비율차동계전기

왜 배우는가: 비율차동계전기는 변압기 내부고장을 빠르고 선택적으로 검출하는 주 보호 방식이며, 변압기 투입 시 여자돌입전류와 CT 오차에 의한 오동작을 막는 기법이 함께 출제되어 기술사 시험에 반복해서 나온다. 전력계통 보호 설계의 기본이 되는 개념이다.

출제 이력: 제134회 1교시 12번, 제125회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비율차동계전기는 보호구간에 유입하는 전류와 유출하는 전류의 차전류가 억제전류에 대한 일정 비율을 넘을 때 동작하는 변압기 내부고장 보호 계전기이다.

핵심 키워드

• 비율차동계전기(Ratio Differential Relay, 87T)
• 차전류(Differential Current)
• 억제전류(Restraint Current)
• 동작비율(Percentage Differential)
• 여자돌입전류(Magnetizing Inrush Current)
• 고조파 억제(Harmonic Restraint)
• CT 오차 보상(CT Mismatch Compensation)
• 단위보호(Unit Protection)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 보호구간의 한쪽으로 들어가는 전류와 다른 쪽으로 나오는 전류를 비교해서 차이가 생기면 내부에 고장이 있다고 판단하는 계전기다. 외부 사고처럼 큰 전류가 양쪽으로 함께 흐를 때는 차이가 작아 동작하지 않도록 만든 것이 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 비율차동계전기는 보호구간에 유입하는 전류와 유출하는 전류의 벡터차를 구하고, 이 차전류가 통과전류(억제전류)에 비례해 정한 비율을 넘을 때 동작하는 계전기다. 차전류는 유입전류에서 유출전류를 뺀 값이다.

동작비율은 차전류를 유출전류로 나눈 백분율이다. 동작비율 = 차전류 × 100 ÷ 유출전류(%)로 정의한다. 억제전류와 동작전류의 일정한 비율 관계로 동작하기 때문에 '비율'차동이라 부른다.

억제코일은 통과전류로 억제력을 만들고, 동작코일은 차전류로 동작력을 만든다. 외부사고 때 통과전류가 크면 억제력이 커서 계전기가 동작하지 않는다. 내부고장 때는 억제력보다 동작력이 커서 동작한다.

고조파 억제는 여자돌입전류에 많이 포함된 제2고조파를 검출해 억제코일에 작용시키는 방식이다. 변압기 투입 시 생기는 큰 여자전류를 내부고장으로 착각하지 않도록 한다.

CT 오차 보상은 변압기 탭 변경으로 생기는 전압비와 CT 비의 불일치를 보정하는 기능이다. 보상 탭을 두어 2차 전류의 크기를 맞춘다.

3. 등장 배경과 필요성

단순 차동계전기는 변압기의 권수비나 결선에 따라 양쪽 전류 크기와 위상이 달라지므로 외부사고에서도 차전류가 생긴다. 이를 막기 위해 억제 요소를 둔 비율 방식이 필요해졌다.

변압기는 수리비가 크고 내부고장이 진행되면 화재와 인접 설비 손상으로 번질 수 있다. 그래서 고장을 빠르게 분리하는 고감도 주 보호가 필수다. 차동 보호는 보호구역 경계가 CT 위치로 정해지므로 다른 보호와 시간 협조 없이 즉시 트립할 수 있다.

변압기 투입 때 흐르는 여자돌입전류는 정격 부하전류의 수배에서 수십 배에 이르고, 1차측에만 흐른다. 이 전류가 차전류로 보이면 정상 상태에서도 오동작하므로 고조파 억제와 감도 저하 기법이 함께 발전했다.

탭 변경과 CT 비 불일치로 인한 정상상태의 불평형 전류 문제도 있다. 이를 해결하려고 비율(퍼센트) 특성을 도입했다. 이 특성 때문에 현재 변압기 주 보호는 거의 모두 비율차동 방식을 쓴다.

최소동작전류는 전류 탭 값의 관련 기준이 정한 비율 이상으로 설정한다.

특성곡선은 유출전류 설정 탭값의 300%에서 정확히 동작

4. 구성요소·원리·절차

비율차동계전기는 보호구간에 들어가는 전류와 나오는 전류의 차(차전류)를 억제전류와 비교해 동작 여부를 정한다. 내부 고장에서는 차전류가 커지고, 외부 고장에서는 통과전류가 커져 억제력이 함께 커진다. 그래서 외부 고장에서 오동작하지 않는다.

구성요소 표

표의 구성요소는 동작코일과 억제코일이 핵심이다. 보상 탭은 탭 변경 때마다 생기는 CT 비 불일치를 맞춘다.

원리

억제코일은 통과전류에 비례한 억제력을 만들고, 차전류는 동작력을 만든다. 동작 조건은 동작력이 억제력보다 클 때이다. 억제전류와 동작전류의 비례 관계가 일정하므로 비율차동이라 부른다.

• 최소동작전류: 전류 탭 값의 관련 기준이 정한 비율 이상에서 동작하도록 설정한다.
• 동작비율 = 차전류 × 100 ÷ 유출전류, 차전류 = 유입전류 − 유출전류.
• 특성곡선은 유출전류가 설정 전류 탭값의 300% 에서 정확히 동작하도록 설계한다.

동작 판정 절차

• 변압기 1차·2차 CT 2차 전류를 측정하고 결선 위상을 맞춘다.
• 보상 탭으로 권수비와 CT 비 차이를 보정한다.
• 차전류와 억제전류를 계산해 동작비율을 구한다.
• 고조파 성분이 억제 기준 이상이면 동작을 억제한다.
• 동작비율이 특성곡선 안쪽이면 트립 신호를 보낸다.

회로 구성(도식)

5. 관련 법령·기준·표준

비율차동계전기는 법령으로 정한 설치 기준보다 설계·정정 기준이 중심이다. 국내 전기설비 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 따르고, 보호계전 방식은 제조사 정정 기준과 전력 회사 보호 협조 기준을 함께 적용한다.

고조파 억제 기준의 적용 대상은 변압기 투입 시 여자돌입전류다. 일반적인 고장 전류와 파형이 달라 제2고조파 함유율로 구분한다.

한국전기설비규정(KEC)은 2021-01-01부터 적용된다. 이 기준에 따라 계전기 정정 값을 확인한다.

차전류가 억제전류 대비 설정 비율을 넘으면 동작하고, 통과전류가 클수록 동작 문턱이 높아진다.

6. 유형과 비교

비율차동계전기는 보호 방식과 억제 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 시험에서는 비율차동 방식과 단순 차동 방식, 그리고 억제 요소의 종류를 비교하는 문제가 자주 나온다.