과전류계전기 한시특성

왜 배우는가: 과전류계전기는 과부하와 단락전류를 감지해 차단기를 동작시키는 가장 기본적인 보호 장치다. 한시특성(반한시 특성)은 사고 전류의 크기에 따라 동작시간을 달리해 보호협조를 맞추는 핵심 원리이므로, 보호계전 분야 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제118회 1교시 9번, 제100회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

과전류계전기는 설정된 전류값을 초과하면 동작하며, 한시특성은 전류가 클수록 동작시간이 짧아지는 반한시 특성을 가진다.

• 과전류계전기(OCR)
• 탭 전류(Pick-up 전류)
• 한시특성(반한시 특성)
• 시간배율(TMS)
• IDMT 특성
• 보호협조
• 순시요소

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전류가 설정값을 넘으면 일정 시간 뒤에 차단 신호를 내보내는 계전기다. 전류가 크게 흐를수록 빨리 끊고, 작게 흐르면 천천히 끊는다. 이 성질이 한시특성이다.

과전류계전기는 변류기(CT)에서 받은 2차 전류를 입력으로 받아 동작한다. 정식 정의는 다음과 같다. 과전류계전기는 전류의 크기가 설정값 이상일 때 동작하는 계전기이고, 한시형 과전류계전기는 동작시간이 전류 크기의 함수로 정해지는 계전기다.

탭 전류(Pick-up 전류)는 계전기가 동작을 시작하는 최소 전류다. 탭 값은 계전기 정격 전류의 배수로 정한다. 탭 전류 미만에서는 계전기가 동작하지 않는다.

시간배율(TMS, Time Multiplier Setting)은 같은 전류에서 동작시간을 몇 배로 늘릴지 정하는 값이다. 유도 원판형에서는 시간 다이얼(TD) 또는 한시동작시간 레버로 조정한다. TMS가 커지면 같은 전류에서도 동작시간이 길어진다.

정한시 특성은 전류 크기와 무관하게 동작시간이 일정한 특성이다. 반면 반한시 특성은 전류가 커질수록 동작시간이 짧아지는 특성이다. 한시특성이라는 말은 보통 반한시 특성을 가리킨다.

IDMT 특성(Inverse Definite Minimum Time)은 탭 전류 근처에서는 반한시 특성을 보이고, 일정 전류 이상에서는 최소 동작시간에 수렴하는 특성이다. 실제 계전기 대부분은 이 특성을 따른다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통에서 사고 전류는 사고점 위치와 전원 조건에 따라 크게 달라진다. 사고점에 가까울수록 전류가 크고, 멀수록 작다. 전류 크기와 무관하게 동작시간을 고정하면, 사고점에 가까운 계전기가 먼 계전기보다 늦게 동작하는 문제가 생긴다.

이를 해결하기 위해 전류가 클수록 빨리 동작하는 반한시 특성이 도입됐다. 전원에 가까운 계전기는 동작시간을 길게, 부하 측 계전기는 짧게 설정하여 사고 구간의 차단기만 먼저 열리도록 한다. 이것이 보호협조의 기본 원리다.

반한시 특성은 전자식·디지털 계전기에서도 그대로 쓰인다. 전기 기계식 유도 원판형 계전기는 원판의 회전 구동력과 영구자석의 제동력이 균형을 이루는 원리로 반한시 특성을 얻었다. 전자식 계전기는 같은 특성을 회로로 구현했다. 최근 디지털 계전기는 곡선식을 프로그램하거나 구간별 직선으로 근사한 곡선을 쓴다.

한시특성을 정하는 기준은 계전기 종류와 함께 IEC 표준 곡선식으로 정리되어 있다. 대표 곡선은 표준 반한시(SI), 매우 반한시(VI), 극반한시(EI)이며, 정의 시간(DT) 특성과 함께 쓰인다. 곡선의 기울기가 급할수록 전류 변화에 따른 동작시간 차이가 크다.

4. 구성요소·원리·절차

과전류계전기(OCR)는 전류 검출, 동작 판정, 접점 출력의 세 부분으로 구성된다. 유도 원판형은 변류기(CT) 2차 전류가 만드는 자속이 원판에 와전류를 유도하고, 그 회전력이 제동력과 균형을 이룰 때 접점이 닫히는 원리로 동작한다. 한시 특성은 이 회전 속도가 전류 크기에 따라 달라지는 데서 생긴다.

한시 요소와 순시 요소는 한 계전기 안에 함께 있다. 한시 요소는 고장 전류가 작을 때 긴 시간을 두고, 순시 요소는 큰 고장 전류에서 즉시 동작한다.

동작 원리는 다음과 같다.

• 계통 고장으로 CT 2차에 전류가 흐른다.
• 전류가 탭 값을 넘으면 원판에 구동 토크가 생겨 원판이 회전한다.
• 전류가 클수록 구동 토크가 커서 원판이 빨리 돈다.
• 원판이 제동 자석의 제동 토크와 맞는 각도에 도달하면 접점이 닫힌다.
• 접점 신호로 차단기 트립 코일이 여자되어 차단기가 개방된다.
• 고장이 제거되면 원판은 제동 자석에 의해 원위치로 복귀한다.

구동 토크는 전류의 제곱에 비례하고, 제동 토크는 원판 회전 속도에 비례한다. 두 토크가 평형을 이루는 순간 회전 속도가 일정해지므로, 전류가 클수록 같은 각도에 더 빨리 도달한다. 이것이 한시 특성이 역한시가 되는 물리적 이유다.

한시 동작 시간은 다음 식으로 근사한다. 식의 기호는 아래와 같다.

$t = TMS \times \frac{k}{(I/I_s)^{\alpha} - 1}$

• t: 동작 시간 [s]
• TMS: 시간 승수 설정(시간 레버 값, 무차원)
• I: 계전기 입력 전류 [A]
• I_s: 탭(동작) 전류 [A]
• k, \alpha: 특성 곡선에 따른 상수(무차원)

식에서 I/I_s가 1에 가까워질수록 분모가 작아져 동작 시간이 길어진다. TMS가 커지면 같은 전류에서 동작 시간이 비례해 길어진다.

한시 동작 시간은 전류의 크기에 반비례하고, 시간 레버로 평행 이동시킨다

다음은 한시 특성이 결정되는 구조를 보여주는 구성도다.

5. 관련 법령·기준·표준

과전류계전기의 한시 특성은 국내 법령보다 국제 표준과 제조 기준을 따른다. 국내에서는 전기설비 보호협조와 계전기 설정을 설계 기준과 공사 기준으로 정하며, 특정 조문 번호는 본 절에서 인용하지 않는다.

한시 특성 곡선은 IEC 표준 계열의 표준 역한시(SI), 매우 역한시(VI), 극역한시(EI)와 장시간 역한시(LTI) 곡선이 널리 쓰인다. 영국 BS 142 계열 곡선과 미국 ANSI 계열 곡선도 같은 개념을 쓴다. 국제 표준의 세부 조항 번호는 확인된 범위에서만 밝힌다.

각 표는 곡선의 모양만 구분한다. 정한시는 시간 설정으로 동작 시간이 고정되고, 역한시 계열은 전류 크기에 따라 동작 시간이 달라진다.

IDMT(Inverse Definite Minimum Time) 계전기는 고장 전류가 큰 영역에서 정한시에 가깝고, 설정 전류 부근에서 역한시 특성을 보인다. 이 특성 때문에 배전선 보호에 널리 쓰인다. 전류가 설정값의 일정 배수 이상인 구간에서 곡선이 평탄해지는 것이 일반적인 특성이다.

국내 계통에서 계전기 설정은 보호협조 검토서에 따라 정하며, 한시 레버 값은 주로 계통 조건과 상위·하위 계전기 간 협조 시간 간격으로 결정된다. 협조 시간 간격은 일반적으로 관련 기준이 정한 범위를 쓴다.

개정 연혁으로는 전기기술기준 체계의 개편과 함께 보호 설비 설계 기준이 정비되어 왔으나, 본 절에서 특정 개정 연도를 지정하지 않는다.

6. 유형과 비교

과전류계전기는 동작 시간을 전류에 따라 정하는 방식에 따라 정한시(Definite Time)와 반한시(Inverse Time) 계열로 나뉜다. 반한시 계열은 다시 표준반한시(SI), 강반한시(VI), 극반한시(EI) 등으로 특성 곡선의 기울기가 달라진다.