중성점 접지방식별 지락보호

왜 배우는가: 중성점 접지방식에 따라 지락전류의 크기와 검출 방법이 달라지므로, 보호계전기 종류와 정정 방식을 결정하는 기초가 된다. 수변전설비와 배전계통 설계에서 지락보호 방식 선정 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 2번, 제127회 4교시 2번, 제116회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

중성점 접지방식별 지락보호는 중성점 접지 방식에 따라 지락전류의 크기와 검출 방법을 달리하여 지락 고장을 선택적으로 차단하는 보호 방식이다.

핵심 키워드

• 지락전류(Ground Fault Current): 1선 지락 시 대지로 흐르는 고장 전류
• 영상전류(Zero-sequence Current): 3상 전류의 합으로 얻는 영상분 전류, 지락 검출의 기준량
• 영상전압(Zero-sequence Voltage): 지락 시 나타나는 영상분 전압, 비접지 계통 지락 검출에 사용
• 직접접지(Solidly Grounded): 중성점을 저저항으로 대지에 직접 연결한 방식
• 비접지(Ungrounded): 중성점을 대지와 연결하지 않은 방식
• 영상변류기(ZCT, Zero-phase Current Transformer): 영상전류를 검출하는 변류기
• 지락방향계전기(DGR): 지락 방향과 영상전류를 함께 판단하는 계전기
• 선택지락계전기(SGR, Selective Ground Relay): 비접지 계통에서 사고 회로만 선택 차단하는 방향성 계전기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전선 한 가닥이 땅과 붙었을 때 그 사고를 찾아 끊는 방법이 중성점을 어떻게 다루느냐에 따라 달라진다는 것이다. 중성점을 땅에 직접 붙이면 지락 전류가 크게 흘러서 보호 계전기가 쉽게 알아챈다. 중성점을 떼어 두면 지락 전류가 아주 작아서, 다른 방법으로 찾아야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 중성점 접지방식별 지락보호는 계통 중성점의 접지 조건(직접접지, 저항접지, 비접지)에 따라 지락 고장 시 나타나는 영상분 전류 또는 영상분 전압의 크기와 방향을 검출하여, 고장 회로를 선택적으로 차단하는 보호 체계를 말한다.

지락보호에서 쓰는 핵심 용어는 다음과 같다. 영상분은 3상 전류 또는 전압을 대칭분으로 나눴을 때 세 상의 크기와 위상이 같은 성분이다. 정상 운전에서는 영상분이 거의 0이므로, 영상분이 나타나면 지락 고장으로 본다. 영상 전류 검출은 ZCT나 CT 잔류회로로 3상 전류의 합을 얻는 방법이다.

이 개념은 중성점 접지 조건에 따라 지락 전류 크기가 크게 달라진다는 점에서 출발한다. 직접접지 계통에서는 지락 전류가 커서 과전류 계전기로 검출할 수 있다. 비접지 계통에서는 지락 전류가 충전 전류 수준으로 작아서 방향성 계전기와 영상전압 검출이 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 계통이 커지면서 고장 시 건전 상의 대지 전위 상승과 이상전압이 문제가 되었다. 중성점 접지는 이 문제를 줄이기 위해 도입되었다. 1선 지락 고장 시 건전상의 대지전위 상승을 제한하면 절연 레벨을 낮출 수 있다.

그러나 접지 방식을 정하면 지락 전류의 크기가 달라지므로 보호 방식도 함께 바뀌어야 한다. 접지 방식을 잘못 고려한 보호는 고장을 놓치거나 건전 회로를 잘못 차단하는 결과를 낳는다. 그래서 중성점 접지 방식마다 맞는 지락보호를 따로 설계할 필요가 생긴다.