GTR

왜 배우는가: 수용가의 비접지계통은 지락 전류가 작아 운전을 계속할 수 있지만, 지락 상태에서 영상전압과 중성점 전위가 상승하고 지락점 위치 파악이 어렵다. 3상 접지변압기(GTR)는 중성점이 없는 계통에 인공 중성점과 영상전류 경로를 만들어 주는 장치이므로 지락 보호와 계통 안정화의 기본 설비로 시험에서 반복해 출제된다. 종류와 동작 원리를 구분해 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제138회 3교시 5번, 제128회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

3상 접지변압기(GTR)는 중성점이 없는 비접지계통에 인공 중성점을 만들어 지락 시 영상전류가 흐를 경로를 제공하는 변압기이다.

핵심 키워드

• 접지변압기(GTR): 비접지계통에 인공 중성점을 만드는 3상 변압기
• 인공 중성점: 중성점이 없는 Δ 계통에서 Y 결선으로 만든 가상의 중성점
• 영상전류(zero-sequence current): 지락 시 세 상에 동일하게 흐르는 전류 성분
• 지그재그 결선(zigzag connection): 각 상 권선을 두 철심에 나누어 감아 영상 임피던스를 낮춘 결선
• Y-Δ 접지변압기: 1차 Y 권선의 중성점을 접지하고 2차 Δ 권선을 개방 상태로 둔 형식
• 지락 회로 구성: 지락 발생 시 영상전류가 대지를 거쳐 되돌아오는 폐회로
• 영상 임피던스: 영상전류 경로의 임피던스로, 작을수록 지락 전류가 커진다
• 중성점 전위 억제: 지락 중 건전상 전압 상승을 줄이는 효과

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기가 흐를 길이 없는 계통에 임시로 중성점을 만들어 주는 장치다. 평상시에는 전류가 거의 흐르지 않고, 지락이 나는 순간에 영상전류가 흐를 길을 열어 준다.

정식 정의는 다음과 같다. 접지변압기(Grounding Transformer)는 중성점이 없는 3상 Δ 계통 또는 비접지 Y 계통에 접속하여 인공 중성점을 형성하고, 지락 시 영상전류를 대지로 흘리기 위한 보조 변압기다. 2차 권선은 부하에 연결하지 않고 개방하거나 저임피던스로 처리한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

영상전류는 세 상의 전류 크기와 위상이 같은 성분이다. 정상 상태에서는 0이지만 1선 지락 시 지락 상과 건전 상 사이에 이 성분이 생겨 대지를 통해 순환한다.

지그재그 결선은 한 상의 권선을 두 철심에 반대 방향으로 나누어 감고 서로 직렬로 연결하는 방식이다. 각 상 전압이 상쇄되어 정상분 전류 흐름은 억제되고, 영상분에 대해서는 낮은 임피던스를 준다.

이 변압기는 정상 운전 때 부하 전류를 공급하지 않는다. 역할은 지락 때 영상 경로를 만드는 것이므로, 권선은 지락 시 흐르는 큰 영상전류를 견디도록 설계된다.

3. 등장 배경과 필요성

비접지계통은 지락 전류가 작아 1선 지락이 나도 즉시 차단하지 않고 운전을 계속할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이 장점에는 대가가 있다. 지락 중에도 영상 경로가 없으면 건전 상 전압이 선간전압 수준까지 상승하고, 지락점을 찾기 어려워진다.

수용가의 Δ 결선 설비나 중성점이 없는 배전 계통에서는 이 문제가 특히 두드러진다. 3선식 Δ 계통은 중성점 자체가 존재하지 않으므로, 지락 보호 계전기가 영상전압과 영상전류를 검출할 기준이 없다.

그래서 인공 중성점을 만드는 접지변압기가 필요하다. 접지변압기는 다음 세 가지를 제공한다.

• 중성점을 대지 전위 근처로 유지하여 건전 상 전압 상승을 억제한다.
• 지락 시 영상전류 경로를 만들어 지락 계전기가 동작할 신호를 준다.
• 간헐 아크 지락에서 생기는 과전압을 제한한다.

이처럼 GTR은 비접지계통의 장점인 운전 연속성을 유지하면서, 지락 검출과 과전압 억제를 가능하게 하는 보조 설비다.

영상 임피던스 낮음

비접지계통은 지락 시 영상 경로가 없어 중성점 전위와 건전상 전압이 상승하므로 접지변압기가 필요하다.

1선 지락 전류 제한

4. 구성요소·원리·절차

3상 접지변압기는 1차 권선을 Y(성형)로 결선하고 중성점을 대지에 연결하는 구조를 만든다. 비접지 계통에서 지락이 발생하면 중성점이 없어 영상전류가 흐를 경로가 없으므로, 이 경로를 인위적으로 만들어 주는 것이 핵심 목적이다. 구성 요소는 아래 표와 같다.

권선 구조 중 가장 널리 쓰이는 것은 지그재그 결선이다. 각 상의 권선이 서로 다른 두 코어에 나뉘어 감기고, 한 코어의 첫 번째 코일이 다음 코어의 두 번째 코일과 반대로 연결된다. 그 결과 정상분 전압은 서로 상쇄되어 중성점에 거의 전류가 흐르지 않는다. 반면 영상분 전류는 모든 권선에서 동상으로 흐르므로 낮은 임피던스로 대지에 통과시킬 수 있다.

지락 시 동작 원리는 다음 절차로 진행된다.

• 평상시에는 3상 전압이 평형이므로 접지변압기에 영상전류가 거의 흐르지 않는다.
• 한 선로에 지락이 발생하면 지락상의 대지 전위가 떨어지고, 중성점 쪽으로 영상전압이 나타난다.
• 접지변압기의 낮은 영상 임피던스가 대지 경로를 제공하여 영상전류가 흐른다.
• 영상전류가 접지 계전기(ZCT·GPT 조합)에 검출되어 지락 경보 또는 차단 동작이 이루어진다.
• 지락 전류는 접지 임피던스로 제한되어 아크 지속과 과도 과전압을 줄인다.

이 원리를 대략적으로 나타내면 다음과 같다.

지락 시 접지변압기가 대지 경로를 만들어 영상전류를 흐르게 하는 것이 동작 원리의 핵심이다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지변압기는 전기설비기술기준과 한국전기설비규정(KEC)의 접지 관련 조항을 따른다. 전기설비의 접지는 한국전기설비규정(KEC)에서 2021-01-01부터 적용된다. 이전의 판단기준은 대체되었다. 접지공사 종별은 법규 기준으로 제1종, 제2종, 제3종 접지로 구분하며, 고압·특고압 계통의 접지 저항 값은 접지 목적과 계통 조건에 따라 정해진다.

표의 마지막 행은 접지 목적과 계통 조건에 따라 달라지므로 세부 값은 해당 설계 기준으로 확인한다. 영상전압은 건전상 2차 전압 110V와 Y결선의 차전압 구조에서 나오는 값이다.

개정 연혁은 다음과 같다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 전기설비 접지 체계가 정비되었다. 소방·건설 분야의 접지 설계는 각 해당 기준을 따른다.