고압전동기 과전류계전기 정정

왜 배우는가: 고압전동기는 기동전류가 정격의 5~7배에 이르고 구속 상태에서 소손 위험이 커서, 과전류계전기를 잘못 정정하면 기동 중 오동작하거나 사고 때 보호하지 못한다. 기술사 시험에서는 정정 절차와 계산 문제로 반복 출제되므로 원리와 순서를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제104회 1교시 2번, 제96회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고압전동기 과전류계전기 정정은 전동기의 정격전류·기동전류·구속(Stall) 한계시간을 기준으로 50(순시)과 51(한시) 요소의 탭과 시간 설정값을 정하는 작업이다.

• 과전류계전기(OCR)
• 50/51 계전기
• 구속한계시간(Safe Stall Time)
• 기동전류 배수
• 시간 다이얼(Time Dial)
• CT 비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전동기가 너무 늦게 끊기면 열로 타버리고 너무 빨리 끊기면 정상 기동도 끊어 버린다. 그래서 전동기가 견딜 수 있는 시간과 기동에 필요한 시간 사이에 동작 곡선을 맞추는 일이 정정이다.

과전류계전기(Overcurrent Relay, OCR)는 전류가 설정값(탭, Pickup)을 넘으면 동작하는 계전기다. ANSI 기호 50은 순시 동작, 51은 한시 동작을 뜻한다. 고압 전동기 보호에서는 두 요소를 결합해 사용한다.

탭(Tap)은 계전기가 동작을 시작하는 전류값이다. CT 2차 전류 기준으로 정하며, 1차 환산값은 CT 비를 곱해 구한다.

시간 다이얼(Time Dial)은 같은 전류에서 동작 시간을 조절하는 설정값이다. 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지는 반한시 특성을 이용한다.

구속한계시간(Safe Stall Time)은 전동기 회전자가 정지한 상태로 정격 이상의 전류가 흘러도 열적 손상 없이 견딜 수 있는 최대 시간이다. 한시 요소는 이 시간보다 짧게 동작하도록 정한다.

기동시간(Acceleration Time)은 전동기가 정지 상태에서 정격속도에 도달할 때까지 걸리는 시간이다. 한시 요소는 이 시간 동안 기동전류로 오동작하지 않아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

고압 전동기는 대용량이고 기동 시 전류가 크다. 기동전류는 정격전류의 5~7배 정도이며, 전압 강하와 열적 스트레스를 동시에 일으킨다. 전동기가 기동에 실패하거나 축이 걸려 구속되면 고정자 권선 온도가 짧은 시간에 한계에 도달한다.

구속 상태 과전류 보호는 구속한계시간 이내 차단이 필요하며, 이를 위해 과전류 특성을 전동기 열 특성 곡선과 맞춰야 한다. 정정을 잘못하면 기동 중 오동작으로 생산이 중단되거나, 반대로 사고 시 전동기가 소손된다.

3kV 이상 전동기는 고압차단기로 개폐하고 보호계전기로 보호한다.

4. 구성요소·원리·절차

고압전동기 보호 체계는 전동기 본체, 공급 회로, 차단기, 보호계전기, 변류기(CT)로 구성된다. 과전류계전기(50/51)는 CT 2차 전류를 받아 정정값을 넘으면 차단기 트립 코일을 여자시킨다. 전동기는 기동 시 정격전류의 5~7배가 단시간 흐르므로 과전류 계전기는 기동전류에 동작하지 않고, 구속 상태에서 허용되는 한계시간 안에는 반드시 차단해야 한다.

과전류 계전기의 동작 원리는 유도원판형의 경우 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지는 반한시 특성이다. 이 특성을 이용해 전동기 기동 전류와 구속 한계 시간 사이에 동작 곡선을 맞춘다.

정정 절차는 다음과 같다.

• 전동기 정격전류 I_n을 구한다. 정격출력, 전압, 역률, 효율로부터 계산한다.
• 기동 전류 I_s와 구속 상태의 허용 시간(safe stall time)을 확인한다.
• CT 2차 정격전류(통상 5A)를 기준으로 전류탭 I_p를 정한다. 여유율을 곱해 정격전류의 1.05~1.25배 범위에서 설정한다.
• 탭 전류 기준 CT 2차 전류 I_{s}의 배수 M을 구한다.
• 시간탭(TD)을 정해 계전기 동작 곡선이 기동 곡선 아래, 구속 한계 시간 곡선 위에 놓이도록 한다.
• 순시 요소는 기동 전류보다 크고 단락 전류보다 작게 설정한다.

계전기 동작 시간 식은 다음과 같다.

$t=\frac{TMS \times k}{M^{\alpha}-1}$

여기서 t는 동작 시간(s), M은 탭 전류 대비 입력 전류 배수, TMS는 시간 설정값, k와 \alpha는 계전기 특성 상수다. 표준 반한시 특성에서 \alpha=0.02, k=0.14를 쓴다.

다음 그림은 기동 곡선과 계전기 곡선의 관계를 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

고압 전동기 보호계전기 정정은 법령의 직접 수치보다 한국전기설비규정(KEC)의 보호장치 시설 원칙과 제조사·설계기준의 정정 방법을 따른다. 전기설비의 보호장치 시설은 KEC 에 따라 고장 전류를 자동으로 차단하는 장치를 설치해야 한다. 소방 관련 기준과는 적용 대상이 다르다.

기준 전류 탭의 여유율은 설계 실무서에서 널리 쓰이는 범위다. 기동 전류가 큰 전동기일수록 기동부하 여유율을 적용한다. 순시 요소 정정은 단락용량 범위 안에서 한다.

개정 연혁으로는 2021-01-01 부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다.

6. 유형과 비교

고압전동기 보호에 쓰는 과전류계전기는 동작 특성에 따라 순시형(50)과 한시형(51)으로 나뉘고, 한시형은 다시 정한시·반한시(IDMT)로 나뉜다. 전동기는 기동 시 큰 전류가 흐르므로 기동전류에는 동작하지 않고 구속·단락 전류에는 빠르게 동작해야 한다. 이 때문에 유형별 특성을 구분해 정정하는 것이 핵심이다.

순시형은 단락 사고를 빠르게 차단하지만 기동전류에 오동작하지 않도록 기동전류보다 높게 정정한다. 반한시형은 전동기 열 한계곡선(safe stall time)과 맞추어 시간 탭을 정하는 방식이다. 전동기 보호에는 구속 전류와 안전 정지 시간을 기준으로 하는 반한시 특성이 가장 많이 쓰인다.