특고압 변압기 보호장치

왜 배우는가: 특고압 변압기는 내부 고장이 발생하면 사고가 전력계통 전체로 번질 수 있어 보호장치의 시설기준과 동작원리를 정확히 알아야 한다. 기술사 시험에서는 전기설비기술기준의 판단기준 내부고장 보호장치 조항과 기계적·전기적 보호방식 비교가 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 10번, 제132회 2교시 6번, 제120회 3교시 5번, 제113회 2교시 1번, 제99회 4교시 3번, 제96회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장: 특고압 변압기 보호장치는 변압기 내부 고장을 전기적·기계적으로 검출해 경보하거나 전로에서 자동 차단하여 기기 손상과 사고 확대를 막는 장치다.

핵심 키워드

• 내부고장 보호
• 뱅크용량
• 자동 차단장치
• 내부고장 경보장치
• 부흐홀츠 계전기(Buchholz relay)
• 차동계전기
• 압력계전기
• 전기적 보호와 기계적 보호

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 변압기 안에서 절연유가 탈 만큼 열이 나거나 권선이 서로 붙으면 그 상태를 빨리 알아내 기기를 떼어내는 장치가 필요하다는 뜻이다. 외부에서 들어온 사고는 차단기와 과전류계전기가 맡고, 변압기 자체의 내부 고장은 별도 보호장치가 맡는다.

정식 정의는 전기설비기술기준 제22조 제2항의 내용과 같다. 특고압 변압기 또는 조상설비에 이상이 생겨 기기를 현저히 손상할 우려가 있거나 전기 공급에 지장을 줄 우려가 있으면, 자동적으로 전로에서 차단하는 장치를 시설하고 그 밖에 적절한 조치를 해야 한다.

내부고장은 변압기 탱크 안의 권선, 철심, 절연유에서 발생하는 고장이다. 층간 단락, 상간 단락, 철심 과열, 절연유 열화에 따른 가스 발생이 대표적이다. 외부 단락과 달리 전류만으로는 검출이 늦거나 어려워 별도의 검출 원리가 필요하다.

전기적 보호는 전류 또는 전압의 이상을 계전기로 검출하는 방식이다. 비율차동계전기와 과전류계전기가 여기에 속한다.

기계적 보호는 고장으로 생긴 가스, 유류 흐름, 압력 변화를 기계적 동작으로 검출하는 방식이다. 부흐홀츠 계전기와 압력방출장치가 대표적이다. 부흐홀츠 계전기는 1921년 Max Buchholz가 개발한 가스검출 계전기이며, 변압기 본체와 콘서베이터(conservator) 사이 배관에 설치한다.

뱅크용량은 한 뱅크를 이루는 변압기의 전체 용량을 말한다. 보호장치의 시설 수준을 나누는 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 계통의 중심 설비이고 한 대가 고장 나면 송전·배전 공급 전체에 영향이 미친다. 또 내부 고장은 절연유 분해로 가스가 생기고 압력이 급상승해 탱크 파열과 화재로 이어질 수 있다. 이런 이유로 전기설비기술기준은 용량이 커질수록 보호장치를 강화하도록 단계별 시설 기준을 두었다.

대용량화 추세도 필요성을 키운다. 22.9kV 수전설비와 대용량 변압기가 늘면서 한 번의 내부 고장이 설비 피해와 정전 규모를 키운다. 따라서 경보만 하는 방식에서 자동 차단하는 방식으로 보호 수준을 올리고, 전기적 보호와 기계적 보호를 함께 쓰는 방향으로 발전했다.

계전기 자체의 동작 원리도 필요성의 배경이다. 계전기는 전류나 가스의 이상 신호를 받아 차단기를 동작시키며, 신호 경로가 짧고 확실해야 사고 확대를 막을 수 있다.