교류전철변전소 보호계전기

왜 배우는가: 교류전철변전소는 특고압 수전과 단상 급전이 결합된 설비라 보호계전기의 오동작이나 미동작이 열차 운행 정지와 설비 소손으로 바로 이어진다. 수전측, 변압기측, 급전측 보호를 계통별로 구분해 이해해야 사고 범위를 좁히고 차단 순서를 정할 수 있어, 기술사 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제113회 4교시 2번, 제94회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

교류전철변전소 보호계전기는 전력계통에서 사고나 이상 상태를 검출하여 차단기를 트립시키고 고장 구간을 분리하는 계전기다. 수전측, 변압기측, 급전측으로 나누어 각 구간에 맞는 계전기를 배치한다.

보호계전기는 사고 구간을 검출해 차단기 트립 신호를 내고, 고장 범위를 최소화하는 장치다.

• 핵심 키워드: 보호계전기, 과전류계전기(OCR), 비율차동계전기, 지락과전류계전기, 차단기 트립, 보호 협조, 고장 구간 분리, 무보호구간

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변전소 안에서 사고가 나면 사고 난 부분만 끊고 나머지는 살리는 장치가 보호계전기다. 변압기나 모선에서 이상 전류가 흐르면 계전기가 이를 감지하고 차단기를 열어 사고가 번지지 않게 한다.

정식으로 정의하면, 보호계전기는 계기용 변류기(CT)와 계기용 변압기(PT)에서 받은 전압·전류 신호를 판단하여 설정값을 넘으면 차단기 트ip 코일을 여자시키는 장치다. 보호 대상은 과전류, 지락, 과전압, 저전압, 주파수 이상 등으로 나뉜다.

계전기 기능의 핵심 용어는 다음과 같다.

• 동작 특성: 전류나 전압이 설정값을 넘었을 때 동작 시간이 어떻게 변하는지를 나타내는 특성이다. 정한시와 반한시 특성이 있다.
• 한시 동작: 설정 전류를 넘은 뒤 일정한 시간이 지나야 접점이 닫히는 방식이다. 보호 협조를 위해 시간 차를 둔다.
• 순시 동작: 시간 지연 없이 즉시 접점을 닫는 방식이다. 사고 근처에서 빠르게 차단할 때 쓴다.
• 보호 협조: 사고 시 가장 가까운 차단기가 먼저 동작하도록 계전기 사이의 동작 시간을 맞추는 일이다.
• 무보호 구간: 어떤 계전기도 보호하지 못하는 구간이다. 계전기 배치로 이 구간을 없애야 한다.

계전기 전원은 세 가지로 나뉜다. 자기전원형은 보호 회로의 CT에서 에너지를 얻어 별도 전원이 필요 없다. 보조전원형은 축전지나 외부 교류 전원을 쓰며, 사고 중에도 신뢰성이 높아야 한다. 복합전원형은 두 방식을 함께 써서 한쪽이 실패해도 동작하도록 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전철변전소는 상용 전력계통에서 특고압을 받아 단상 전원을 만들어 전차선에 공급한다. 전차선과 레일, 급전선 등 구성이 복잡하고, 열차가 움직이면서 부하와 고장 위치가 계속 바뀐다. 이 때문에 고정된 보호 방식만으로는 사고를 빠르고 정확하게 분리하기 어렵다.

초기에는 과전류계전기 한 가지로 여러 구간을 보호하는 경우가 많았다. 그러나 이 방식은 사고 위치에 따라 동작 시간이 길어지고, 여러 차단기가 동시에 트립하는 문제가 있었다. 이후 구간별로 차동계전기, 거리계전기, 지락계전기 등을 나누어 쓰는 방식이 자리 잡았다.

특히 AT 급전방식처럼 급전 계통이 복잡해진 경우, 한쪽 급전선 사고가 반대쪽 급전선 차단기까지 함께 트립시킬 수 있다. 이런 선택성 문제는 계통 구조에 맞춘 보호계전기 배치와 협조가 있어야 해결된다.

따라서 수전측은 상용 계통과의 사고 격리, 변압기측은 변압기 내부 고장 보호, 급전측은 열차 급전 선로 고장 분리를 맡도록 나누어 설계한다. 이 구분이 교류전철변전소 보호 설계의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

교류전철변전소의 보호계전기는 계통을 세 구간으로 나누어 맡는다. 수전측은 상용 전력계통과 연결되는 구간, 변압기측은 주변압기 내부, 급전측은 전차선으로 나가는 구간이다. 구간마다 고장 형태가 다르므로 계전기 종류도 달라진다.

수전측 계전기는 계기용 변류기(CT) 와 계기용 변압기(PT) 신호로 전압과 전류를 판단한다. 과전류 계전기는 부하 전류보다 높은 픽업값을 갖고, 사고 전류가 그 값을 넘으면 시간 지연 후 동작한다. 부족전압과 주파수 계전기는 계통 전압이나 주파수가 정상 범위를 벗어날 때 동작하여 전철 부하가 계통 상태를 악화시키지 않도록 한다.

변압기측은 보호 영역의 입력 전류와 출력 전류의 차이로 동작하는 차동 방식이 핵심이다. 영역 외부 고장은 입구와 출구의 전류가 같아 차가 생기지 않는다. 영역 내부 고장에서만 차가 생겨 계전기가 동작한다. 보호 경계는 변류기 위치로 정해지므로 다른 보호와 시간 협조가 필요 없고 추가 지연 없이 트립할 수 있다. 부흐홀츠 계전기 는 유입식 변압기 본체와 콘서베이터 사이 배관에 설치되어, 내부 아크와 과열로 발생한 가스를 검출한다. 가스 축적은 경보, 다량의 절연유 유동은 트립에 쓰인다. 제한지락 계전기는 변압기 권선의 지락만 감시하도록 중성점 측 변류기와 결합하여 권선 일부의 지락을 민감하게 검출한다.

급전측은 전차선 사고를 거리와 방향으로 가린다. 거리 계전기 는 계전기에서 사고점까지의 임피던스를 재어 설정된 거리 안의 사고만 동작시킨다. 방향 요소는 사고 방향이 급전 구간 쪽인지 판정한다. 재폐로 계전기 는 일시적 사고, 예컨대 뇌격이나 나뭇가지 접촉에 대비하여 차단기를 일정 시간 후 한 번 재투입하고, 재사고가 나면 영구 고장으로 판정하여 차단 상태를 유지한다.

계전기의 전원은 세 가지 방식이 있다. 자기전원 방식은 CT 의 에너지로 동작하여 별도 전원이 필요 없어 비용과 신뢰성에 유리하다. 보조전원 방식은 축전지나 외부 교류 전원을 쓰며, 계통 사고 중에도 전원이 확실해야 한다. 이중전원 방식은 CT 전원과 보조전원을 함께 써서 한쪽이 상실되어도 동작하게 한다.

계전기의 동작 절차는 다음과 같다.

• CT·PT 에서 전압과 전류 신호를 받는다.
• 계전기가 신호를 설정값(픽업, 임피던스, 차전류)과 비교한다.
• 동작 조건이 맞으면 설정된 시간 지연 후 트립 신호를 낸다.
• 차단기 트립 코일을 여자하여 차단기를 개방한다.
• 고장 구간을 분리하고 사고 기록을 남기며, 급전측은 재폐로 여부를 판단한다.

과전류 계전기의 한시 탭 정정은 다음 식으로 한다.

$I_{set} = k \cdot \frac{I_L}{CTR}$

여기서 I_{set} 은 계전기 정정 전류(A, 2차측), k 는 여유율(무차원), I_L 은 최대 부하 전류(A, 1차측), CTR 은 변류기 비(무차원)이다.

가상의 예로 최대 부하 전류 300A, 변류기 비 400/5, 여유율 1.2를 가정한다. CTR = 400/5 = 80 이고, I_{set} = 1.2 \times 300 / 80 = 4.5\,A 이다. 계전기 2차 정격 전류 5A 범위 안이므로 상식 범위에 맞다.

5. 관련 법령·기준·표준

변전소 보호계전 설계는 전기철도 관련 설계기준과 한국전기설비규정(KEC) 의 보호 규정을 함께 본다. KEC 는 2021-01-01 부터 시행되었으며, 이로써 구 전기설비기술기준의 판단기준이 대체되었다. 보호계전기의 기능 번호는 미국 규격인 ANSI 번호 체계를 따르고, 국내 내선규정은 일부 다른 기구번호를 쓴다. 따라서 답안에서는 기능 이름과 번호를 함께 적는다.

외국 규격의 세부 조항은 이름과 개념 차이만 쓴다. 설계 수치는 계통 조건과 제작사 자료에 따라 정한다. 아래 표는 교육 자료에 실린 대표 기준값이다.