발전기·특고압 변압기 보호장치

왜 배우는가: 발전기와 특고압 변압기는 고장이 나면 기기 손상과 정전이 함께 커지므로, 자동 차단 장치의 조건을 정확히 알아야 한다. 이 내용은 KEC 기준 전환 이후 보호장치 문항으로 반복해서 출제되었다.

출제 이력: 제135회 3교시 5번, 제126회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 정의를 한 문장으로 먼저 쓴다. 정의의 주어는 발전기이고, 동작 조건과 동작 결과를 함께 적는다. 동작 조건은 「손상 우려 또는 전기공급 지장 우려가 있는 이상」이고, 동작 결과는 자동 차단이다. 두 조건을 모두 쓰지 않으면 정의 점수가 깎인다.

발전기 보호장치는 발전기에 현저한 손상이나 전기공급 지장을 줄 이상이 생기면 자동으로 전로를 차단하는 장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 발전기 보호
• 자동 차단
• 전로
• 이상 상태
• 특고압 변압기
• 조상설비
• 과전류 계전기
• 지락 보호

키워드는 답안 본문에 용어 그대로 써야 채점 항목과 맞는다. 계전기는 기구 번호와 함께 쓰면 설명이 짧아진다. 예를 들어 순시 과전류 계전기는 ANSI 50 번호로 표기한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 발전기가 고장 나면 기계를 지키고 전력계통이 흔들리지 않도록 스스로 연결을 끊는 장치다. 발전기는 회전하는 전기기계이므로 과전류나 지락이 계속되면 고정자와 회전자가 손상된다. 또 계통에 연결되어 있으면 고장이 다른 설비로 번진다.

정식으로는 발전기, 연료전지, 상용전원으로 쓰는 축전지 같은 전기기계기구에 현저한 손상이나 전기공급 지장을 줄 우려가 있는 이상이 생기면, 자동으로 그 전로를 차단하는 장치를 시설하는 것을 말한다. 특고압 변압기와 조상설비에는 같은 취지의 자동 차단 장치와 그 밖의 적절한 조치를 함께 요구한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 전로는 전기가 흐르는 회로 전체를 뜻하며, 차단은 이 회로를 차단기로 여는 것이다. 이상 상태는 과전류, 지락, 과전압, 역전력처럼 정상 운전 범위를 벗어난 상태를 말한다. 자동 차단은 운전원의 조작 없이 계전기가 동작하고 차단기가 열리는 것을 뜻한다. 이 세 용어를 정확히 쓰면 정의 문장이 완결된다.

자동 차단이 요구되는 기기는 발전기, 연료전지, 상용전원 축전지, 특고압 변압기, 조상설비다. 이 범위를 먼저 나열하면 답안의 뼈대가 잡힌다.

3. 등장 배경과 필요성

발전기 고장을 방치하면 기기 손상이 커지고 복구 비용과 기간이 늘어난다. 발전기가 계통에 병렬로 연결되어 있으면 한 대의 고장이 다른 발전기와 부하에도 영향을 준다. 특히 발전기가 갑자기 부하를 잃으면 즉시 정지시켜야 하고, 계통의 수요와 공급 균형을 다시 맞추는 데 여러 시간이 걸릴 수 있다. 재연결 전에는 반드시 동기화가 필요하기 때문이다.

그래서 기준은 이상이 생기면 사람이 판단하기 전에 장치가 먼저 전로를 끊도록 요구한다. 구 전기설비기술기준 제22조는 발전기, 연료전지, 상용전원 축전지에 대해 이 원칙을 정했다. 같은 조 제2항은 특고압 변압기와 조상설비에 자동 차단 장치와 그 밖의 적절한 조치를 요구했다. 두 항의 구조가 KEC에도 그대로 이어지므로, 답안은 기기군별로 나눠 쓰는 것이 안전하다.

한국전기설비규정은 2021-01-01부터 적용된다. 이 날짜 이후 전기설비 기준의 명칭과 체계가 KEC로 바뀌었다. 옛 명칭인 전기설비기술기준의 판단기준은 대체되었으므로, 답안에는 KEC 명칭을 쓰고 구 조문은 근거로만 밝힌다. 특고압 변압기 보호는 고압 측 고장이 수용가 전체에 미치는 영향이 크므로 필요성이 더 높다.

현저한 손상 우려 또는 전기공급 지장 우려 기준이 자동 차단 여부를 가르는 판단 근거다. 이 두 우려 중 하나라도 있으면 자동 차단 대상이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

발전기와 특고압 변압기는 고장이 나면 기기 자체가 크게 손상되고, 전력 공급 전체에 영향을 준다. 그래서 한국전기설비규정(KEC)은 이상이 생겼을 때 전로에서 자동으로 분리하는 장치를 요구한다. 보호장치는 검출부, 판단부(계전기), 차단부(차단기)로 구성된다.

표의 구성은 검출, 판단, 차단의 순서로 동작한다. 판단부는 설정값을 넘는 신호를 받으면 트립 신호를 내고, 차단부가 전로를 끊는다. 검출부의 정확도가 떨어지면 판단부가 옳게 동작해도 보호 목적을 달성하지 못한다.

원리는 이상 상태를 정상 상태와 구분하는 데 있다. 과전류는 전류의 크기가 설정값을 넘는지 보고, 지락은 영상전류나 지락 전압의 발생을 보며, 온도 상승은 권선 온도 신호로 판단한다. 보호 계전기는 고장 위치가 보호 구간 안인지 밖인지도 구분해야 한다. 구간 밖 고장에서 불필요하게 동작하면 정전 범위가 넓어진다.

절차는 다음과 같다.

• 검출부가 전류, 전압, 온도 신호를 측정한다.
• 판단부가 설정값과 비교해 이상 여부를 판정한다.
• 이상이 확인되면 트립 신호를 차단기에 보낸다.
• 차단기가 전로를 차단하고, 경보를 발신한다.
• 원인을 제거한 뒤 복구 조건을 확인하고 재투입한다.

과전류 보호의 기본 식은 다음과 같다.

$I_{set} = \frac{I_{pickup}}{CT비}$

여기서 I_{set}는 계전기 탭 설정 전류(A), I_{pickup}는 보호할 전류의 기준값(A), CT비는 변류기의 1차 대 2차 전류비이다. 계전기 설정은 부하 전류보다 높고 최소 고장 전류보다 낮은 범위에서 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

발전기와 특고압 변압기의 보호는 전기설비기술기준 제22조 체계에서 출발했다. 이 조문은 발전기, 연료전지, 상용전원용 축전지에 그 전기기계기구를 현저하게 손상할 우려가 있거나 전기 공급에 지장을 줄 우려가 있는 이상이 생기면 자동으로 전로에서 차단하는 장치를 시설하도록 정한다(원자력 발전소 비상용 예비 발전기는 비상용 노심 냉각장치가 작동한 경우 제외). 특고압 변압기와 조상설비에도 현저한 손상 또는 공급 지장 우려가 있는 이상이 생겼을 경우 같은 취지의 자동 차단 장치를 시설하고 그 밖의 적절한 조치를 하도록 정한다. 현행 세부 기준은 한국전기설비규정(KEC)에서 정해지며, KEC는 2021년 1월 1일부터 적용된다.

발전기 보호 조건은 다음 기준으로 정리한다. 원문 조문과 세부 기준에서 정하는 값은 아래 표에 함께 적는다.

위 표에서 발전기 보호의 핵심 기준은 기기 손상 우려 또는 공급 지장 우려가 있는 이상 이다. 이 조건에 해당하면 자동으로 전로 차단 이 원칙이다.

계전기 동작 기준은 KEC 해설과 설계 실무에서 쓰는 값이다. 과전류 계전기의 기구번호는 ANSI 기준으로 50(순시), 51(한시)이며, 발전기 보호 계전기에는 역상 과전류, 지락 과전압, 역전력, 발전기 차동 보호가 함께 쓰인다. 기구번호는 계전기 종류를 나타내는 약속이다.

개정 연혁은 다음과 같다. 전기설비기술기준은 2021년 1월 1일부터 KEC 체계로 옮겨가면서 세부 판단기준이 KEC 조항으로 정리됐다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체됐다. 조문 제22조의 기본 취지는 기준의 개편 과정에서도 유지되고 있다.

6. 유형과 비교

발전기와 특고압 변압기의 보호장치는 보호 대상과 이상의 종류에 따라 구분한다. 보호 대상 기기가 현저하게 손상될 우려가 있는 이상과, 전기 공급에 지장을 줄 우려가 있는 이상을 기준으로 보호 기능을 나눈다. 아래 표는 발전기와 특고압 변압기의 보호 요소를 비교한 것이다.