고저항 지락보호

왜 배우는가: 직류 전기철도의 지락은 전류가 작아 보호 계전기가 놓치기 쉬우므로, 감전과 화재, 통신 장애를 막기 위해 반드시 이해해야 하는 개념이다. 여러 회차에 걸쳐 반복 출제되는 개념이며 교류 보호와 구분되는 직류 특유의 판단 원리를 묻는다.

출제 이력: 제121회 2교시 1번, 제118회 3교시 2번, 제89회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

직류 급전회로의 고저항 지락을 검출해 사고 구간을 분리하는 보호 방식이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 본문에서는 아래 키워드를 함께 설명할 수 있어야 한다.

• 직류 급전회로: 변전소의 정류기에서 만든 직류를 급전선과 레일을 통해 전차에 공급하는 회로이다. 전차가 전력을 받는 경로이므로 지락 보호의 대상이 된다.
• 고저항 지락: 지락저항이 관련 기준값 이상으로 커서 지락전류가 작게 흐르는 지락 고장이다. 전류 크기만으로는 고장을 판단하기 어려운 것이 특징이다.
• 비접지 방식: 회로가 대지와 절연되어 한 지점의 지락만으로는 큰 지락전류가 흐르지 않는 방식이다. 첫 지락을 즉시 차단하지 않고 감시하는 방식의 기초가 된다.
• 지락전류: 지락 고장 시 회로에서 대지로 흘러 나가는 전류이다. 지락저항이 커질수록 지락전류는 작아진다.
• 직류접지계전기(64P): 회로와 대지 사이의 전압 편차나 누설 성분을 감시하여 지락을 검출하는 계전기이다.
• 사고구간 분리: 고장이 생긴 구간만 차단기로 떼어내고 나머지 급전을 유지하는 것이다. 고장 확대를 막는 최종 목표이다.

고저항 지락은 과전류 보호와 대비해 이해해야 한다. 과전류 보호는 큰 단락전류를 기준으로 하므로, 같은 지락이라도 전류 크기에 따라 검출 방식이 달라진다는 점을 답안에 밝힌다.

2. 개념 풀이

고저항 지락보호는 직류 전기철도 급전회로에서 지락저항이 관련 기준값 이상인 고장을 검출하여, 고장 구간을 분리하거나 경보함으로써 2차 사고를 막는 보호이다. 지락저항이 크면 지락전류가 작아 과전류 보호 계전기의 정정값에 도달하지 못하므로, 전압과 누설 성분을 감시하는 별도의 지락 검출 체계가 필요하다.

원리는 회로의 대지 절연 상태에서 출발한다. 직류 급전회로는 대지와 절연된 비접지 방식으로 구성되므로, 한 지점이 지락되어도 대지를 거치는 귀로가 충분히 형성되지 않아 지락전류가 작다. 이 상태에서는 전차 운행이 계속되지만, 방치하면 다른 극이나 다른 지점에서 두 번째 지락이 생긴다. 두 지락점이 연결되면 단락 경로가 만들어져 고장전류가 급격히 커지므로, 첫 번째 지락을 조기에 검출하는 것이 보호의 핵심이다.

검출 과정은 다음 순서로 진행된다.

• 정상 운전 상태에서는 양극의 대지 전위가 대칭을 이루어 계전기에 편차가 나타나지 않는다.
• 한 극에 고저항 지락이 생기면 그 극의 대지 전위가 변하여 전위 편차가 생긴다.
• 직류접지계전기(64P)가 이 편차를 감시하여 설정값 이상이면 지락으로 판정한다.
• 판정 결과를 경보하고 고장 구간을 분리하여 두 번째 지락과 단락 사고를 막는다.

검출의 난점은 감도 설정에 있다. 고저항 지락에서는 전압 편차도 작을 수 있으므로 계전기 감도를 높여야 하지만, 감도를 지나치게 높이면 정상적인 전압 변동에도 오동작할 위험이 있다. 따라서 감도는 오동작과 검출 누락 사이의 균형으로 정한다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 지락전류: 지락 고장으로 대지에 흘러 나가는 전류이다. 고저항 지락에서는 이 값이 작아 과전류 계전기로 검출하기 어렵다.
• 비접지 방식: 대지와 절연된 회로 구성이다. 한 지점 지락에서는 즉시 차단하지 않고 감시하고 경보하는 것이 일반적인 대응이다.
• 직류접지계전기(64P): 대지 전압 편차로 지락을 검출하는 계전기이다. 고저항 지락을 검출하는 핵심 설비로 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

직류 전기철도는 변전소의 정류기로 교류를 직류로 바꾸어 전력을 공급하는 방식이다. 국내 전철 노선에서는 직류 1,500V 방식이 널리 쓰여 왔다. 전차가 선로를 따라 이동하면서 부하 전류와 고장 위치가 계속 변하므로, 하나의 고정된 정정값으로 모든 고장을 안정적으로 검출하기 어렵다.

교류 계통은 중성점 접지 방식에 따라 지락전류가 제한되고 그에 맞춰 보호 방식이 정해진다. 직류 급전회로는 비접지 구성이 기본이므로 지락 후에도 전류가 충분히 커지지 않는다. 이 차이 때문에 교류 보호의 전류 기준을 그대로 적용할 수 없고, 직류 특유의 전압 기준 검출이 등장하였다.