영상전류 검출방식

왜 배우는가: 지락사고는 송배전 계통에서 발생 빈도가 가장 높은 고장이라 빠른 검출이 필수다. 영상전류를 얻는 회로를 잘못 구성하면 계전기 오동작이나 불검출로 이어지므로, 중성점 접지방식과 CT 정격을 함께 이해해야 한다. 이 개념은 2개 회차에 출제되었다.

출제 이력: 제123회 2교시 5번, 제121회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

영상전류 검출방식은 3상 전류의 벡터합인 영상전류를 변류기 회로로 얻어 지락계전기에 공급하는 방식이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 방식별 회로와 적용 계통을 쓴다. 정의의 핵심은 벡터합과 지락계전기 공급 두 가지다.

핵심 키워드

• 영상전류 (Zero-Sequence Current)
• 잔류회로 (Residual Circuit)
• 영상변류기 (ZCT, Zero-Phase Current Transformer)
• 3권선부 CT 방식
• 중성점 접지선 CT 방식
• 접지형 계기용변압기 (GPT, Ground Potential Transformer)
• 지락계전기 (Ground Fault Relay, 51G)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 3상 회로가 정상이면 세 상의 전류를 모두 더한 값이 0이다. 그런데 한 상이 대지와 붙으면 전류 일부가 대지로 빠져 세 상의 합이 0이 아니게 된다. 이 0이 아닌 합이 영상전류다.

정식으로는 크기가 같고 위상이 같은 세 성분을 영상분이라 하며, 영상분의 크기를 영상전류라 한다. 이 정의는 대칭분(정상분·역상분·영상분)에서 나온다. 식은 다음과 같다.

$3\dot{I}_0 = \dot{I}_a + \dot{I}_b + \dot{I}_c$

여기서 \dot{I}_0는 영상전류(A), \dot{I}_a, \dot{I}_b, \dot{I}_c는 각 상 전류(A)다. 평형 3상에서는 우변이 0이므로 영상전류도 0이다.

영상전류는 지락전류와 같은 말이 아니다. 지락전류는 사고점에서 대지로 흐르는 전류 전체이고, 영상전류는 계통의 한 지점에서 측정되는 영상분이다. 두 값은 지락 경로에서 같은 성분을 나타내므로 지락 판정에 쓴다.

검출방식이 필요한 이유는 다음과 같다. 지락전류는 부하전류와 크기가 비슷하거나 더 작을 수 있다. 따라서 상전류 크기만으로 지락을 구분하기 어렵고, 영상분만 분리해 검출해야 부하 불평형과 구별된다. 이 분리가 검출방식의 핵심이다.

CT를 세 상에 달아 2차를 묶을 때는 각 상 CT의 극성 방향을 같게 맞춰야 한다. 극성이 반대이면 합이 상쇄되어 실제 영상전류가 0으로 나타난다.

• 잔류회로: 3개의 CT 2차를 Y결선한 뒤 중성선 쪽에 지락계전기(51G)를 넣는다. 세 2차 전류의 합이 중성선에 흐르며, 이 전류가 영상전류 값이다. 직접접지 계통에 주로 쓰고, 저항접지에서는 정격전류가 NGR 지락전류 제한값의 3배 이하일 때만 쓴다.
• 3권선부 CT 방식: 저항접지 계통에서 정격전류가 제한값의 3배 이상이어서 잔류회로를 쓰기 어려울 때 쓴다. 변압기 3차 권선에 CT를 두고, 그 2차를 개방델타(영상 분로결선)로 묶어 영상전류를 얻는다.
• 중성점 접지선 CT 방식: 변압기 중성점과 대지를 잇는 접지선에 CT를 설치하여 지락 시 접지선으로 흐르는 전류를 직접 검출한다. 직접접지와 저항접지 모두에 적용되며, 직접접지에서는 흔히 50/5 또는 100/5 변류비를 쓴다.
• 영상변류기(ZCT): 세 상 도체를 한꺼번에 관통시키는 도넛형 CT다. 정상 상태에서는 세 상 자속이 상쇄되어 2차 출력이 없고, 지락 시 영상전류만 2차에 나타난다. 비접지 계통에서 1회로에 1대씩 쓰며 관련 기준이 정한 정격이 일반적이다.
• 접지형 계기용변압기(GPT): 모선의 계기용 변압기 3차 권선을 개방델타로 결선해 영상전압을 얻는다. 정상 시 영상전압은 0이고, 1선 지락 시 건전상 전압 차로 영상전압이 생긴다.
• 지락계전기(51G): 영상전류가 정정값 이상이면 동작하는 과전류형 계전기다. 방향성이 필요하면 GPT 영상전압과 조합한다.

3. 등장 배경과 필요성

송배전 계통에서 지락사고는 발생 빈도가 가장 높은 고장이다. 지락을 방치하면 건전상 전압이 상승하고 사고가 다른 상으로 번질 수 있다. 따라서 지락을 감지하여 사고 회로만 빨리 차단하는 보호 기능이 필요해졌다.

지락 검출은 중성점 접지방식과 밀접하다. 중성점을 직접접지하면 지락전류가 커서 보호가 비교적 쉽다. 반면 저항접지나 비접지 계통은 지락전류가 제한되거나 매우 작아서, 방식마다 CT의 종류와 정격을 다르게 골라야 한다. 이 때문에 검출방식이 여러 가지로 발전했다.

예를 들어 지락전류가 100A로 제한된 계통에서 정격전류가 300A 이하이면 잔류회로를 쓸 수 있다. 정격전류가 300A를 넘으면 CT 정격이 커져 잔류회로의 정밀도가 떨어지므로 3권선부 CT가 더 적합하다. 이 판단은 지락전류 제한값과 주 회로 정격전류의 비로 한다.

비접지 계통은 지락 시 흐르는 전류가 대지 정전용량의 충전전류 정도로 작다. 케이블 계통이 늘어 정전용량이 커지면 충전전류도 커져 검출이 더 어려워진다. 그래서 미소 영상전류를 얻는 ZCT와, 영상전압을 얻는 GPT를 함께 쓴다. 두 값을 조합하면 여러 회선 중 사고 회선만 골라 차단하는 선택지락 판별도 가능하다.

3상 CT 2차를 단순히 합성하는 방식에는 CT 오차 문제가 있다. 변류기 오차와 과도 상태의 2차 전류 차가 영상전류처럼 나타날 수 있다. 부하전류가 큰 계통에서는 이 오차가 커져 오동작 가능성이 높아진다. 그래서 잔류회로에서도 CT 정격과 변류비를 전류 크기에 맞춰 선정한다.

대전류 저항접지 계통에서는 CT 정격이 커져 잔류회로 적용이 어렵다. 이때 변압기 3차 권선이나 중성점 접지선에 CT를 두는 방식이 필요해졌다. 즉 검출 위치를 바꿔 CT 정격과 지락전류 크기의 불일치를 피하는 것이 발전의 동기다.

실무에서는 계통의 접지방식, 지락전류 제한값, CT 정격 세 가지를 먼저 확인한다. 세 값이 맞으면 잔류회로, 맞지 않으면 3권선부 CT나 중성점 접지선 CT로 바꾼다. 이 판단 순서가 답안의 논리 전개가 된다.

결국 영상전류 검출방식은 어디서 영상분을 얻느냐와 계통이 어떻게 접지되었느냐의 두 조건으로 정해진다. 이 관계를 이해하면 방식 선택 문제를 바로 풀 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

영상전류 검출방식은 3상 전류의 벡터합(영상분)을 얻는 방법이다. 3상 전류를 모두 더하면 정상 상태에서는 0이 되고, 지락 사고가 나면 0이 아닌 값이 남는다. 이 값을 검출해 지락계전기(OCGR, 51G)나 방향성 지락계전기(SGR)에 넣는다.

영상전류는 3상 전류의 벡터합으로 정상 시 0, 지락 시 0이 아닌 값이 된다

원리는 키르히호프 전류법칙이다. 세 상의 전류를 더하면 대지로 빠져나간 전류만 남는다. 정상 부하전류는 상쇄되므로 계전기에는 지락 성분만 들어간다. 이 때문에 부하전류가 큰 계통에서도 지락 감도를 확보할 수 있다.

방식별 적용 조건

• 잔류회로 방식은 3대 CT를 Y결선하고 잔류 회로에 OCGR을 둔다. 중성점 직접접지 계통에 주로 쓴다.
• 저항접지 계통에 잔류회로를 쓰려면 정격전류가 NGR 지락전류 제한값의 3배 이하여야 한다.
• 3권선부 CT 방식은 3차 권선을 오픈델타로 결선해 영상전류를 얻는다. 정격전류가 NGR 제한값의 3배 이상인 저항접지 계통에 쓴다.
• 중성점 접지선 CT 방식은 NGR 접지선에 CT를 설치해 지락전류를 직접 측정한다. 직접접지와 저항접지 모두에 쓴다.
• 영상변류기(ZCT) 방식은 비접지 계통에서 1회선당 1대를 설치하고 GPT와 함께 SGR로 지락을 보호한다.

절차는 다음과 같다.

• 3상 CT가 각 상 전류를 2차 측으로 변환한다.
• 잔류회로 또는 ZCT에서 세 상 전류의 합(영상전류)을 얻는다.
• 영상전류가 계전기 정정값 이상이면 지락 계전이 동작한다.
• 방향성 계전기는 영상전압과 영상전류의 위상으로 사고 회선을 선택한다.
• 차단기가 사고 회선만 차단한다.

영상 성분은 대칭분 해석으로 다음과 같이 나타낸다.

$I_0 = \frac{1}{3}(I_a + I_b + I_c)$

여기서 I_0는 영상전류(A), I_a, I_b, I_c는 각 상 전류(A)다. 정상 운전에서 I_a+I_b+I_c=0이므로 I_0=0이다. 지락 시에는 지락 전류의 3분의 1이 영상분으로 나타난다.