접지방식별 지락보호 검출방식

왜 배우는가: 접지방식에 따라 지락전류의 크기와 중성점 전위 변화가 크게 달라지므로, 보호계전기의 검출 원리와 정정을 방식별로 달리 적용해야 한다. 기술사 시험에서는 접지방식 비교와 지락 검출방식 열거 문항으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 2교시 3번, 제122회 4교시 1번, 제113회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지방식별 지락보호 검출방식은 중성점 접지 방식에 따라 달라지는 지락전류·영상전압을 영상전류 검출기와 영상전압 검출기로 감지해 고장 회선을 경보하거나 선택 차단하는 방식이다.

접지방식에 따라 지락전류 크기가 달라지므로 검출 방식과 계전기 정정이 달라진다.

• 중성점 접지방식
• 지락전류(Ground Fault Current)
• 영상전류(Zero-sequence Current)
• 영상전압(Zero-sequence Voltage)
• ZCT(Zero-phase Current Transformer)
• 지락 과전류 계전기(OCGR)
• 지락 과전압 계전기(59N)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 땅으로 새는 전류를 잡아서 고장난 선로만 끊는 장치를 어떻게 설계하는가의 문제다. 지락이 생기면 세 상의 전류 합이 0이 아니게 되며, 이때 생기는 성분이 영상분이다. 정상 운전에서는 영상분이 거의 0이므로 영상분의 크기를 보면 지락을 알 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력계통의 1선 지락고장 시 발생하는 영상분 전류 또는 영상분 전압을 검출하여, 계통의 중성점 접지 조건에 맞는 계전기로 고장 구간을 판별하고 차단 또는 경보를 수행하는 보호 방식을 지락보호라 한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 영상전류는 세 상 전류의 합으로 3I_0 로 표기한다. 정상 운전에서는 이 값이 거의 0이고, 지락이 생기면 뚜렷하게 커진다. ZCT는 세 상의 전선을 한꺼번에 관통시켜 영상전류만 2차로 뽑아내는 변류기다. 간단히 말해 지락 전류를 찾아내는 센서다.

영상전압은 세 상 전압의 합 3V_0 이다. 비접지 계통에서는 지락 시 영상전압이 가장 뚜렷한 신호가 된다. 영상전압은 모선에 설치한 GPT의 개방 델타 권선으로 얻는다. 쉽게 말해 중성점이 떠 있을 때 쓰는 대표 신호다.

지락 과전류 계전기는 영상전류가 정정값을 넘으면 동작하는 계전기다. 직접접지 계통이나 저저항 접지 계통에서 기본으로 쓴다. 쉬운 말로 설명하면, 큰 지락 전류가 흐르면 바로 끊는 장치다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통의 중성점 접지 방식은 지락전류 크기와 이상전압 억제, 절연 설계 비용 사이의 균형을 맞추기 위해 발전되어 왔다. 직접접지 방식은 지락전류가 커서 계전기 동작이 확실하지만, 통신선 유도장해와 차단기 차단용량 증대 문제가 생긴다. 반대로 비접지 방식은 지락전류가 작아 고장이 나도 계속 운전할 수 있으나, 고장 회선을 찾기 어렵다는 문제가 있다.

따라서 접지방식마다 검출 원리가 달라져야 한다. 지락전류가 충분히 큰 계통에서는 과전류 계전 방식을 쓸 수 있다. 지락전류가 작은 계통에서는 영상전압이나 방향성 요소, 간헐 지락 검출 같은 방식이 필요하다. 저저항 접지 계통은 두 방식의 중간에 놓여 있어 검출 감도를 어떻게 확보하는지가 실무의 핵심 쟁점이다.

지락보호는 인명 안전과 설비 보호를 함께 목표로 한다. 지락 고장이 오래 지속되면 건전상의 대지전위가 올라 기기 절연이 손상되고, 2점 지락으로 확대될 위험이 있다. 그래서 검출 방식은 고장을 빠르게 찾아 필요한 구간만 분리하는 선택성을 함께 갖춰야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

접지방식별 지락보호는 중성점 접지 임피던스에 따라 지락전류의 크기와 나타나는 신호가 달라지므로, 검출기와 계전 방식을 계통 접지방식에 맞춰 정한다. 구성요소는 영상전류 검출기(ZCT), 영상전압 검출기(GPT 개방삼각 결선), 지락 과전류 계전기(OCR 지락 요소, 권장 명칭 50N/51N), 지락 과전압 계전기(59N), 방향성 지락 계전기(67N)이다.

지락 발생 시 영상 성분의 원리는 다음과 같다. 1선 지락 시 고장상 전압은 대지전위가 되고, 3상 전압의 벡터합 3V₀이 나타난다. 영상전류 3I₀은 대지로 흐르는 지락전류가 되어 ZCT 로 검출된다. 정상 운전에서는 3상 합이 0이므로 영상 성분이 거의 없다.

직접접지 계통의 1선 지락전류는 무부하 기준으로 고장상 전류 Iₐ = Ig 이고, 대칭분 관계는 정상분 = 역상분 = 영상분이므로 Ig = 3I₀ 이 된다. 이 때문에 지락전류가 크고 계전기 동작이 확실하다. 반면 건전상 대지전위 상승은 낮게 억제된다.

비접지 계통의 1선 지락전류는 건전상의 대지정전용량을 통해 흐르는 충전전류이므로 작다. 따라서 $I_g \approx 3\omega C_0 E$ 의 크기로 계산하며, 여기서 C_0는 회선의 대지정전용량(F), E는 대지전압(V), \omega는 각속도(rad/s)다. 지락 시 건전상 전위는 선간전압 수준으로 올라가므로 절연 강도를 함께 검토한다.

지락 보호 절차는 다음과 같다.

• 계통의 중성점 접지방식을 확인하고 지락전류 크기 범위를 계산한다.
• 검출 신호를 정한다. 영상전류(ZCT), 중성점 전류, 영상전압(GPT) 중 하나 또는 조합을 선택한다.
• 계전 요소를 정한다. 과전류(51N), 과전압(59N), 방향성(67N) 중 계통 구성에 맞게 고른다.
• 정정값과 동작시간을 정한다. 다전원 계통은 방향 요소를 쓰고, 선로 길이와 차단기 동작시간을 기준으로 선택협조를 확인한다.
• 차단 또는 경보 동작을 연결한다. 비접지 계통은 경보 후 고장 회선을 탐색해 제거한다.

지락전류 크기가 방식을 결정하고, 검출 신호와 계전 요소는 그 크기에 맞춰 고른다

이 구성도는 중성점 접지 방식에 따라 어느 검출기로 신호를 받는지 보여 준다. 직접접지와 저항접지는 영상전류 경로, 비접지는 영상전압 경로로 나뉜다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지계통의 지락보호 기준은 설비 기준과 계통 운용 기준으로 나뉜다. 전기설비의 접지 방식과 보호장치 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 따르며, 2021-01-01 부터 적용된다. 설비 기준에서 중성점 접지 방식과 접지저항 값은 KEC 접지 관련 조항에 따른다. 조항 번호는 확인되지 않아 이름만 쓴다.

중성점 접지 방식별 지락전류와 특징은 다음 표로 정리한다.

유효접지 계통의 건전상 대지전위 상승 기준은 1.3배 이하이며, 이 값은 중성점 접지의 목적인 이상전압 저감을 설명하는 근거다. 저항접지의 지락전류 제한값은 계통 조건에 따라 정하며, 수치를 고정하지 않는다.

개정 연혁으로는 2021-01-01 한국전기설비규정(KEC) 시행이 있다. 이전의 '전기설비기술기준의 판단기준' 체계는 대체되었다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

접지방식은 중성점 임피던스에 따라 지락전류의 크기가 크게 달라지므로, 이에 맞춰 검출 방식과 계전기 종류를 달리 선정한다. 아래 표는 접지방식별 지락전류 특성과 검출 방식을 비교한다.