변압기 전기적·기계적 보호방식

왜 배우는가: 변압기는 고가이고 고장 시 복구에 오랜 시간이 걸려 보호방식을 정확히 이해해야 한다. 전기적 보호(과전류·차동·지락)와 기계적 보호(부흐홀츠·압력계전기 등)를 구분해 설명하는 문제가 여러 교시에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제137회 2교시 3번, 제128회 4교시 2번, 제101회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변압기 보호방식은 내부 고장을 전기량으로 검출하는 전기적 보호와 절연유의 가스·압력·온도 변화를 검출하는 기계적 보호로 나뉘며, 두 방식을 함께 적용해 변압기를 사고로부터 지킨다.

키워드: 전기적 보호, 기계적 보호, 차동계전기(87T), 과전류 계전기(50/51), 지락 과전압·지락 계전기(GR), 부흐홀츠 계전기, 충격압력 계전기, 방압장치, 권선온도계, 유면계.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기 안에서 전기가 새거나 과하게 흐르거나 기름이 가스로 바뀌는 순간을 잡아 차단기를 여는 장치들의 묶음이다. 전기적 보호는 전류의 크기와 방향을 보고, 기계적 보호는 기름과 탱크의 물리 변화를 본다.

정식 정의로는 변압기 보호방식을 고장 검출 원리에 따라 분류한 체계다. 전기적 보호는 전류·전압 같은 전기량을 변류기(CT)와 계전기로 비교해 고장을 판별하는 방식이다. 대표적으로 차동 보호가 있다. 차동 보호는 보호 영역으로 들어가는 전류와 나오는 전류의 차이로 고장을 판단한다. 영역 밖 고장에서는 두 전류가 같아 동작하지 않고, 영역 안 고장에서만 차이가 생긴다. 그래서 100% 선택성을 가지며 시간 지연 없이 주보호로 쓰인다.

기계적 보호는 변압기 탱크 내부에서 발생한 이상 현상을 직접 검출하는 방식이다. 내부 아크나 절연 열화로 절연유가 분해되면 가스가 발생하고 압력이 오른다. 부흐홀츠 계전기는 주탱크와 콘서베이터를 잇는 관에 설치되어 가스 발생과 유속을 검출한다. 충격압력 계전기는 급격한 압력 상승을 순시에 검출한다.

전기적 보호와 기계적 보호는 검출 대상이 다르다. 전기적 보호는 외부 고장까지 포함한 전기 사고를 보지만, 기계적 보호는 탱크 내부 사고에만 응동한다. 따라서 두 보호를 함께 써야 내부 사고를 빠짐없이 막을 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 전력계통의 핵심 설비로, 한 대가 고장 나면 큰 정전 범위와 긴 복구 기간이 생긴다. 권선 절연이 파괴되면 아크가 생기고 절연유가 급속히 분해되어 탱크가 파손될 수 있다. 이 때문에 고장이 확대되기 전에 검출·차단하는 보호 체계가 필요해졌다.

초기에는 과전류 계전기만으로 보호했으나, 내부 고장의 전류가 작은 경우 검출이 늦었다. 차동 보호 방식이 도입되어 보호 영역을 변류기 위치로 명확히 정하면서 내부 고장의 선택적 검출이 가능해졌다. 여기에 절연유 가스 검출이 더해져 아직 전류가 크지 않은 초기 열화 단계도 잡을 수 있게 되었다.

수변전설비의 변압기는 고압·특고압 계통에 연결되므로 보호 계전기의 정정과 협조가 중요하다. 한시 탭과 한시 레버의 정정, 지락 보호의 접지방식별 정정이 실무 설계의 핵심이다.

단락 전류가 흐를 때는 전원 측 차단기와 변압기 보호가 시간 협조를 이루어야 한다. 보호 계전기가 너무 빠르면 외부 고장에도 오동작하고, 너무 느리면 변압기가 손상된다. 그러므로 정정값은 변압기 정격과 계통 단락 전류를 함께 보고 정한다.

변압기 2차 정격전류 기준의 과전류 탭을 맞추는 것은 변압기 과부하 허용과 계전 여유를 함께 고려한 실무 정정 예이다.

직접접지 계통의 지락 보호는 한시 탭을 변압기 2차 정격전류의 30% 이하로 두는 예가 있다. 이 값은 접지 방식과 계통 조건에 따라 달라지므로 답안에는 방식별 정정 원리로 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기 보호는 내부 고장을 전기량으로 검출하는 전기적 보호와 절연유의 가스, 압력, 온도 변화를 직접 검출하는 기계적 보호로 나뉜다. 두 계열은 검출 대상이 달라 서로 대체하지 않고 함께 적용한다.

전기적 보호는 CT로 얻은 전류를 계전기가 정정값과 비교한다. 과전류 계전기는 부하 전류가 픽업 값을 넘으면 동작하고, 지락 계전기는 영상 전류로 대지 고장을 가린다. 기계적 보호는 고장으로 생긴 전기 아크가 절연유를 분해하는 현상을 이용한다.

비율차동 보호(Percentage Differential Protection)는 변압기 내부 고장 검출의 주 보호다. 보호 영역으로 들어가는 전류와 나오는 전류의 차이로 고장을 판단한다. 외부 고장에서는 두 전류가 같아 동작하지 않으므로 100% 선택적이다.

$I_d = |\dot{I}_1 - \dot{I}_2|$

I_d는 동작 전류(A), \dot{I}_1, \dot{I}_2는 양측 변류기 2차 전류(A)다. 외부 고장 시 I_d가 0에 가까워 동작하지 않는다.

관통 전류가 커지면 CT 포화로 차전류가 생길 수 있다. 이를 막기 위해 관통 전류에 비례해 동작 기준을 올리는 억제 특성을 둔다. 비율차동의 기울기는 CT 오차와 탭 변환기 조정 범위를 고려해 정한다.

부흐홀츠 계전기는 변압기 주탱크와 콘서베이터를 잇는 관에 설치한다. 국부 과열로 절연유가 분해하면 가스가 발생하고, 가스가 계전기 플로트를 움직여 경보 접점(b1)을 닫는다. 사고로 과압과 급격한 유류 이동이 생기면 하부 접점(b2)이 차단 신호를 낸다. 절연유 분해는 국부 과열 온도가 일정 수준 이상이 되면 시작된다.

충격압력 계전기는 내부 사고의 충격성 압력 상승을 순시로 검출한다. 완만한 압력 상승은 플로트의 오리피스로 양쪽 압력이 균형을 이뤄 동작하지 않는다.

보호 동작은 다음 순서로 일어난다.

• 내부 고장으로 전류, 가스, 압력이 변한다.
• 변류기(CT)가 전류를 검출해 계전기에 전달한다.
• 계전기가 정정값과 비교해 동작 여부를 판정한다.
• 트립 신호로 차단기를 개방해 변압기 전원을 차단한다.
• 부흐홀츠 등 기계적 계전기는 경보를 내고 절연유를 점검한다.

변압기 보호는 전기량 검출과 기계량 검출을 함께 써야 내부 고장을 빠짐없이 잡는다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기설비 보호는 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. KEC는 2021-01-01부터 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체해 적용된다. 변압기 보호 정정은 계통 접지방식에 따라 달라지므로, 접지방식별 기준값을 함께 익혀야 한다.

위 값은 실무 정정 기준이다. 정정 시에는 계통 조건과 제조사 시험 성적을 함께 확인하도록 설계 문서에 남긴다. 기계적 보호 장치의 동작값은 제조사 사양을 따른다.

관련 기준 이름은 다음과 같다. 전기설비 보호 설계는 KEC, 변압기 시험과 절연 기준은 전기기기 표준을 따른다. 기계적 보호는 부흐홀츠 계전기 제조사 사양과 절연유 관리 기준을 함께 적용한다.

지락 보호는 접지방식에 따라 탭과 시간 정정이 달라진다.