교류급전 보호계전기

왜 배우는가: 교류 전기철도의 급전계통은 고장이 나면 열차 운행 전체에 영향을 미치므로 보호계전기의 원리와 요건을 정확히 알아야 한다. 이 개념은 변전설비, 급전구분소, 거리 보호 등 여러 주제와 이어져 여러 회차에서 반복 출제되었다.

출제 이력: 제131회 2교시 6번, 제128회 3교시 5번, 제112회 1교시 9번, 제110회 4교시 1번, 제101회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

교류급전 보호계전기는 급전계통의 전압과 전류를 감시하여 고장을 검출하고 차단기를 트립시켜 고장 구간만 분리하는 장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 교류급전계통: 변전소의 급전용 변압기에서 나온 단상 교류 전력을 급전선과 전차선을 통해 전기차에 공급하는 계통이다.
• 보호계전기: 고장 전류와 전압을 검출하여 차단기에 동작 신호를 내는 기기이다.
• 검출부: 변류기(CT)와 계기용 변압기(PT)로 고장 전류와 전압을 받아들이는 부분이다.
• 판정부: 검출된 값이 정정치를 넘었는지 판단하여 동작 여부를 결정하는 부분이다.
• 동작부: 판정 결과에 따라 차단기 트립코일을 여자하여 차단기를 여는 부분이다.
• 정정: 동작 전류, 동작 시간, 임피던스 등 계전기의 기준값을 설계 조건에 맞추어 설정하는 작업이다.
• 선택 차단: 고장 구간에 가장 가까운 차단기만 동작시키고 건전 구간의 급전은 유지하는 것이다.
• 협조: 상위와 하위 보호장치의 동작 시간 차이를 두어 고장이 하위 장치에서 먼저 제거되도록 맞추는 것이다.

2. 개념 풀이

교류급전 보호계전기는 교류 전기철도의 변전소, 급전구분소, 급전선 등에서 전압과 전류를 측정하여 고장 여부를 판정하고, 차단기를 동작시켜 고장 구간을 분리하는 보호계전기의 총칭이다. 교류 급전계통은 급전선이 길게 이어져 있어 고장 위치에 따라 전류의 크기가 크게 달라진다. 따라서 전류 크기만으로는 판단이 부족하고, 전압과 전류의 비인 임피던스까지 함께 보고 고장 위치와 종류를 판단해야 한다.

보호계전기의 원리는 검출부, 판정부, 동작부의 세 요소로 설명된다. 검출부는 CT와 PT로 고장 전류와 전압을 받아들이고, 판정부는 그 값이 동작 조건에 들어오는지 판단한다. 동작부는 판정 결과가 고장이면 차단기 트립코일을 여자하여 차단기를 개방한다. 세 요소가 순서대로 작동해야 고장 구간이 분리되므로, 어느 한 요소라도 잘못 동작하면 보호 기능 전체가 무너진다.

동작 특성은 입력량과 동작 시간의 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 입력이 설정값을 넘으면 계전기가 동작하는 영역과 동작하지 않는 영역이 나뉘며, 같은 전류라도 전압 조건에 따라 동작 영역이 달라질 수 있다. 동작 시간에 따라 정해진 지연 후 동작하는 한시 동작과 지연 없이 즉시 동작하는 순시 동작으로 구분한다. 구간 끝 가까운 고장을 빠르게 끊어야 하는 경우에는 순시 동작을 쓰고, 상위 구간과 시간을 맞춰야 하는 경우에는 한시 동작을 쓴다.

교류 급전계통에서 고장점까지의 거리를 임피던스로 판단하는 거리계전기가 대표적인 계전기이다. 거리계전기는 계전기 설치점에서 측정한 임피던스가 정정 임피던스보다 작을 때 동작하므로, 선로 길이에 비례하는 보호 구간을 설정할 수 있다.

보호계전기는 보호구간을 설정하여 구간 내부 고장과 외부 고장을 구분한다. 인접한 보호구간이 서로 겹치도록 설정하면 어느 구간도 보호되지 않는 틈이 생기지 않는다. 반대로 보호구간이 과도하게 넓으면 외부 고장에도 반응하여 불필요한 차단이 늘어난다.

보호계전기에는 정확성, 신속성, 선택성, 신뢰성, 경제성이 요구된다. 정확성은 고장을 빠짐없이 검출하는 능력이고, 선택성은 고장 구간만 골라 차단하는 능력이다. 신뢰성은 필요할 때 확실히 동작하고 필요하지 않을 때는 동작하지 않는 성질이다. 고장을 빨리 제거할수록 설비 손상과 열차 운행 장애가 줄어들므로 신속성도 중요하다.

보호장치가 여러 단계로 설치되면 하위 장치가 먼저 동작하고 상위 장치는 후비 보호로 동작해야 한다. 이를 위해 단계마다 동작 시간 차이를 두는 협조가 필요하며, 차이가 너무 크면 고장 제거가 늦어지고 너무 작으면 상위 장치가 먼저 동작하는 오동작이 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 전기철도는 3상 전력계통에서 받은 전력을 변전소의 급전용 변압기로 단상 교류로 바꾸어 전차선에 공급한다. 국내 교류 전철의 급전 전압은 25kV, 주파수는 60Hz이며, 보호계전기의 설정과 설치 조건도 이 계통 조건을 기준으로 정해진다.

급전계통에 고장이 발생하면 열차가 멈추고 운행 전체가 지연되므로, 고장을 신속히 분리하고 나머지 구간의 전력 공급을 유지하는 보호 체계가 필요해졌다. 급전선은 변전소와 급전구분소 사이에 길게 이어져 있고 옥외에 노출되어 있어, 낙뢰나 절연 파괴 같은 고장이 발생하기 쉽다.