전력용변압기 보호장치

왜 배우는가: 전력용 변압기는 수변전설비에서 가장 비싼 기기 중 하나이며, 내부 고장이 나면 복구에 긴 시간이 걸린다. 따라서 어떤 고장을 어떤 계전기로 감지하고 어떻게 차단하는지를 알아야 설계와 정정을 할 수 있다. 이 주제는 보호계전 설계와 사고 분석 문항에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제126회 4교시 6번, 제121회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력용 변압기 보호장치는 변압기 내부·외부 고장과 과부하를 감지하여 차단기를 동작시키고 고장 확대를 막는 전기적·기계적 장치의 총칭이다.

• 과전류계전기(OCR), 비율차동계전기(87T), 부흐홀츠 계전기, 온도계전기, 압력계전기, 후비보호, 정정, 차단기 트립

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 변압기가 스스로 이상을 느끼고 전원을 끊게 만드는 장치들이다. 변압기는 권선과 철심이 기름이나 절연물 속에 들어 있어서 고장이 밖에서 잘 보이지 않는다. 그래서 전류, 전압, 가스, 압력, 온도 같은 여러 양을 따로 감시한다.

전기적 보호장치는 전류와 전압의 변화를 읽는다. 대표적으로 비율차동계전기가 변압기 1차와 2차 전류의 차이로 내부 고장을 판단한다. 외부 고장에서는 두 측 전류가 같으므로 동작하지 않는다. 과전류계전기는 과부하와 외부 단락을 보호하고, 내부 단락에 대해서는 후비보호 역할을 한다.

기계적 보호장치는 기름 속에서 생기는 가스나 기름 흐름, 압력을 감지한다. 부흐홀츠 계전기(Buchholz relay)는 유입식 변압기의 본체와 콘서베이터 사이 배관에 설치되어, 내부 아크로 발생한 가스와 기름 흐름을 감지한다. 1921년 Max Buchholz가 개발했으며, 일반적으로 가스검출계전기라고도 부른다. 이 계전기는 경보용(경가스)과 트립용(중가스)으로 나뉜다.

정격 전압 기준으로 보호 방식을 나누면 다음과 같다. 기준으로 전체 용량을 구분할 때는 소용량에서는 퓨즈나 과전류계전기를, 대용량에서는 차동계전기를 주보호로 쓴다. 정확한 용량 경계는 기준서마다 다르므로 답안에서는 '대용량일수록 차동계전기가 주보호'라는 원칙으로 쓴다.

Differential Relay 의 동작 원리는 키르히호프 전류법칙에 근거한다. 보호구역 안으로 들어간 전류와 나간 전류의 차이가 정정값을 넘으면 고장으로 판단한다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기 고장은 대부분 절연 열화에서 시작한다. 절연유가 열이나 수분, 방전으로 분해되면 가스가 생기고, 작은 부분방전이 누적되어 큰 내부 단락으로 발전한다. 이때 과전류계전기만으로는 초기 단계의 고장을 찾기 어렵다. 그래서 가스나 압력, 온도처럼 전류와 무관한 양을 함께 감시하는 기계적 보호장치가 필요해졌다.

또한 변압기 용량이 커지면서 고장 한 건의 피해가 커졌다. 고장전류가 크고 빠르게 진행하므로 보호 동작 시간이 짧아야 한다. 전기적 보호장치만으로는 가스 발생 같은 초기 징후를 잡을 수 없고, 기계적 보호장치만으로는 외부 단락을 빠르게 제거할 수 없다. 두 계열을 함께 쓰는 것이 이 개념이 생긴 이유다.

대용량 변압기를 비율차동계전기로 주보호하는 원칙은 이 필요성을 잘 보여준다.

4. 구성요소·원리·절차

전력용 변압기 보호장치는 변압기 내부 고장을 감지하는 비율차동계전기, 과전류계전기, 부흐홀츠계전기와 과부하·온도 상승을 감시하는 장치, 그리고 이들이 신호를 받아 차단하는 차단기로 구성된다. 주보호와 후비보호를 나누어 고장 위치와 용량에 맞게 배치하는 것이 핵심이다.

비율차동계전기는 변압기 양측 변류기의 전류 차를 검출한다. 외부 고장에서는 양측 전류가 같아 동작하지 않고, 내부 고장에서는 차전류가 발생하여 동작한다. 변압기 권선의 결선이 다르면 변류기 2차 결선을 보상하여 위상차를 맞춘다. 이 방식은 보호 구간이 변류기 위치로 정해지므로 선택성이 우수하다. 동작 비율은 변류기 오차, 부정합, ULTC 탭 변동을 고려하여 정한다.

부흐홀츠계전기는 유입식 변압기의 본체와 콘서베이터 사이 배관에 설치되는 가스검출 계전기다. 내부 아크로 절연유가 분해되어 가스가 발생하면 경보 접점이 동작하고, 가스량이 많거나 유류가 급격히 흐르면 차단 접점이 동작한다. 절차는 다음과 같다.

• 내부 고장 발생으로 절연유가 분해되어 가스가 발생한다.
• 가스가 부흐홀츠계전기 내부에 모여 플로트가 내려가거나 날개가 움직인다.
• 경보 접점이 먼저 동작하여 운전자에게 알린다.
• 가스 다량 발생 또는 유류 급속 이동 시 차단 접점이 동작하여 차단기를 개방한다.

과전류계전기는 과부하와 외부 단락의 후비보호를 담당한다. 시한 탭과 레버로 정정하며, 변압기 돌입전류에 오동작하지 않도록 순시 요소의 정정에 주의한다. 지락 보호는 접지방식에 따라 지락과전류계전기, 지락과전압계전기, 지락방향과전류계전기를 선택한다.

차동계전기는 내부 고장의 주보호, 부흐홀츠계전기는 내부 아크의 가스 감지 보호로 역할이 나뉜다

5. 관련 법령·기준·표준

전력용 변압기 보호장치의 정정과 설치는 전기설비 관련 법령과 설계 기준을 따른다. 기준 수치는 아래 표와 같이 정리한다. 법령 조문 번호는 확실한 경우에만 쓴다.

비율차동계전기는 대용량 변압기에 주보호로 널리 적용된다. 소용량 변압기는 퓨즈 또는 과전류계전기를 주보호로 쓰는 것이 일반적이다. 기준 표의 수치는 설계 기준과 공인 정정 방식에 따른 대표값이며, 실제 적용 시에는 해당 시점의 현행 고시와 설계 지침을 함께 대조한다.

개정 연혁으로는 소방 분야의 기준 체계 개편(2022-12-01)과 전기설비 기준의 한국전기설비규정(KEC) 시행(2021-01-01)이 있으며, 보호장치 자체의 설치 기준은 전기설비기준과 설계 기준에 따라 적용한다.

6. 유형과 비교

전력용 변압기 보호장치는 보호 대상 고장의 성격에 따라 여러 계전기와 기계적 장치로 나뉜다. 변압기 내부 고장을 직접 감지하는 장치와 외부 고장을 후비로 제거하는 장치를 구분해 비교해야 답안에서 역할이 분명해진다.