보호계전시스템 기능·구성·방식·분류

왜 배우는가: 보호계전기는 고장이나 이상 상태가 생겼을 때 고장 구간만 신속하게 분리해 설비 손상과 정전 확대를 막는 시스템의 두뇌에 해당한다. 기능과 구성, 보호방식, 분류는 2·3·4교시에서 반복해 출제되므로 기본 개념을 정확히 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제134회 2교시 5번, 제131회 3교시 1번, 제104회 3교시 1번, 제93회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

보호계전기는 전력계통이나 전기기기의 이상을 검출하여 차단기에 트립 신호를 보내 고장 구간을 신속하게 분리하는 장치이다.

핵심 키워드

• 보호계전기(Protective Relay)
• 고장 검출과 트립 신호
• 선택성(Selectivity)과 신속성(Speed)
• 감도(Sensitivity)와 신뢰성(Reliability)
• 차단기(Circuit Breaker)와 보호협조
• 계전방식과 보호구간

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 보호계전기는 전기 시스템의 이상을 감시하는 감시원이다. 전류와 전압을 계속 측정하다가 정해진 값을 넘어서면 차단기에 명령을 내려 문제가 있는 부분만 떼어낸다.

정식 정의는 다음과 같다. 보호계전기는 전력계통을 구성하는 기기나 선로에 고장 또는 이상 상태가 발생했을 때 이를 검출하고, 그 결과에 따라 차단기 등 개폐장치를 동작시키는 계전 장치다. 전력용 변류기(CT)와 계기용 변압기(VT)에서 얻은 전압·전류 신호를 입력으로 받는다.

보호계전기의 핵심 기능은 세 가지로 요약된다. 첫째는 고장 검출로, 이상 상태를 전기량의 변화로 판단하는 것이다. 둘째는 판단으로, 검출한 값이 정정치를 넘는지 가려내는 것이다. 셋째는 동작 명령으로, 차단기 트립 코일에 신호를 보내는 것이다.

보호계전 기능이 올바르게 작동하려면 선택성이 필요하다. 선택성은 고장 구간만 정확히 분리하고 건전한 구간의 정전은 막는 능력이다. 신속성은 고장 전류가 기기를 손상시키기 전에 제거하는 능력이다. 감도는 작은 고장 전류에도 동작하는 능력이고, 신뢰성은 필요할 때 반드시 동작하고 필요 없을 때는 동작하지 않는 능력이다. 이 네 가지는 보호계전 시스템의 기본 요건이다.

보호계전기는 기능 번호로 구분하는 것이 관례다. 미국 표준(ANSI) 기계기구 번호에서 과전류 계전기는 50 또는 51로 표시된다. 기능 번호는 계전기가 무엇을 보호하는지 한눈에 알려 준다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통이 커지고 복잡해지면서 고장 한 건이 넓은 범위의 정전으로 번질 가능성이 커졌다. 과거에는 고장이 나도 퓨즈가 끊기기를 기다리거나 운전원이 수동으로 조치해야 했다. 이 방식은 느리고 고장 구간을 정확히 특정하기도 어려웠다.

이 문제를 해결하기 위해 전기량을 자동으로 감시하고 차단기를 자동 동작시키는 보호계전 시스템이 발전했다. 이 시스템은 고장 전류가 흐르는 시간을 짧게 줄여 기기 손상과 화재를 막는다. 또한 고장이 난 구간만 분리해 나머지 계통이 계속 전력을 공급받도록 한다.