과전류계전기 정정

왜 배우는가: 과전류계전기 정정은 전력계통 보호의 기초이며, 보호협조와 직결되어 실무 설계와 정정 계산에서 매번 적용된다. 기술사 시험에서는 한시탭·동작시간·순시탭 정정 절차를 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제114회 1교시 3번, 제108회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

과전류계전기 정정은 부하전류와 단락전류를 구분해 한시 요소의 탭·동작시간과 순시 요소의 탭을 계통 조건에 맞춰 정하는 작업이다.

• 과전류계전기(OCR, Over Current Relay)
• 한시 요소(Inverse Time Element)
• 순시 요소(Instantaneous Element)
• 탭 정정(Tap Setting)
• 동작시간 정정(Time Dial Setting)
• 보호협조(Protective Coordination)
• 여유율(Margin Factor)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 계전기가 "얼마의 전류가, 얼마 동안 흐르면 차단기를 열지"를 미리 정해 두는 일이다. 전류가 조금 넘을 때 천천히 반응하고, 아주 큰 전류가 흐르면 바로 반응하도록 두 요소를 함께 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. 과전류계전기는 계통 전류가 정정값(픽업값)을 넘으면 동작하는 보호계전기다. 여기서 정정은 두 요소를 각각 맞추는 일이다.

한시 요소는 전류가 일정 시간 동안 정정값을 넘을 때 동작한다. 주로 과부하 전류를 차단하며, 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지는 반한시 특성을 가진다. 전동기는 기동 시 정격의 5~6배 전류가 잠깐 흐르므로, 이 전류에는 반응하지 않도록 완만한 곡선을 쓴다.

순시 요소는 전류가 정정값을 넘는 즉시 동작한다. 단락 사고에서는 정격의 수십 배 전류가 흐르므로, 배선과 기기를 보호하려면 신속하게 차단해야 한다.

탭은 동작 전류의 기준이다. 한시 탭은 부하 전류 기준으로, 순시 탭은 단락 전류 기준으로 정한다. 동작시간 정정은 시간 배율(Time Dial)로 곡선을 위아래로 옮기는 작업이다. 이 셋을 함께 맞춰야 상위·하위 계전기 사이의 보호협조가 이루어진다.

직접접지 계통의 수전반에서는 OCR(상·상 과전류)과 OCGR(지락 과전류)을 함께 쓴다. 두 계전기 모두 같은 방식으로 한시·순시 요소를 정정하되, OCGR은 지락전류 기준으로 탭을 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 발전·송배전·수변전·부하가 연결된 구조라서, 한 곳에서 생긴 고장이 넓은 범위로 번지기 쉽다. 과전류를 빨리 끊지 못하면 기기 손상과 화재가 생기고, 너무 민감하게 맞추면 기동 전류에도 차단이 일어나 불필요한 정전이 발생한다.

이 두 요구를 함께 만족시키기 위해 과전류계전기는 한시·순시 두 특성을 결합한 구조로 발전했다. 초기에는 정격 전류에 맞춰 단순히 동작값만 정했으나, 계통이 복잡해지면서 시간 협조와 탭 협조까지 고려하는 정정 방법이 필요해졌다. 정정이 잘못되면 고장 구간만 분리되어야 할 차단기가 상위 차단기까지 동작하는 오동작이 생긴다.

정정 목적은 세 가지로 정리된다. 첫째, 과부하와 단락을 구분해 차단한다. 둘째, 상위와 하위 계전기의 동작 시간 차를 두어 고장 구간만 분리한다. 셋째, 기동 전류와 과도 전류에는 동작하지 않도록 여유를 둔다.

4. 구성요소·원리·절차

과전류계전기 정정은 한시 요소와 순시 요소를 나누어 정한다. 한시 요소는 과부하를, 순시 요소는 단락 고장을 맡는다. 두 요소의 정정값이 서로 어긋나면 보호 협조가 깨지므로 순서대로 계산하고 마지막에 협조를 검토한다.

한시 요소는 전류가 클수록 동작시간이 짧아지는 반한시 특성(IDMT, Inverse Definite Minimum Time)을 가진다. 탭은 곡선이 시작하는 전류를 정하고, 시간 레버는 곡선을 위아래로 옮겨 동작시간을 정한다. 순시 요소는 시간 지연 없이 설정 전류 이상에서 바로 동작하므로 단락 전류 범위 안에서 설정한다.

정정 절차는 다음과 같다.

• 부하 전류 I_L을 구하고 일반부하인지 기동부하인지 구분한다.
• 일반부하는 여유율 k를 1.2~1.5배, 기동부하는 기동 전류를 고려한 별도 여유율로 곱하여 한시 탭 전류를 정한다.
• 정정 전류를 CT 비로 나누어 계전기 2차 탭 값으로 환산한다.
• 후비 보호와의 협조를 위해 한시 동작시간 레버(TDS)를 정한다.
• 단락 용량 계산값으로 순시 탭을 정하되, 최소 단락전류보다 작고 최대 단락전류보다 작은 범위에서 설정한다.
• 상위·하위 계전기와의 시간차와 순시 요소의 구간을 검토한다.

정정값은 다음 식으로 구한다.

$I_{set} = k \cdot I_L / CT_{비}$

여기서 I_set은 계전기 2차 탭 전류(A), k는 여유율, I_L은 부하 전류(A), CT_비는 변류기 1차/2차 전류비다. 전동기 기동 전류는 정격 전류의 5~6배가 일반적이므로 기동 시 오동작을 막으려면 완만한 한시 특성과 기동부하용 여유율을 함께 쓴다.

한시 요소는 과부하, 순시 요소는 단락을 맡으며 두 정정값은 협조를 위해 함께 검토한다.


5. 관련 법령·기준·표준

과전류계전기 정정은 법령이 수치를 직접 정하지 않고, 한국전기설비규정(KEC)과 설계 실무의 정정 방법을 따른다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 구 전기설비기술기준의 판단기준을 대체하였다. 정정 수치는 부하 특성과 계통 조건에 따라 달라지므로 아래 표의 값을 기준 범위로 쓴다.

표의 값 가운데 여유율과 기동 배수는 정정 실무에서 널리 쓰는 기준이다. 협조 시간차와 지락 탭 비율은 설계 조건과 기기 제작사의 규격에 따라 달라지므로 계산 조건을 함께 적는다.

한시 탭 여유율 1.2~1.5배 는 일반부하에, 기동부하에는 기동 전류를 고려한 별도 여유율을 적용한다. 6.6kV 계통에서 순시 탭은 단락 전류 계산값과 CT 비를 함께 고려하여 정한다.

개정 연혁으로는 2021-01-01 한국전기설비규정(KEC) 시행이 가장 중요하다. 이후 계통 보호 설계는 KEC 체계로 적용한다.

6. 유형과 비교

과전류 계전기는 동작 특성에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 시간-전류 특성은 동작 시간이 전류 크기와 어떤 관계를 갖는지로 구분한다. 답안에서는 한시형, 순시형, 반한시형(IDMT)을 나누어 설명하고 비교표로 정리한다.

• 순시형(Instantaneous): 전류가 정정값을 넘으면 시간 지연 없이 즉시 동작한다. 단락 보호용으로 쓰며 ANSI 번호 50에 해당한다.
• 정한시형(DTOC, Definite Time): 전류가 정정값을 넘으면 설정된 일정 시간 후 동작한다. 동작 시간이 전류 크기와 무관하다.
• 반한시형(Inverse Time, IDMT): 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지는 반비례 특성을 갖는다.