발전기 보호계전방식

왜 배우는가: 발전기는 계통에서 가장 값비싼 설비이며 고장 시 파급 피해가 커서, 내부고장과 외부고장을 정확히 구분해 신속히 분리하는 보호계전방식의 이해가 필수다. 기술사 시험에서는 발전기 보호계전기의 기능번호(87G, 40, 32, 24, 51V, 59GN 등)와 단선도를 묻는 문항이 반복해서 출제되므로 기본 개념을 체계적으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제133회 4교시 1번, 제113회 2교시 3번, 제95회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

발전기 보호계전방식은 발전기의 내부고장·외부고장·비정상 운전상태를 검출하여 고장 기기를 계통에서 신속히 분리하고 기기 손상과 사고 확대를 막는 보호 체계이다.

• 발전기 보호
• 비율차동계전기(87G)
• 지락과전압계전기(59GN)
• 계자상실계전기(40)
• 역전력계전기(32)
• 과여자계전기(24)
• 전압억제형 과전류계전기(51V)
• 역상(불평형)계전기(46)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 발전기가 고장 나거나 이상 운전을 할 때 그것을 빨리 알아채서 발전기를 전력계통에서 떼어 내는 장치들의 묶음이다. 발전기는 회전하는 대형 기기이므로 고장이 나면 고정자와 회전자가 함께 손상되고, 고장 전류가 계통으로 흘러 다른 설비까지 피해를 준다. 그래서 보호 목적에 따라 여러 계전기를 조합해 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. 발전기 보호계전방식은 발전기 본체(전기자권선, 계자권선, 회전자 등)와 발전기에 연결된 승압변압기, 모선, 여자장치를 대상으로 고장 및 이상상태를 검출하는 계전기 구성과 그 결선 방식을 말한다. 각 계전기는 고장의 종류에 맞는 전기량(전류, 전압, 임피던스, 상전류 차, 영상전압 등)을 입력받아 동작한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 내부고장: 발전기 권선 내부에서 발생하는 상간단락, 층간단락, 지락 등의 사고다. 발전기 자체를 손상시키므로 즉시 차단해야 한다.
• 외부고장: 계통 측에서 발생한 단락이나 지락 사고다. 발전기는 고장 전류 공급원이 되므로 후비보호로 분리한다.
• 비율차동: 발전기 양단의 전류 차를 억제력과 동작력의 비로 판정하는 방식이다. 외부고장에서는 동작하지 않도록 억제력을 준다.
• 중성점 접지: 지락 시 전류를 제한하고 이상전압을 억제하기 위해 발전기 중성점에 저항 또는 접지변압기를 설치하는 방식이다.
• 계자상실: 계자회로가 단선되거나 단락되어 계자자속이 사라지는 상태다. 회전자가 가속되어 유도발전기처럼 동작하며 회전자 표면이 과열된다.

3. 등장 배경과 필요성

발전기는 용량이 커질수록 단위 기기당 가치가 커지고, 고장 시 복구에 수개월이 걸릴 수 있다. 따라서 고장 발생 직후 최소한의 범위만 차단하고 손상 확대를 막는 보호가 요구된다. 발전기 본체의 고장은 자속과 전류가 큰 상태에서 일어나므로 발열과 전자력에 의한 기계적 손상이 빠르게 진행된다.

계통 측면에서도 필요성이 크다. 발전기는 고장 시 단락 전류를 계통에 공급하므로 발전기 보호가 늦으면 계통 안정도가 떨어지고 인접 설비까지 피해가 확대된다. 그래서 발전기 보호계전기는 발전기 자체를 지키는 1차 보호와, 계통 고장에 대한 후비보호를 함께 갖춘다.

또한 발전기는 운전 조건이 다양하다. 과여자, 역전력(모터링), 불평형 부하, 계자 상실, 주파수·전압 이상 등 여러 비정상 상태가 발생할 수 있다. 각 상태마다 기기 손상의 원인이 다르므로 한 가지 계전기로는 모든 상태를 막을 수 없고, 고장 종류별로 계전기를 나누어 설치하는 것이 원리적 필요성이다.

발전기 보호는 기존 전자기계식 계전기에서 디지털 다기능 계전기로 발전해 왔다. 한 대의 디지털 계전기가 여러 기능을 수행하더라도 기능번호와 보호 목적은 그대로 유지되므로, 시험에서는 기능번호별 역할을 정확히 답하는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

발전기 보호계전방식은 고장 위치와 종류에 따라 주보호와 후비보호로 나눈다. 전기자 권선의 상간·층간 단락은 비율차동계전기(87G)가 주보호를 맡는다. 전기자 권선의 지락은 지락과전압계전기(59GN)가 맡는다. 계자, 역상, 과여자, 역전력 같은 운전 이상은 각 전용 계전기가 감시한다.

구성요소와 보호 대상을 표로 정리하면 다음과 같다.

표에서 보듯 전기자 내부 고장은 87G와 59GN이 주보호다. 계자와 역상 계전기는 발전기 자체를 열적·기계적으로 보호한다. 비율차동계전기는 외부 고장의 과대 전류에 오동작하지 않도록 억제 특성을 갖춘다. 억제 전류가 커질수록 동작 기준도 커진다.

비율차동계전기의 기본 식은 다음과 같다.

$I_d = |I_1 + I_2|$

$I_r = \frac{|I_1| + |I_2|}{2}$

I_d는 동작 전류(차전류)[A], I_r은 억제 전류(통과 전류)[A], I_1과 I_2는 발전기 양단 CT의 2차 전류[A]다. I_d가 억제 특성 곡선의 최소 동작 전류를 넘고 그 비율을 넘을 때 동작한다. 외부 고장에서는 I_1과 I_2가 같은 크기로 흘러 I_d가 작다.

발전기 지락 보호의 절차는 다음과 같다.

• 중성점에 접지저항 또는 접지변압기를 설치하여 지락 전류를 제한한다.
• 전기자 지락이 발생하면 중성점 전압이 상승한다.
• 접지변압기 2차 전압을 지락과전압계전기가 검출한다.
• 설정 시간 후 발전기 차단기와 계자 차단기를 동작시킨다.

발전기 보호 결선의 흐름과 계통 연결을 그림으로 나타내면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

발전기 보호는 전기설비 기준과 발전기 보호 안내서를 함께 따른다. 국내에서는 한국전기설비규정(KEC)이 2021-01-01부터 전기설비 기준으로 적용된다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 이 기준으로 대체됐다. 발전기 보호의 세부 설계는 발전기 보호 안내서를 많이 참고한다. 다음 표는 계전기별 기준 값과 조건을 모은 것이다.

표의 값은 발전기 용량과 접지 방식, 계전기 형식에 따라 달라진다. 기준 값은 정정 시 제작사 기준과 설계 기준을 함께 확인해 적용한다. 과여자 계전기는 발전기와 승압변압기의 철심 과열을 막는 것이 목적이다. 계자 상실은 발전기가 유도발전기처럼 동작하여 회전자가 가열되는 현상을 막는다.