비율차동계전기 동작원리 및 오동작 방지

왜 배우는가: 비율차동계전기는 변압기 내부고장을 외부고장과 구분해 빠르게 검출하는 주보호 계전기이며, 변압기 투입 시 여자돌입전류로 인한 오동작 방지가 기술사 시험에서 반복해 묻는 핵심 주제다. 동작원리와 억제 원리를 정확히 이해해야 동작특성과 오동작 대책을 논리적으로 서술할 수 있다.

출제 이력: 제138회 4교시 6번, 제113회 4교시 3번, 제101회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비율차동계전기는 보호구간에 유입하는 전류와 유출하는 전류의 차(차전류)를 통과전류에 비례하는 억제력과 비교해 동작하는 보호계전기다.

• 비율차동계전기(Percentage Differential Relay)
• 차전류(Differential Current)와 억제전류(Restraint Current)
• 비율특성(Percentage Characteristic)과 동작비율
• 여자돌입전류(Magnetizing Inrush Current)
• 고조파 억제(Harmonic Restraint)
• CT 포화(CT Saturation)
• 탭 정정(Tap Setting)
• Y-Δ 결선 보정

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 변압기 안으로 들어간 전류와 밖으로 나온 전류를 비교해서, 그 차이가 크면 변압기 내부에 고장이 났다고 보고 차단기를 여는 계전기다. 외부에서 큰 사고전류가 흘러 양쪽 전류가 모두 커지면 차이가 있어도 그 차이가 허용 범위 안에 있으면 동작하지 않도록 만든 것이 '비율' 개념이다.

정식 정의는 다음과 같다. 비율차동계전기는 보호구간에 유입하는 전류와 유출하는 전류의 벡터차를 구하고, 이 차전류가 통과전류(억제전류)에 대해 정해진 비율을 넘을 때 동작하는 계전기다. 발전기와 변압기 보호에 주로 쓴다.

차전류는 유입전류에서 유출전류를 뺀 값이다. 내부고장이 없는 정상 상태와 외부고장 상태에서는 이 차전류가 거의 0에 가깝다. 내부고장이 나면 한쪽 전류만 크게 흘러 차전류가 커진다.

억제전류는 통과전류의 크기로, 억제코일에 흘러 동작을 막는 힘을 만든다. 차전류가 동작코일에 흘러 동작력을 만든다. 두 힘의 비율로 동작 여부가 결정되므로 '비율' 차동이라 부른다.

동작비율은 차전류를 유출전류로 나눈 백분율이다. 동작비율이 설정값을 넘으면 계전기가 동작한다. 사고 전류가 클수록 CT 오차가 커지므로, 억제력을 키워 외부고장 오동작을 막는 것이 이 방식의 핵심이다.

여자돌입전류는 변압기를 무부하로 투입할 때 철심이 포화되면서 흐르는 큰 과도 전류다. 내부고장 전류와 달리 1차측에만 흐르고 제2고조파 성분이 많아, 이 성분을 이용해 동작을 억제하는 것이 고조파 억제 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 고가의 설비이고 내부 권선이나 철심의 고장은 수리 비용과 정전 기간이 매우 크다. 따라서 고장을 빠르고 정확하게 선택적으로 차단하는 보호가 필수다. 과전류계전기는 부하전류와 사고전류의 차이가 작거나 한쪽 전류만 보므로 내부고장을 늦게 또는 놓치고 외부고장에도 반응할 수 있다.