디지털계전기 노이즈

왜 배우는가: 디지털 계전기는 변전소·발전소 보호의 핵심 장치이며, 전자 회로가 노이즈에 민감해 오동작이나 부동작이 곧 정전 사고로 이어진다. 그래서 발생원, 침입 경로, 설치환경 대책이 기술사 시험에서 2교시와 4교시에 반복 출제된다. 노이즈 원리를 먼저 이해하면 대책 문항도 체계적으로 풀 수 있다.

출제 이력: 제122회 2교시 4번, 제119회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

디지털계전기 노이즈는 외부·내부에서 발생한 원치 않는 잡음 신호가 계전기의 입력부·처리부·통신부에 결합되어 측정 오차, 오동작, 부동작을 일으키는 현상이다.

키워드: 디지털 계전기, 노이즈(Noise), 전자파 장해(EMI), 정전유도 노이즈, 전자유도 노이즈, 서지(Surge), 접지(Grounding), 차폐(Shielding)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 계전기가 고장 신호를 판단하는 과정에 가짜 신호가 끼어드는 것이다. 계전기는 전압과 전류를 디지털 값으로 바꾼 뒤 마이크로프로세서로 계산한다. 그래서 입력 단계에서 들어온 잡음이 그대로 계산 결과에 섞인다.

정식으로는 노이즈를 원래 신호를 교란하여 전자장치의 기능을 저해하는 불규칙한 잡음 신호라고 정의한다. 노이즈는 자연 현상과 인공적 원인으로 발생하며, 방사·전도·유도결합의 세 경로로 기기에 전달된다.

전자파 장해(EMI) 는 전자파가 다른 기기의 기능을 방해하는 현상이다. 계전기 관점에서는 주변 기기나 전원선에서 방사된 전자파가 계전기 회로를 교란하는 것을 말한다.

정전유도 노이즈 는 주변 전계의 영향으로 도체에 전압이 유도되는 현상이다. 고압 충전 도체 근처의 신호선에서 주로 나타난다.

전자유도 노이즈 는 주변 자계의 변화로 회로에 전압이 유도되는 현상이다. 전류가 큰 전력선 옆의 제어선이나 신호선에서 문제가 된다.

서지(Surge) 는 짧은 시간에 급격히 변하는 과도 전압·전류다. 개폐 동작, 낙뇌, 정전기 방전이 서지의 대표 원인이다.

3. 등장 배경과 필요성

계전기는 1960년대 후반 디지털 방식으로 연구가 시작되었다. 1984년 슈바이처 엔지니어링 연구소(SEL)가 최초의 상업용 디지털 보호 계전기를 전력 산업에 도입했다. 이 계전기는 전압과 전류를 디지털 형태로 변환하고 마이크로프로세서로 측정값을 처리한다.

디지털화로 한 장치가 여러 전기 기계식 계전기의 기능을 대신하게 되었다. 자체 테스트, 통신, 파형 분석 같은 기능도 함께 얻었다. 반면 반도체 소자와 고속 클록을 쓰므로 노이즈에 대한 민감도가 기계식 계전기보다 높아졌다.

또한 반도체와 디지털 기술이 발전하면서 부품이 소형화·고밀도화·고속화되었다. 짧은 시간에 전압과 전류가 급변하므로 노이즈 발생이 늘어났다. 전력 계통에서는 인버터, 가변속 드라이브, 개폐기 같은 설비가 늘면서 노이즈 환경이 더 나빠졌다.

따라서 디지털 계전기는 설계 단계에서 노이즈 대책을 반드시 포함해야 한다. 그렇지 않으면 보호 기능이 필요할 때 동작하지 않거나, 필요 없을 때 오동작하여 계통 신뢰도를 떨어뜨린다.

4. 구성요소·원리·절차

디지털계전기는 입력 변환부, 아날로그-디지털 변환부, 마이크로프로세서 연산부, 출력부로 구성된다. 전압·전류 입력은 보조 변성기와 저역통과 필터를 거쳐 샘플링되고, 연산부가 보호 알고리즘으로 고장 여부를 판정한다. 노이즈는 입력 회로와 전원·통신 경로에서 들어와 샘플링 데이터나 연산 결과를 흔들기 때문에 각 구성 블록의 방호가 함께 필요하다.

표의 각 블록은 설계 단계에서 노이즈 경로를 차단하는 대상이다. 입력부는 차폐와 필터, 전원부는 절연 변압기와 서지 흡수, 출력부는 릴레이 코일 억제 회로로 나누어 대응한다.

디지털계전기의 오동작은 아날로그 입력 단계의 노이즈가 샘플링 데이터를 왜곡할 때 가장 많이 발생한다

노이즈가 연산 결과에 영향을 주는 원리는 다음과 같다. 노이즈 전압이 입력 샘플에 더해지면 측정 전압·전류의 크기와 위상이 달라진다. 보호 알고리즘은 이 왜곡된 값을 고장으로 판정하거나 놓칠 수 있다. 또 마이크로프로세서의 전원이나 클록이 흔들리면 프로그램 카운터가 어긋나 연산 자체가 정지하거나 엉뚱한 명령을 실행한다.

노이즈 대책 적용 절차는 다음과 같다.

• 설치 환경에서 노이즈 발생원과 침입 경로를 조사한다.
• 입력 신호선과 제어선을 전력선과 분리하고 차폐 케이블을 사용한다.
• 전원부에 절연 변압기와 서지 흡수 소자를 설치한다.
• 접지 계통을 신호 접지와 보호 접지로 나누고 한 점에서 접속한다.
• 디지털 입력부에 광절연 또는 필터를 설치한다.
• 설치 후 노이즈 시험으로 오동작 여부를 확인한다.

샘플링 주파수와 필터의 관계는 다음 식으로 정리한다. 샘플링 주파수 f_s 는 보호 대상 신호 최고 주파수 f_{max} 의 2배 이상으로 하며, 이를 표본화 정리라 한다.

$f_s \ge 2 f_{max}$

여기서 f_s 는 샘플링 주파수(Hz), f_{max} 는 입력 신호의 최고 주파수(Hz)다. 계통 주파수 60Hz 신호에 고조파 성분이 포함된 경우 f_{max} 를 고조파 차수까지 정하고 f_s 를 그에 맞춘다. 이 조건을 만족하지 않으면 앨리어싱으로 저주파 가짜 성분이 나타나 고주파 노이즈가 측정값으로 섞인다.

5. 관련 법령·기준·표준

디지털계전기의 노이즈 내성은 개별 제품 규격과 국제 전자파 시험 규격을 함께 따른다. 국내 기기 전자파 적합성은 「전파법」에 따른 전자파적합성 인증 체계가 적용되며, 전력 설비의 보호계전기는 전기설비 기술기준과 제조사 시험 성적서로 성능을 입증한다. 국제 규격은 IEC 61000 시리즈가 기준이며, 계전기 전용 시험은 IEC 60255 계열이 사용된다.

위 표의 수치는 제품 시험 등급을 나타내며, 설치 현장의 노이즈 크기는 이보다 클 수 있으므로 설치 대책을 별도로 적용한다. 방사 전자계 내성 값은 시험 주파수 대역과 변조 조건에 따라 등급이 나뉜다.

개정 연혁으로는 IEC 60255 계열이 제품 시험 방식을 단계적으로 갱신해 왔고, 국내에서는 계전기 시험 규격을 KS 체계에 맞춰 도입해 왔다. 최근 개정 내용은 원문으로 대조해 적용 여부를 정한다.