고장과 불평형 전류는 전기적 보호가 필요하고, 과속도와 저압력은 기계적 보호가 필요하다. 따라서 보호계전방식은 전기 보호와 기계 보호를 함께 설계하는 것이 원칙이다.

또한 발전기 중성점 접지방식을 정할 때 지락전류 제한과 지락 과전압 억제라는 두 가지를 고려한다. 일반적으로 고저항 접지방식을 적용하고, 중성점을 단상 접지변압기를 통해 접지한 뒤 그 2차측에 저항을 접속한다. 저항값은 지락전류가 15A 내외가 되도록 정한다. 이 값은 설계 실무에서 널리 쓰이는 기준이며, 제조사와 계통 조건에 따라 조정한다.

발전기 보호의 기본 목적은 고장전류 확산 방지, 기기 소손 방지, 계통 파급 방지 세 가지이다.

4. 구성요소·원리·절차

디젤엔진 비상발전기의 보호계전방식은 발전기 한 대를 고장으로부터 지키는 여러 계전기의 묶음이다. 발전기 내부 고장을 빨리 잡는 비율차동계전방식(Differential Protection)과 과부하·외부 단락을 막는 과전류 계전, 중성점 접지에 따른 지락 과전압 계전이 중심이다. 여기에 역상 과전류, 계자 상실, 주파수 이상, 축수 온도 같은 비정상 운전 보호가 더해진다.

보호의 원리는 두 가지다. 첫째, 보호구역 경계에 설치한 변류기(CT)의 입력 전류와 출력 전류의 차이를 본다. 외부 사고에서는 두 전류가 같아 동작하지 않고, 내부 사고에서는 차이가 생겨 동작한다. 둘째, 중성점을 고저항으로 접지해 지락전류를 제한하고, 그 전압을 계전기가 감지한다. 두 원리를 조합하면 사고 위치와 종류에 맞게 발전기를 신속히 계통에서 분리할 수 있다.

구성요소는 다음과 같다.

표의 계전기 번호는 ANSI 기호를 따른 것이다. 계전방식 설명에서는 기능 이름을 먼저 쓰고 번호는 괄호로 덧붙인다.

비율차동계전기는 발전기 보호의 주보호다. 동작 기준은 CT 2차 전류의 차이가 설정값을 넘을 때다. 외부 사고에서 부동작하는 것은 보호구역 경계가 CT 위치로 정해지기 때문이다. 시간 협조가 필요 없어 고속 차단이 가능하다.

지락 보호는 중성점 접지방식으로 정한다. 일반적으로 고저항 접지를 쓴다. 중성점을 단상 접지변압기를 거쳐 접지하고, 2차측에 저항을 연결한다. 저항값은 지락전류가 약 15A 내외가 되도록 정한다. 이 값으로 지락 시 철심과 권선의 손상 확대를 막는다. 지락 과전압 계전기는 접지변압기 2차 전압에 응동한다.

보호 절차는 다음 순서로 진행된다.

• 사고 발생 시 CT로 발전기 전류와 전압을 검출한다.
• 비율차동계전기가 내부 사고를 판정하면 즉시 발전기 차단기를 개방한다.
• 내부 지락이면 지락 과전압 계전기가 접지변압기 2차 전압으로 동작한다.
• 외부 사고로 과전류가 흐르면 과전류 계전기가 시간 협조에 따라 후비 보호한다.
• 역상전류나 계자 상실이 감지되면 계통에서 발전기를 분리하고 엔진을 정지시킨다.
• 축수 온도가 상승하면 자동 차단으로 소손을 막는다.

비율차동계전기는 내부 고장만 검출하고 보호 구역이 CT 위치로 정해진다

지락전류 약 15A 내외

5. 관련 법령·기준·표준

디젤엔진 비상발전기 보호계전은 법령이 직접 수치를 정하기보다, 설계 기준서와 발전기 제작·설계 기준을 따르는 구조다. 화재 대응 비상전원은 소방 기준, 일반 건축 비상전원은 전기설비 기준을 함께 본다. 현행 기준 이름은 아래 표와 같다.

기준 수치는 다음과 같이 정리한다.

개정 연혁으로는 소방 기준이 2022-12-01부터 화재안전성능기준(NFPC)과 화재안전기술기준(NFTC)으로 나뉘었다. 전기 설비 기준은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)으로 바뀌었다. 구 전기설비기술기준 판단기준은 대체되었다. 계전기 설정값의 세부 수치는 발전기 용량과 제작사 기준에 따라 달라지므로, 본문의 기준값은 대표 값만 쓴다.

6. 유형과 비교

디젤엔진 비상발전기의 보호계전방식은 보호 대상 고장의 종류에 따라 나뉜다. 발전기 내부 단락, 지락, 과전류, 역상, 계자상실, 과전압, 주파수 이탈, 기계적 이상 보호로 구분하며, 각 방식이 검출하는 고장과 동작 원리가 다르다. 아래 표는 주요 방식을 비교한 것이다.